應(yīng)用于水利水電工程監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的高新測(cè)控技術(shù)的要素與功能介紹

我國(guó)已建堤壩約8.3萬(wàn)多座，壩高15ｍ以上的約1.86萬(wàn)座；堤防長(zhǎng)約25萬(wàn)多ｋｍ，其中，大江大河上的重要堤防6.57萬(wàn)ｋｍ。這些水利水電工程在防洪、發(fā)電、灌溉、供水和航運(yùn)等方面，發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。然而，由于工作和運(yùn)行條件極其復(fù)雜，并隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，堤壩的病害和老化日趨嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[1],在3100座大、中型水庫(kù)大壩中，病險(xiǎn)大壩有1248座；8萬(wàn)多座小型水庫(kù)中，病險(xiǎn)壩約占36%,堤防的安全狀況也相當(dāng)嚴(yán)峻。隨著西部大開(kāi)發(fā)和西電東送戰(zhàn)略目標(biāo)的逐步實(shí)施，高壩大庫(kù)也越來(lái)越多，工程的安全重要性顯得越來(lái)越突出。并且，大中型水利水電工程規(guī)模大、投資多，造價(jià)高，少則幾億、幾十億元，多則幾百億元，甚至上千億元。

國(guó)內(nèi)外大量工程實(shí)踐表明，對(duì)水利水電工程進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，是保證工程安全運(yùn)行的重要措施之一。同時(shí)，將監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的資料及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理部門，又可為提高水利水電工程的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理水平提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1高新測(cè)控技術(shù)的基本要素及其功能

現(xiàn)代化的測(cè)控技術(shù),應(yīng)該具有采集數(shù)據(jù)、科學(xué)管理數(shù)據(jù)，及時(shí)或?qū)崟r(shí)對(duì)水利水電工程的安全狀況作出分析和評(píng)價(jià)，并對(duì)其異?；螂U(xiǎn)情作出輔助決策等功能。因此，高新測(cè)控技術(shù)的基本要素包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)及其計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)支撐等（見(jiàn)圖1）。

1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集通常有兩種解釋：一種是指盤點(diǎn)機(jī)、掌上電腦等終端電腦設(shè)備；另外一種是指網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集用的軟件 。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括了：可視化的報(bào)表定義、審核關(guān)系的定義、報(bào)表的審批和發(fā)布、數(shù)據(jù)填報(bào)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)評(píng)審、綜合查詢統(tǒng)計(jì)等功能模塊。通過(guò)信息采集網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化，擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍，提高審核工作的全面性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性；最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)工作管理現(xiàn)代化、程序規(guī)范化、決策科學(xué)化，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化。

通過(guò)測(cè)控單元（ＭＣＵ）自動(dòng)采集、筆記本電腦現(xiàn)場(chǎng)采集或人工觀測(cè)埋入壩體或安裝的傳感器采集的監(jiān)測(cè)效應(yīng)量（大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等）和影響量（水位、氣溫、降雨和地震等），并輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，半自動(dòng)化和人工采集為定期采集。因此，自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)一般是對(duì)水利水電工程關(guān)鍵部位（或壩段）主要監(jiān)測(cè)量（變形和滲流等）的采集。

MCU（Micro Control Unit）中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。MCU按其存儲(chǔ)器類型可分為無(wú)片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對(duì)于無(wú)片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)FLASH型（典型芯片為89C51）等類型，一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程ROM的芯片。MASKROM的MCU價(jià)格便宜，但程序在出廠時(shí)已經(jīng)固化，適合程序固定不變的應(yīng)用場(chǎng)合；FALSHROM的MCU程序可以反復(fù)擦寫(xiě)，靈活性很強(qiáng)，但價(jià)格較高，適合對(duì)價(jià)格不敏感的應(yīng)用場(chǎng)合或做開(kāi)發(fā)用途；OTPROM的MCU價(jià)格介于前兩者之間，同時(shí)又擁有一次性可編程能力，適合既要求一定靈活性，又要求低成本的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。

