土石坝自动化监测系统安全评价研究
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摘要
土石坝自动化监测系统的建设是一项复杂的系统工程，它不仅要实现对现场采集单元的控制和数据远传功能，而且涉及了大量基于水工专业知识和统计理论知识的数据监控和报警问题。本文在阐明国内外发展现状的基础上，结合山西省文峪河水库的自动化监测系统建设，以土石坝渗流监测为切入点，从安全评价的角度对工程实施过程中的设备选型、系统集成、报警体系以及软件编制等多个环节进行了系统研究。
在硬件选型和系统集成的基础上，建立了一整套包括故障诊断、粗差剔除、异常判别以及测值准确性检验在内的运行状态评估体系；通过对土石坝安全状况和统计模型监控指标确定方法的论述，建立了适应工程实际的多级报警机制，为自动化系统“海量数据”的分析处理以及潜在危险的及时发现提供了便利条件。
参照国内相关文献的研究成果，本文完成了基于影响因素分析的统计预测模型的因子选择工作。土石坝渗流研究的复杂性和艰巨性使得新的建模思想的引入成为必然，采用数值计算软件MATLAB开发的人工神经网络B-P模型，较之逐步回归模
太原理工大学硕士研究生学位论文
型，渗压预测结果整体占优，显示了其在知识背景复杂而且不
确定情况下开展预测工作的独特优越性。以位势理论、化引流
量、防渗系数和渗流热监测为代表的一系列分析模型的引入，
极大地丰富了传统的土石坝监测资料整编分析方法。
根据专家系统理论开展成因分析研究是本文的一大特色:
以“系统图表资源充分利用”为目的的人机界面设置，基于“二
分树”方法的专家知识的数据库存储，使得多个测点之间的关
联性分析成为可能，为土石坝的日常管理工作提供了一种崭新
的资料分析模式。
在计算机技术日新月异，学科交叉日趋深入的今天，传统
的安全监测工作正被赋予更多新的内容。针对整个监测系统的
安全评价研究的初步完成，为文峪河水库土石坝自动化监测系
统的建设提供了强有力的技术支持。
随着人们对土石坝工程特殊性和自动化系统复杂性认识
的逐步深入，围绕设备安全性、数据准确性、报警及时性、模
型可靠性等多个层面的安全评价研究将持续进行，这有助于形
成一套完整的系统实施方案，对于全国范围内如火如茶的水利
工程信息化建设具有重要的现实意义。
The construction of earth-rockfill dam automatic monitoring system is a complex systems engineering which not only should control MCU, realize the function of data distance transmission, but also includes the monitoring and alarm problems based on water conservancy knowledge and statistic theory. On the basis of clarifying the current situation of dam safety monitoring in the world, combined with the automatic monitoring system's construction for Wen Yuhe reservoir, the equipment selection, system integration, alarm system, software exploration etc. are systematically researched in this paper, with the cut-in point seepage monitoring, the visual angle safety evaluation.
Based on the equipment selection and system integration, the paper sets up a complete set of evaluation system for running state, failure diagnosis, wide error elimination, abnormity inspection and nicety test of value involved. After discussing the safety status of Wen Yuhe reservoir and the monitoring target's solution of statistical model, the paper establishes a multilevel alarm system, which is suitable for the project, advantageous for the magnitude data analysis and latency danger detection in time.
Consulting the research fruit of some literature in our country, the genes selection work based on influence factors of statistical forecasting model is
finished. It is necessary to take new modeling idea into the seepage study of earth-rockfill dam, which is complex and difficult. The seepage forecasting results of artificial neutral network B-P model developed by the number calculation software MATLAB, are better than that of stepwise regression model, which showed the superiority of B-P model when the condition is complex and not clarified. The traditional analysis methods of monitoring data are enriched by a series of models, in which the potential theory, flux of unit, coefficient of seepage defended and temperature monitoring are delegates.
The cause analysis of formation based on expert system theory is the paper's characteristic: the human-machine interface making the best of the system chart resource and the database memory based on binary tree method, make the relation analysis among distinct point possibly. And it also provides a new data analysis model for the reservoir administration.
Today, with the changing quickly computer technology and in-depth subjects chiasma, the traditional safety monitoring work is being endowed with much more new content. The principium safety evaluation work offers technology supports strongly for the construction of automatic monitoring system in Wen Yuhe reservoir.
With the step up knowledge about earth-rockfill dam's particularity and automatic system's complexity, encircling equipment security, data veracity, alarm in time, model reliability, conclusion rationality etc, the deeply persistive research will help a complete actualizing scheme come in to being, and possess important realistic meaning for the abroad communication construction of water conservancy all over the country.
