嚴(yán)謹(jǐn) 權(quán)錄年 董平

摘 要：針對(duì)鄂北地區(qū)水資源配置工程線路長(zhǎng)、建筑物種類及數(shù)量多的特點(diǎn)，闡述其工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案。在工程試通水及通水初期，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工巡查，評(píng)估各建筑物安全狀況。根據(jù)工程遠(yuǎn)程監(jiān)控、在線管理的應(yīng)用需求，提出了三級(jí)架構(gòu)的工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步保證了數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)成果的可靠性，也為數(shù)字孿生工程應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水資源配置；安全監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程控制；自動(dòng)化系統(tǒng)；鄂北地區(qū)

中圖法分類號(hào)：X171；TV74? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程是在不影響南水北調(diào)中線工程調(diào)水規(guī)模和過(guò)程的前提下，通過(guò)工程措施將《南水北調(diào)中線工程規(guī)劃》中分配給湖北省的水量（11.07億m3）以及少量的、通過(guò)置換漢江中下游干流供水區(qū)水源調(diào)劑出來(lái)的水量（2.91億m3）引調(diào)到唐西、唐東區(qū)和隨州府澴河北區(qū)、大悟澴水區(qū)進(jìn)行水資源配置，解決鄂北地區(qū)水資源短缺問(wèn)題，滿足鄂北受水區(qū)生活、生產(chǎn)以及生態(tài)用水需求，促進(jìn)鄂北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程[1]。

工程線路先后穿越襄陽(yáng)市的老河口市、襄州區(qū)、棗陽(yáng)市，隨州市的隨縣、曾都區(qū)、廣水市以及孝感市的大悟縣，終點(diǎn)為大悟縣城附近的王家沖水庫(kù)，線路總長(zhǎng)度269.67 km，設(shè)計(jì)引水流量38.0 m3/s。工程沿線由取水建筑物、暗涵、渡槽、隧洞、明渠、倒虹吸、水閘、水庫(kù)及排洪建筑物組成。

工程具有線路長(zhǎng)、建筑物種類及數(shù)量多、調(diào)度及運(yùn)行管理難度大的特點(diǎn)[2]，為了掌握工程建筑物各階段的安全性狀，保障工程的正常調(diào)度運(yùn)行，有必要依據(jù)工程特點(diǎn)和智能化水利工程的發(fā)展需要，設(shè)計(jì)鄂北地區(qū)水資源配置工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)以保證數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)成果的可靠性。

2 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案

依據(jù)《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》《混凝土安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》確定工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并根據(jù)初期通水監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。工程監(jiān)測(cè)布置綜合考慮建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地質(zhì)特征、設(shè)計(jì)要求等因素，以輸水線路中重要建筑物監(jiān)控為主，了解隱含風(fēng)險(xiǎn)，找出其薄弱環(huán)節(jié)和制約建筑物安全狀態(tài)的控制因素和部位。

不同建筑物類型的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案見表1。設(shè)計(jì)方案充分考慮了工程的水文、地質(zhì)等自然條件和工程建筑物特征，監(jiān)測(cè)斷面均為各類建筑物有代表性的部位，能較全面地反映建筑物的性狀；測(cè)點(diǎn)的布置比較全面，且相對(duì)集中，便于相互校核；電纜敷設(shè)線路綜合考慮了儀器電纜接入現(xiàn)地測(cè)站較短、現(xiàn)地測(cè)站相對(duì)集中、施工相對(duì)方便且相互干擾盡量少等因素[6]。巡視檢查是設(shè)計(jì)方案中除儀器監(jiān)測(cè)項(xiàng)目外必不可少的內(nèi)容，監(jiān)測(cè)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)建筑物安全性狀進(jìn)行綜合分析。

3 初期監(jiān)測(cè)成果分析

工程安全監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)完成后，取得相應(yīng)的基準(zhǔn)值。對(duì)單體試通水、試通水及通水初期明渠、暗涵、隧洞、渡槽、倒虹吸、水閘等建筑物中埋設(shè)儀器的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行初步分析。

通水期間，明渠位移變化量為1.91 mm，滲壓變化量較小，變形基本穩(wěn)定；渡槽槽身的鋼筋應(yīng)力變化范圍在-7.97～9.19 MPa之間，鋼筋應(yīng)力整體變化不大，大部分處于受壓狀態(tài)；槽身混凝土鋼筋應(yīng)力受溫度影響較大，當(dāng)溫度升高時(shí)混凝土壓應(yīng)變?cè)龃?，溫度降低時(shí)壓應(yīng)變減小；混凝土應(yīng)變與同部位鋼筋應(yīng)力狀態(tài)基本一致，各錨索預(yù)應(yīng)力值均變化較小。倒虹吸、水閘、暗涵和隧洞等部位在通水前后變形、滲壓、應(yīng)力均變化較小。