1.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)后，由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行科學(xué)有序的管理。包括將電容、電感、電阻、電壓、頻率等轉(zhuǎn)換為位移、揚(yáng)壓力、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫開(kāi)合度以及溫度等，及它們的誤差識(shí)別和處理，并將監(jiān)測(cè)量按有關(guān)監(jiān)測(cè)規(guī)范進(jìn)行整編和初分析；編制月報(bào)和年報(bào)等。

揚(yáng)壓力 uplift pressure ：建筑學(xué)術(shù)語(yǔ)，指建筑物及其地基內(nèi)的滲水，對(duì)某一水平計(jì)算截面的浮托力與滲透壓力之和。危害：揚(yáng)壓力是一個(gè)鉛直向上的力，它減小了重力壩作用在地基上的有效壓力，從而降低了壩底的抗滑力。同時(shí)，壩體內(nèi)也產(chǎn)生揚(yáng)壓力，從而影響了壩體內(nèi)的應(yīng)力分布。減小揚(yáng)壓力的措施：為了減小壩底揚(yáng)壓力，提高壩的穩(wěn)定性，通常采用壩基防滲帷幕以減少滲透途徑，消耗壩底的滲透水頭，并在防滲帷幕后設(shè)排水孔幕，以釋放剩余水頭。為了減小壩體內(nèi)的揚(yáng)壓力，通常將壩體上游壩面3～5m范圍內(nèi)的材料的防滲性能提高，以形成防滲層，在防滲層后面再設(shè)置排水管。

1.3分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行觀測(cè)資料的分析和反分析，結(jié)構(gòu)和滲流正、反分析，建立各類監(jiān)控模型和擬定監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)等；將收集到的工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理、有關(guān)法規(guī)和規(guī)范等方面的專家知識(shí)進(jìn)行編輯，構(gòu)成分析、評(píng)價(jià)、輔助決策等方面的知識(shí)庫(kù)和推理分析知識(shí)。

現(xiàn)簡(jiǎn)述幾種傳感器的主要工作原理及其應(yīng)用情況

（1）差動(dòng)電阻式傳感器:差動(dòng)電阻式傳感器是美國(guó)加州加利福利嚴(yán)大學(xué)的卡爾遜教授在1932年研制成功的。因此，又習(xí)慣被稱為卡爾遜式儀器。這種儀器利用張緊在儀器內(nèi)部的彈性鋼絲作為傳感器元件將儀器受到的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬量，所以國(guó)外也稱這種傳感器為彈性鋼絲式（Elastic Wire）儀器。在儀器內(nèi)部采用兩根特殊固定方式的鋼絲，鋼絲經(jīng)過(guò)預(yù)拉，張緊支桿上，如圖1所示。當(dāng)儀器受到外界的拉壓變形時(shí)，一根鋼絲受拉，其電阻增加。另一根鋼絲受壓，其電阻減少。測(cè)量?jī)筛摻z電阻的比值，就可以求得儀器的變形量。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使兩根鋼絲的電阻在受變形時(shí)差動(dòng)變化，目的是提高儀器對(duì)變形的靈敏度，并且使變形引起的電阻變化不影響溫度的測(cè)量。

我國(guó)南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，已研制出幾十萬(wàn)支差動(dòng)電阻式傳感器，并應(yīng)用于大量的水利水電工程中，取得了成功經(jīng)驗(yàn)。

（2）振弦式傳感器:由前蘇聯(lián)的達(dá)維金可夫發(fā)明。以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長(zhǎng)度確定之后，其固有振動(dòng)頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號(hào)。振弦的固有振動(dòng)頻率f與拉力T的關(guān)系為，式中l(wèi)為振弦的長(zhǎng)度，ρ為單位弦長(zhǎng)的質(zhì)量。振弦的材料與質(zhì)量直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性。鎢絲的性能穩(wěn)定、硬度、熔點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度都很高，是常用的振弦材料。此外，還可用提琴弦、高強(qiáng)度鋼絲、鈦絲等作為振弦材料。振弦式傳感器由振弦、磁鐵、夾緊裝置和受力機(jī)構(gòu)組成。振弦一端固定、一端連接在受力機(jī)構(gòu)上。利用不同的受力機(jī)構(gòu)可做成測(cè)壓力、扭矩或加速度等的各種振弦式傳感器。

加拿大的Rocktest公司，美國(guó)的Sinco,Geokon公司等生產(chǎn)的振弦式傳感器性能良好，其中真空式為最佳。近幾十年來(lái)，我國(guó)較多的工程應(yīng)用了這種傳感器。

（3）差動(dòng)電容式傳感器:由我國(guó)南京電力自動(dòng)化研究院研制。其工作原理是，將垂線或引張線穿過(guò)由4塊組成矩形的電容極板中，當(dāng)測(cè)線發(fā)生位移時(shí)，電容極板的電容產(chǎn)生變化，從而測(cè)出位移量。差動(dòng)電容傳感器：對(duì)于環(huán)境干擾，靜電引力有一定的補(bǔ)償作用，還能改善特性曲線的線性度。

該傳感器經(jīng)過(guò)20多年的完善，其精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等均有較大提高，已在不少水利水電工程中應(yīng)用。

（4）差動(dòng)電感式傳感器:首先由原法國(guó)的Telemac公司研制。其工作原理是，當(dāng)高頻交變電流通過(guò)垂線坐標(biāo)儀時(shí)，在周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，接收點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)線距離成反比；當(dāng)垂線產(chǎn)生位移時(shí)，接收點(diǎn)測(cè)得的感應(yīng)電勢(shì)發(fā)生變化，其變化量的大小反映位移量的大小。差動(dòng)電感傳感器：對(duì)于環(huán)境干擾，電磁吸引力有一定的補(bǔ)償作用，還能改善特性曲線的線性度。

該傳感器在我國(guó)龍羊峽等水利水電工程中得到成功應(yīng)用。我國(guó)有關(guān)廠家也仿制了這類傳感器。

（5）步進(jìn)馬達(dá)式傳感器:由原法國(guó)Telemac和意大利ＩＳＭＳ公司研制。其工作原理是，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光電探頭，探頭中的光照準(zhǔn)器先后對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)桿和垂線鋼絲，然后返回原點(diǎn)，在此過(guò)程中，測(cè)量電路記錄探頭前進(jìn)及返回基準(zhǔn)點(diǎn)和垂線鋼絲的脈沖數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到位移量。

該傳感器的機(jī)械部件較多，易出現(xiàn)故障，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性也不易保證。我國(guó)有關(guān)廠家也仿制了這類傳感器，在實(shí)際工程應(yīng)用中的故障率較高。

（6）CCD傳感器:由河海大學(xué)結(jié)合國(guó)家三峽工程重大基金項(xiàng)目研制。荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD傳感器是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件，它能存儲(chǔ)由光產(chǎn)生的信號(hào)電荷。當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便可在CCD內(nèi)作定向傳輸而實(shí)現(xiàn)自掃描。它主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和延時(shí)等功能，而且集成度高、功耗小，已經(jīng)在攝像、信號(hào)處理和存貯3大領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在圖像傳感器應(yīng)用方面取得令 CCD傳感器

人矚目的發(fā)展。CCD有面陣和線陣之分，面陣是把CCD像素排成1個(gè)平面的器件；而線陣是把CCD像素排成1直線的器件。由于在軍事領(lǐng)域主要用的是面陣CCD，因此這里主要介紹面陣CCD。

該傳感器技術(shù)先進(jìn)，精度和可靠性高，在上標(biāo)和響洪甸等水利水電工程中得到應(yīng)用。

（7）其它新穎傳感技術(shù)

①光纖傳感技術(shù) 是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。作為被測(cè)量信號(hào)載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨(dú)特的、其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點(diǎn)。光波不怕電磁干擾，易為各種光探測(cè)器件接收，可方便的進(jìn)行光電或電光轉(zhuǎn)換，易與高度發(fā)展的現(xiàn)代電子裝置和計(jì)算機(jī)相匹配。它能使感受到的各種物理量而計(jì)算出監(jiān)測(cè)量，以及傳送感受的信息通訊。目前，應(yīng)用于光纖傳感的監(jiān)測(cè)量主要是裂縫，應(yīng)力應(yīng)變尚需進(jìn)一步研究。應(yīng)用信息通訊較為廣泛，且安全可靠。