監(jiān)測(cè)成果符合施工期和試通水階段建筑物工作狀態(tài)的一般規(guī)律，表明建筑物運(yùn)行性態(tài)基本正常。當(dāng)前安全監(jiān)測(cè)均采用人工數(shù)據(jù)采集，由于工程距離長(zhǎng)、建筑物種類及數(shù)量多，耗費(fèi)大量人力和物力，通常人工監(jiān)測(cè)的頻次為1個(gè)月1～2次，無(wú)法保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性，特別是受溫度變化影響較大的鋼筋應(yīng)力等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的人工監(jiān)測(cè)頻次較難滿足實(shí)際安全監(jiān)測(cè)需要，且人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性宜受觀測(cè)人員記錄、錄入等多個(gè)環(huán)節(jié)影響。為提高工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的及時(shí)性和可靠性，滿足后期運(yùn)行管理“無(wú)人值班、少人值守”的先進(jìn)管理水平，迫切需建立一套遠(yuǎn)程監(jiān)控、在線管理的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

4 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：①系統(tǒng)可靠、功能實(shí)用、組網(wǎng)合理、維護(hù)保養(yǎng)方便；②具有開放性，采用國(guó)際主流技術(shù)和平臺(tái)，使系統(tǒng)具有良好的縱向和橫向的兼容性，為系統(tǒng)集成預(yù)留接口；③具有可擴(kuò)展性，設(shè)備可方便地通過(guò)添加模塊，增加遠(yuǎn)程端口和本地端口數(shù)，為將來(lái)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和接入新的分中心提供網(wǎng)絡(luò)接口；④自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正確反映本工程建筑物的工作性態(tài)和不同時(shí)期的變化情況，系統(tǒng)設(shè)備性能要求低故障、高可靠性。

工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)管理及遠(yuǎn)程通信管理，具有可靠性、實(shí)時(shí)性、精確性、兼容性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，減少了人為因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，增強(qiáng)了成果的可靠性，使管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握工程運(yùn)行狀態(tài)，做出科學(xué)合理的決策，使管理達(dá)到“無(wú)人值班、少人值守”的現(xiàn)代化水平。工程監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)組成如圖1所示。

調(diào)水工程不同于其他工程，具有線路長(zhǎng)，管理處分散的特點(diǎn)，結(jié)合工程自動(dòng)化調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]，安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)分為三級(jí)：第一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站）；第二級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)管理級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)建管部），按行政區(qū)域分布3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)建管部，分別為丹襄建管部、棗隨建管部和廣悟建管部；第三級(jí)為監(jiān)控中心（鄂北水資源工程建管局）。

監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、信息管理及綜合分析四個(gè)部分。

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括MCU（數(shù)據(jù)采集裝置）自動(dòng)采集、集線箱采集、人工采集和巡視檢查等[8]。鄂北水資源配置工程沿線共布設(shè)有57個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站，共采集基礎(chǔ)變位計(jì)、位錯(cuò)計(jì)、測(cè)縫計(jì)、測(cè)斜儀、徑向變位計(jì)、縱向變位計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、鋼板計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)、溫度計(jì)、土壓力計(jì)和水位計(jì)等2 675支傳感器，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站內(nèi)放置1～5套數(shù)據(jù)采集裝置。數(shù)據(jù)采集裝置采集各類監(jiān)測(cè)儀器的信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)。監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇突出長(zhǎng)期性、穩(wěn)定性、可靠性，且便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并留有人工觀測(cè)接口。

4.2 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)管理級(jí)監(jiān)控中心間的數(shù)據(jù)通信，以及同系統(tǒng)外部的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。由于監(jiān)測(cè)儀器分布分散，間隔距離較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)通信采用有線、無(wú)線通信方式相結(jié)合，監(jiān)測(cè)傳感器定時(shí)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，再通過(guò)自建光纖專網(wǎng)或租用4G公網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)上傳到鄂北水資源工程建管局?jǐn)?shù)據(jù)中心，同時(shí)按管轄權(quán)（授權(quán)）同步到各建管部，建管局可隨時(shí)召測(cè)各地測(cè)站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并監(jiān)控各測(cè)站設(shè)備的運(yùn)行情況，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，另外數(shù)據(jù)的通信和同步策略也適合調(diào)水工程的特點(diǎn)。

4.3 信息管理

信息管理包括對(duì)原始數(shù)據(jù)的可靠性檢驗(yàn)和必要的處理，使之成為可供分析用的實(shí)測(cè)資料，并將其存儲(chǔ)管理?，F(xiàn)場(chǎng)人工數(shù)據(jù)由各建管部從業(yè)務(wù)專網(wǎng)將數(shù)據(jù)錄入至建管局?jǐn)?shù)據(jù)中心庫(kù)。為了確保數(shù)據(jù)的一致性，各建管部的歷史數(shù)據(jù)直接從建管局采集。建管局采集的各類信息存入專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，加工整理并確認(rèn)后作為各應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)工作的數(shù)據(jù)來(lái)源，在一定的授權(quán)下也可作為公共的信息資源供其他應(yīng)用系統(tǒng)使用。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接通過(guò)軟件平臺(tái)存入指定服務(wù)器。運(yùn)用軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)管理功能，用戶可以對(duì)工程信息、儀器信息和儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作。軟件平臺(tái)具有開放式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用高度結(jié)構(gòu)化的信息存儲(chǔ)方法，保護(hù)存儲(chǔ)信息的高度一致性和完整性，滿足信息檢索、分析等要求，便于用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理、維護(hù)。