②ＣＴ技術(shù)意稱計(jì)算機(jī)層析成像。它指的是在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、Ｘ線光強(qiáng)）的一維投影數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，重構(gòu)物體特定層面的二維圖像及其由此重構(gòu)的三維圖像；從而定量描述物體內(nèi)部材料分布和缺陷。該技術(shù)將成為工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)部隱患監(jiān)測(cè)和老化評(píng)估的一種重要手段，在國(guó)內(nèi)外得到應(yīng)用，我國(guó)豐滿水電站等工程中也得到成功應(yīng)用。

③滲流熱技術(shù)依據(jù)滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)同時(shí)滿足擴(kuò)散方程及其初始和邊界條件的原理，利用埋設(shè)的溫度計(jì)測(cè)值分析滲流場(chǎng)的分布及其異常部位。

④ＧＰＳ技術(shù)利用衛(wèi)星定位技術(shù)（ＧＰＳ）監(jiān)測(cè)堤壩和巖土邊坡的表面變形。

⑤激光傳感技術(shù)由激光點(diǎn)光源（即發(fā)射點(diǎn)）發(fā)射的激光與激光探測(cè)儀（即接收端點(diǎn)）構(gòu)成激光淮直線，由發(fā)射的激光在波帶板及支架（測(cè)點(diǎn)）上觀測(cè)位移量。它可分大氣激光和真空激光準(zhǔn)直，其中的真空激光準(zhǔn)直除包括激光點(diǎn)光源、波帶板及其支架和激光探測(cè)儀，即發(fā)射點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)和接收端點(diǎn)以外，還有真空管道。

2.1.2數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)采集裝置將各類傳感器測(cè)出的物理量（如電阻、電阻比、電容、電感和頻率等）轉(zhuǎn)化為數(shù)字量（如位移、滲壓、應(yīng)變和溫度等），即Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換，以便遠(yuǎn)程輸送。當(dāng)距離超過(guò)100ｍ以后，傳感器輸出的電量和頻率等信號(hào)，隨距離的增大急劇衰減，以至無(wú)法測(cè)出物理量，但數(shù)字量可遠(yuǎn)距離輸送。因此，一般將幾十個(gè)傳感器按部位接入數(shù)據(jù)采集裝置，使傳感器觀測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。按監(jiān)測(cè)方式不同，數(shù)據(jù)采集裝置可大致分為以下幾種類型。

（1）自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置主要有，美國(guó)Geomation公司的2300系統(tǒng)、Sinco公司的ＩＤＡ系統(tǒng)；我國(guó)***研華公司的ＡＤＡＭ4000和ＡＤＡＭ5000系統(tǒng)；南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠的ＦＷＣ-1系統(tǒng)等。按結(jié)構(gòu)的不同可歸納為總線型和集散型兩大類。

①總線型結(jié)構(gòu)Geomation公司的2370型、ＩＤＡ、ＡＤＡＭ4000、ＡＤＡＭ5000以及ＦＷＣ-1等系統(tǒng)均屬于總線型結(jié)構(gòu)。以ＩＤＡ系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2（ａ），模塊箱的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2（ｂ）。圖中主機(jī)為工控機(jī)，中繼起聯(lián)接和中斷作用。

ＩＤＡ母線有二線信號(hào)、二線電源；Ａ1～Ａｎ是智能測(cè)量模塊，每個(gè)模塊可接8個(gè)傳感器；Ｂ1～Ｂｍ是智能傳感器。Ａ和Ｂ有解釋指令、多路傳輸、Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換和錯(cuò)誤查詢等功能。同時(shí)具有自動(dòng)和人工測(cè)讀的兩種功能，并可防雷。

②集散型結(jié)構(gòu)Geomation公司研制的2350型、2380型等系統(tǒng)屬集散型結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.

從圖3中可見(jiàn)，ＮＭＳ為主機(jī)；ＮＲＵ起中繼和網(wǎng)點(diǎn)（即可轉(zhuǎn)成有線的調(diào)制信號(hào)）的作用；ＭＣＵ（3）是異地單元，也起中繼作用（距離近的可以不用）；ＭＣＵ（4）和ＭＣＵ（5）也是異地單元，但它能起無(wú)線電發(fā)射和接收作用；ＭＣＵ（6）～ＭＣＵ（Ｎ）是監(jiān)測(cè)傳感器。

在這兩種型式中，總線型結(jié)構(gòu)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)機(jī)方便和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。其中Geomation公司的2370型、ＩＤＡ等系統(tǒng)可接入電式和頻率式傳感器。

（2）人工或半自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置人工或半自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)讀傳感器的測(cè)值，或用筆記

本電腦采集。其中，差動(dòng)電阻式采集儀主要有ＳＱ-2型數(shù)字電橋、ＸＪ型數(shù)字式電阻比檢測(cè)儀、ＺＪ型數(shù)字式和ＰＳＭ-Ｒ型電阻比檢測(cè)儀等；鋼弦式采集儀主要有ＳＤＰ-3型鋼弦溫度測(cè)試儀和ＧＰＣ-1型袖珍式鋼弦頻率測(cè)定儀等。

2.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

水利水電工程大壩可埋有幾百個(gè)、幾千個(gè)甚至上萬(wàn)個(gè)傳感器。如長(zhǎng)江三峽水利樞紐建筑物就埋設(shè)約一萬(wàn)多個(gè)傳感器，其采集數(shù)據(jù)每年達(dá)幾百萬(wàn)個(gè)，并隨著觀測(cè)年限的增加，數(shù)據(jù)將越來(lái)越多，對(duì)這些海量數(shù)據(jù)必須進(jìn)行科學(xué)有序地管理，以便為分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)提供可靠的信息。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)管理軟件和應(yīng)用軟件。

2.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件平臺(tái)在大、中型水利水電工程中，目前常用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)有Oracle,Sybase,Informix以及ＳＱＬServer等4大類。其中以O(shè)racle和Sybase數(shù)據(jù)庫(kù)在中國(guó)應(yīng)用最廣。而Sybase為單進(jìn)程、多線索結(jié)構(gòu)，即通過(guò)單進(jìn)程的多重通路來(lái)同時(shí)服務(wù)于多用戶，提高內(nèi)存的有效使用率，便于優(yōu)先程序的查詢。因此，Sybase數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)論在總體結(jié)構(gòu)、功能和特性等方面都有較大優(yōu)勢(shì)。本文作者開(kāi)發(fā)和研制的7個(gè)大型水電工程的數(shù)據(jù)（或信息）管理及專家綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，主要采用了Sybase數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在小型水利水電工程中，

目前常用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)有DBase,Foxbase和Foxpro等。而Foxpro為用戶級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，目前采用較多。

2.2.2數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模型檢測(cè)的目的是分析評(píng)價(jià)工程的安全狀況。因此，根據(jù)分析評(píng)價(jià)的需要，數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯模型包括工程檔案、原始數(shù)據(jù)、整編數(shù)據(jù)和生成數(shù)據(jù)等4個(gè)分庫(kù)（見(jiàn)圖4）。

（1）工程檔案分庫(kù)該分庫(kù)管理工程概況以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工資料等。

（2）原始數(shù)據(jù)分庫(kù)管理監(jiān)測(cè)資料的原始數(shù)據(jù)，包括物理量（電阻、電阻比、電感、電容、頻率等）和監(jiān)測(cè)效應(yīng)量（變形、揚(yáng)壓力、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等），并應(yīng)保證原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

（3）整編數(shù)據(jù)分庫(kù)依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差識(shí)別和轉(zhuǎn)換；按結(jié)構(gòu)單元和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行整編，包括測(cè)值統(tǒng)計(jì)表及其過(guò)程線圖，以及特征值（如最大值、最小值等）和環(huán)境量（如水位、氣溫、降雨、地下水位等）的統(tǒng)計(jì)等；對(duì)測(cè)值進(jìn)行初步分析，初步識(shí)別異常值以及復(fù)測(cè)；編制日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)，其中，日?qǐng)?bào)是刊錄測(cè)頻高（每日一次或數(shù)次）的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