4.4? 綜合分析

水利工程安全狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)本質(zhì)上是一個(gè)多層次、多指標(biāo)的復(fù)雜分析評(píng)價(jià)問(wèn)題，綜合分析是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析、評(píng)價(jià)及預(yù)警[9]。除了人工分析和評(píng)價(jià)，運(yùn)用軟件平臺(tái)也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和資料分析功能。數(shù)據(jù)管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理，包括增、刪、改、查、成果值轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)操作以及誤差處理、過(guò)程線顯示、數(shù)據(jù)整編成冊(cè)、過(guò)程線整編成冊(cè)等功能；資料分析則主要實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)資料的初步分析，包括相關(guān)性分析、分布圖分析、統(tǒng)計(jì)模型分析、監(jiān)控指標(biāo)分析以及應(yīng)變計(jì)組分析計(jì)算等功能。

5 結(jié)論及建議

工程安全監(jiān)測(cè)作為工程安全運(yùn)行的“耳目”，對(duì)工程運(yùn)行管理起到重要作用。鄂北水資源配置工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和儀器設(shè)施布置滿足工程各建筑物運(yùn)行性態(tài)分析評(píng)價(jià)的需要，施工期和通水初期的安全監(jiān)測(cè)成果表明，各建筑物運(yùn)行性態(tài)基本正常。少量建筑物在通水期間發(fā)現(xiàn)異常，但經(jīng)過(guò)處理和分析后不影響工程正常運(yùn)行。

提出的三級(jí)構(gòu)架的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，滿足鄂北水資源配置工程監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際需求，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

后期工程的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)可在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的基礎(chǔ)上，借助視頻監(jiān)控、無(wú)人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)等新技術(shù)感知工程全線，通過(guò)光纖、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等手段構(gòu)建各子系統(tǒng)間、現(xiàn)地與各建管間廣覆蓋、大容量、全天候的全面物聯(lián)。

綜上，將安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)納入工程自動(dòng)化調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)感知設(shè)備的統(tǒng)一接入、集中管理、遠(yuǎn)程調(diào)控和數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而為運(yùn)行管理平臺(tái)提供監(jiān)控預(yù)警模型、BIM+GIS模型以及專業(yè)數(shù)據(jù)分析和決策支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李文峰，姚曉敏，孫國(guó)榮. 鄂北地區(qū)水資源配置工程設(shè)計(jì)綜述[J]. 水利水電技術(shù)，2016，47（7）：9-13.

[2] 沈松勇，李喆，季慶輝，等. 鄂北地區(qū)水資源配置工程建管信息系統(tǒng)研發(fā)[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2016，33（11）：68-72，7.

[3] 杜澤快，胡長(zhǎng)華. 滇中引水工程輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則研究[J]. 人民長(zhǎng)江，2019，50（10）：157-161，170.

[4] 魏治文. 鄂北地區(qū)水資源配置工程PCCP管道安全監(jiān)測(cè)[J]. 人民長(zhǎng)江，2018，49（增刊1）：106-109.

[5] 陳長(zhǎng)江，劉心愿，陳棟，等. 鄂北地區(qū)水資源配置工程夾河套段倒虹吸防護(hù)研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2018，35（7）：57-62.

[6] 張穎軍.長(zhǎng)距離輸調(diào)水工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)問(wèn)題探討[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2009，（6）：64-66.

[7] 夏玉龍，何永煜，陶鋒. 鄂北地區(qū)水資源配置工程通信專網(wǎng)建設(shè)實(shí)踐[J]. 水利水電快報(bào)，2020，41（10）：74-79.

[8] 王珍萍，劉楓，馬洪亮. 南水北調(diào)中線干線工程中的安全監(jiān)測(cè)[J]. 人民長(zhǎng)江，2015，46（23）：91-94.

[9] 黃躍文，牛廣利，李端有，等. 大壩安全監(jiān)測(cè)智能感知與智慧管理技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2021，38（10）：180-185，189.

Design of Safety Monitoring Automation System for Water Resources Allocation Project in Northern Hubei Province

Yan Jin1，Quan Lunian2，Dong Ping1

（1.Hubei Institute of Water Resources Survey and Design，Wuhan 430070，China；2. China Three Gorges Construction Engineering Corporation，Chengdu 610041，China）

Abstract：The water resources allocation project in northern Hubei Province is featured with long water conveyance line，diverse types and numerous buildings. The design scheme of the project’s safety monitoring is expounded，and the safety status of each building is evaluated through monitoring data and manual inspection during the trial water supply and initial water supply of the project. In accordance with the requirements of remote monitoring and online management of the project，a three-level framework of safety monitoring automation design is proposed. The framework further ensures the timeliness of data collection and enhances the reliability of monitoring results，and also lays foundation for the application of digital twin projects.

Key words：water resources allocation；safety monitoring；remote control；automation system；northern Hubei Province