（4）生成數(shù)據(jù)分庫(kù)對(duì)監(jiān)測(cè)資料分析和反分析的成果，結(jié)構(gòu)和滲流分析和反分析的成果，以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的專家知識(shí)等進(jìn)行管理，為工程安全分析評(píng)價(jià)提供定性和定量的依據(jù)。主要包括大壩或各結(jié)構(gòu)單元在各荷載組合工況下的應(yīng)力和位移、壩體溫度場(chǎng)、壩體和壩基滲流場(chǎng)（等勢(shì)線和流線）；位移和揚(yáng)壓力的力學(xué)規(guī)律計(jì)算值；各測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)模型，變形測(cè)點(diǎn)和空間位移場(chǎng)的確定性模型和混合模型；變形、應(yīng)力和揚(yáng)壓力的監(jiān)控指標(biāo)；歷次異常或險(xiǎn)情的分析評(píng)價(jià)成果等。

2.2.3應(yīng)用軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯模型，在數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)和研制數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用軟件，主要包括：

（1）菜單編程:對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的菜單和各個(gè)分庫(kù)的菜單等編制應(yīng)用程序。可以采用下拉式或全屏幕式。

（2）原始數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件:包括與采集系統(tǒng)相聯(lián)的通訊軟件；按結(jié)構(gòu)單元和測(cè)控裝置將傳感器監(jiān)測(cè)的物理量（電阻、電阻比、電感、電容和頻率等）或數(shù)字量（變形、滲壓、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等）編制成圖表的軟件。

（3）整編數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件:包括誤差識(shí)別和處理程序；將物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量（應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，以及測(cè)控裝置沒(méi)有轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的物理量）；按結(jié)構(gòu)單元，將數(shù)字量及其相應(yīng)環(huán)境量編制整編成圖表的軟件；初分析軟件；編制日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)的軟件等。

（4）生成數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件:包括對(duì)監(jiān)測(cè)資料分析和反分析成果、結(jié)構(gòu)和滲流分析和反分析成果，以及有關(guān)專家知識(shí)等，并編制成相應(yīng)圖表的軟件。

2.3分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

對(duì)水利水電工程監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的目的是，依據(jù)監(jiān)測(cè)資料和相應(yīng)的專家知識(shí)，對(duì)工程的安全狀況作出綜合分析和評(píng)價(jià)。因此，完整的現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)必須包括分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)。其功能是依據(jù)監(jiān)測(cè)資料、結(jié)構(gòu)、滲流等分析和反分析成果，以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理、法規(guī)和規(guī)劃等專家知識(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從中尋找異常值或不安全因素，并對(duì)此進(jìn)行成因分析和輔助決策等。因此，分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)包括資料評(píng)價(jià)、綜合檢查分析、觀測(cè)檢查、物理成因分析、專家綜合診斷和輔助決策等部分，其結(jié)構(gòu)和流程分別見(jiàn)圖5和圖6.

2.3.1資料評(píng)價(jià)應(yīng)用時(shí)空分布、力學(xué)規(guī)律、監(jiān)控模型、監(jiān)控指標(biāo)、日常巡查和關(guān)鍵問(wèn)題等6類評(píng)判準(zhǔn)則，對(duì)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析評(píng)判，從中識(shí)別異常值或不安全因素。

2.3.2檢查分析對(duì)異常值或不安全因素，通過(guò)同一部位的同類監(jiān)測(cè)量、相關(guān)監(jiān)測(cè)量和環(huán)境量的綜合分析（或相關(guān)分析）檢查，從中識(shí)別引起異常值或不安全因素的成因。如由觀測(cè)引起的，則進(jìn)入觀測(cè)檢查；是由結(jié)構(gòu)和荷載引起的，則進(jìn)入物理成因分析。

2.3.3觀測(cè)檢查對(duì)由觀測(cè)引起的異常測(cè)值，首先檢查觀測(cè)記錄，然后檢查采集系統(tǒng)。對(duì)觀測(cè)記錄錯(cuò)誤的測(cè)值宜進(jìn)行刪除或修改；對(duì)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)引起的異常測(cè)值，在排除故障后重測(cè)并進(jìn)行修正。

2.3.4物理成因分析對(duì)由結(jié)構(gòu)和荷載引起的異常值或不安全因素，首先檢查環(huán)境量（或外因）有無(wú)產(chǎn)生特殊荷載工況。若有，則分析壩基異常（包括變形、穩(wěn)定和應(yīng)力等）成因，然后分析建筑物異常（變形、應(yīng)力、裂縫等）成因，當(dāng)穩(wěn)定和強(qiáng)度滿足安全要求時(shí)，則“異?！被颉安话踩蛩亍笔怯珊奢d引起的，為結(jié)構(gòu)調(diào)整所致，所以屬基本正常。若無(wú)特殊荷載工況，則反分析壩基和壩體的計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)等；然后，正演分析監(jiān)測(cè)量，若與實(shí)測(cè)值一致，則為計(jì)算條件改變而引起的；并復(fù)核壩基和壩體的穩(wěn)定和強(qiáng)度，若滿足安全要求，則雖為結(jié)構(gòu)引起，但尚屬基本正常；若穩(wěn)定和強(qiáng)度不滿足安全要求，則為異常或險(xiǎn)情，隨即進(jìn)入輔助決策。若分析不出物理成因，則進(jìn)入專家綜合診斷。

2.3.5專家綜合診斷對(duì)異?；虿话踩蛩氐囊呻y雜癥，即難以分析成因的，進(jìn)行專家綜合診斷，包括對(duì)其影響因素和安全度的專家綜合評(píng)判。

2.3.6輔助決策依據(jù)異?；螂U(xiǎn)情的程度，首先提出報(bào)警級(jí)別，然后提出輔助決策的建議。其中報(bào)警級(jí)別分三級(jí)，一級(jí)為險(xiǎn)情，二級(jí)為異常，三級(jí)為局部異常。輔助決策建議包括運(yùn)行控制水位和補(bǔ)強(qiáng)加固處理措施的建議等。

2.3.7支持庫(kù)群為了給以上分析評(píng)價(jià)提供定量依據(jù)，該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)庫(kù)、方法庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和圖庫(kù)等支持庫(kù)群。

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)（Database）是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)，它產(chǎn)生于距今五十年前，隨著信息技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，特別是二十世紀(jì)九十年代以后，數(shù)據(jù)管理不再僅僅是存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，而轉(zhuǎn)變成用戶所需要的各種數(shù)據(jù)管理的方式。數(shù)據(jù)庫(kù)有很多種類型，從最簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)有各種數(shù)據(jù)的表格到能夠進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)都在各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。主要管理監(jiān)測(cè)資料及其分析和反分析成果，與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行資料等。

（2）方法庫(kù)依據(jù)安全分析評(píng)價(jià)需求，方法庫(kù)主要包括監(jiān)測(cè)資料分析和反分析軟件包，結(jié)構(gòu)和滲流分析軟件包，綜合分析和評(píng)價(jià)程序，以及輔助決策程序等。如本文作者給多座水利水電工程開(kāi)發(fā)的分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，共設(shè)置40個(gè)程序。其中，監(jiān)測(cè)資料分析和反分析軟件包有監(jiān)測(cè)資料預(yù)處理、資料分析和反分析等22個(gè)程序；結(jié)構(gòu)和滲流分析軟件包有規(guī)范法的應(yīng)力和穩(wěn)定分析，有限元靜力、動(dòng)力以及粘彈性和粘彈塑性分析等13個(gè)程序；綜合分析和評(píng)價(jià)包括影響因素和安全度評(píng)價(jià)等2個(gè)程序；輔助決策包括報(bào)警、洪水反調(diào)節(jié)等3個(gè)程序。從而，總體上能滿足安全分析和評(píng)價(jià)的定量分析需要。

（3）知識(shí)庫(kù)包括專家語(yǔ)言的定量化知識(shí)，隱蔽薄弱部位的設(shè)計(jì)和施工的專家知識(shí)，歷次安全定期檢查以及異?；虿话踩蛩氐姆治鲈u(píng)價(jià)成果等。

（4）圖庫(kù)包括圖形庫(kù)和圖像庫(kù)。其中，圖形庫(kù)包括分析和評(píng)價(jià)過(guò)程中的各類圖表；圖像庫(kù)包括分析評(píng)價(jià)結(jié)論的多媒體演示等。

2.3.8分析評(píng)價(jià)的人工智能技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)分析評(píng)價(jià)的人工智能化，分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用正向推理、反向推理、混合推理和元控制等4種技術(shù)。其中，正向推理為已知問(wèn)題的事實(shí)，在知識(shí)集中尋找匹配知識(shí)，反復(fù)循環(huán)直至找到有解結(jié)論；反向推理為已知或假設(shè)結(jié)構(gòu)，從知識(shí)集中尋找匹配的解，反復(fù)循環(huán)，直至找到匹配的解；

混合推理為融合正向和反向推理的原理，有先正向后反向或先反向后正向；元控制是將元知識(shí)（即知識(shí)的知識(shí)）構(gòu)成元知識(shí)庫(kù)，以求解問(wèn)題的目標(biāo)。

2.4計(jì)算機(jī)及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

由于高新測(cè)控技術(shù)是將數(shù)據(jù)采集、信息管理和分析評(píng)價(jià)融匯在一起的龐大系統(tǒng)工程，必須在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下才能實(shí)現(xiàn)。

2.4.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即是指網(wǎng)上計(jì)算機(jī)或設(shè)備與傳輸媒介形成的結(jié)點(diǎn)與線的物理構(gòu)成模式。網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)有兩類：一類是轉(zhuǎn)換和交換信息的轉(zhuǎn)接結(jié)點(diǎn)，包括結(jié)點(diǎn)交換機(jī)、集線器和終端控制器等；另一類是訪問(wèn)結(jié)點(diǎn)，包括計(jì)算機(jī)主機(jī)和終端等。線則代表各種傳輸媒介，包括有形的和無(wú)形的。常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線形、星形和樹(shù)形等（見(jiàn)圖7）。其中，總線形結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點(diǎn)連在通信總線上；星形結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點(diǎn)連接在中心結(jié)點(diǎn)上，由中心結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和交換；樹(shù)形結(jié)構(gòu)為自頂而下的層次化的擴(kuò)展式結(jié)構(gòu)，頂部結(jié)點(diǎn)為根結(jié)點(diǎn)，連接2個(gè)以上結(jié)點(diǎn)的稱為支節(jié)點(diǎn)，以下為端結(jié)點(diǎn)，以根結(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)核心、支結(jié)點(diǎn)為子網(wǎng)絡(luò)中心、端結(jié)點(diǎn)為面向用戶的桌面。

一般大中型水利水電工程結(jié)構(gòu)單元（如壩段）較多、布置的測(cè)點(diǎn)也較多，宜用總線形；對(duì)省局（廳）或大網(wǎng)局，由于所屬水利水電工程較多，分布也廣，而需要由局中心控制時(shí)，宜用星形結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)為一座水利水電工程；對(duì)特大型水利水電工程。如三峽工程，由于分項(xiàng)工程較多，宜用樹(shù)形結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖8）。

2.4.2計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)單個(gè)的水利水電工程一般用局域網(wǎng)，可采用高速光纖、載波或微波等網(wǎng)絡(luò)通訊。對(duì)省網(wǎng)局（廳）或大型水利水電工程需要有外部技術(shù)支持的，一般采用廣域網(wǎng)，亦可采用以太網(wǎng)或Intranet網(wǎng)等。

2.4.3計(jì)算機(jī)工作方式一般采用Ｃ/Ｓ（客戶機(jī)/服務(wù)器）方式。其中，服務(wù)器主要存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)和施工等資料，應(yīng)該有強(qiáng)大的存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的功能；其型號(hào)和數(shù)量視工程規(guī)模、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的多少，由需求分析確定，一般應(yīng)有雙機(jī)或多機(jī)熱備份?？蛻魴C(jī)主要面向用戶的分析評(píng)價(jià)和輔助決策等，可由多臺(tái)并行計(jì)算機(jī)完成。

3結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)代化測(cè)控技術(shù)應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、管理和分析評(píng)價(jià)等功能，以及完成這些功能的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境和通訊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)采集包括傳感器和測(cè)控裝置，完成Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換，以便監(jiān)測(cè)的數(shù)字量能遠(yuǎn)距離輸送。

（3）信息管理系統(tǒng)具有對(duì)監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)采集和管理、整編和處理以及生成等功能，并對(duì)涉及工程安全的設(shè)計(jì)、施工資料進(jìn)行管理，以便為分析評(píng)價(jià)提供科學(xué)的信息。

（4）分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)是對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，從中識(shí)別異常值或不安全因素，并對(duì)其進(jìn)行成因分析和輔助決策。