在硬件选型和系统集成的基础上，建立了一整套包括故障诊断、粗差剔除、异常判别以及测值准确性检验在内的运行状态评估体系；通过对土石坝安全状况和统计模型监控指标确定方法的论述，建立了适应工程实际的多级报警机制，为自动化系统“海量数据”的分析处理以及潜在危险的及时发现提供了便利条件。
参照国内相关文献的研究成果，本文完成了基于影响因素分析的统计预测模型的因子选择工作。土石坝渗流研究的复杂性和艰巨性使得新的建模思想的引入成为必然，采用数值计算软件MATLAB开发的人工神经网络B-P模型，较之逐步回归模
太原理工大学硕士研究生学位论文
型，渗压预测结果整体占优，显示了其在知识背景复杂而且不
确定情况下开展预测工作的独特优越性。以位势理论、化引流
量、防渗系数和渗流热监测为代表的一系列分析模型的引入，
极大地丰富了传统的土石坝监测资料整编分析方法。
根据专家系统理论开展成因分析研究是本文的一大特色:
以“系统图表资源充分利用”为目的的人机界面设置，基于“二
分树”方法的专家知识的数据库存储，使得多个测点之间的关
联性分析成为可能，为土石坝的日常管理工作提供了一种崭新
的资料分析模式。
在计算机技术日新月异，学科交叉日趋深入的今天，传统
的安全监测工作正被赋予更多新的内容。针对整个监测系统的
安全评价研究的初步完成，为文峪河水库土石坝自动化监测系
统的建设提供了强有力的技术支持。
随着人们对土石坝工程特殊性和自动化系统复杂性认识
的逐步深入，围绕设备安全性、数据准确性、报警及时性、模
型可靠性等多个层面的安全评价研究将持续进行，这有助于形
成一套完整的系统实施方案，对于全国范围内如火如茶的水利
工程信息化建设具有重要的现实意义。
The construction of earth-rockfill dam automatic monitoring system is a complex systems engineering which not only should control MCU, realize the function of data distance transmission, but also includes the monitoring and alarm problems based on water conservancy knowledge and statistic theory. On the basis of clarifying the current situation of dam safety monitoring in the world, combined with the automatic monitoring system's construction for Wen Yuhe reservoir, the equipment selection, system integration, alarm system, software exploration etc. are systematically researched in this paper, with the cut-in point seepage monitoring, the visual angle safety evaluation.
Based on the equipment selection and system integration, the paper sets up a complete set of evaluation system for running state, failure diagnosis, wide error elimination, abnormity inspection and nicety test of value involved. After discussing the safety status of Wen Yuhe reservoir and the monitoring target's solution of statistical model, the paper establishes a multilevel alarm system, which is suitable for the project, advantageous for the magnitude data analysis and latency danger detection in time.
Consulting the research fruit of some literature in our country, the genes selection work based on influence factors of statistical forecasting model is
finished. It is necessary to take new modeling idea into the seepage study of earth-rockfill dam, which is complex and difficult. The seepage forecasting results of artificial neutral network B-P model developed by the number calculation software MATLAB, are better than that of stepwise regression model, which showed the superiority of B-P model when the condition is complex and not clarified. The traditional analysis methods of monitoring data are enriched by a series of models, in which the potential theory, flux of unit, coefficient of seepage defended and temperature monitoring are delegates.
The cause analysis of formation based on expert system theory is the paper's characteristic: the human-machine interface making the best of the system chart resource and the database memory based on binary tree method, make the relation analysis among distinct point possibly. And it also provides a new data analysis model for the reservoir administration.
Today, with the changing quickly computer technology and in-depth subjects chiasma, the traditional safety monitoring work is being endowed with much more new content. The principium safety evaluation work offers technology supports strongly for the construction of automatic monitoring system in Wen Yuhe reservoir.
With the step up knowledge about earth-rockfill dam's particularity and automatic system's complexity, encircling equipment security, data veracity, alarm in time, model reliability, conclusion rationality etc, the deeply persistive research will help a complete actualizing scheme come in to being, and possess important realistic meaning for the abroad communication construction of water conservancy all over the country.
引文
[1]吴中如等，“4S”集成技术在大坝安全中的应用，水电能源科学，2001(9)，16～17
[2]郦能惠，土石坝安全监测分析评价预报系统，北京：中国水利水电出版社，2003．1，2～3
[3]杨正华，施伯兴，土石坝安全监测，水利部大坝安全管理中心
[4]顾冲时，吴中如，大坝安全监测专家系统的结构及知识工程，水利技术监督，1998，Vol．6(1)，36～40
[5]魏德荣，大坝安全监测设计现状及思考，大坝观测与土工测试，1999．8，Vol．23(4)，25～28
[6]吕刚，大坝安全监测技术及自动化监测仪器系统的发展，大坝观测与土工测试，2001，Vol．25(5)，1～5
[7]魏德荣，“九五”期间水电站大坝安全监测的进展及发展前景，大坝观测与土工测试，2000，Vol．25(1)，1～3
[8]陈阳宇，王现方，数字水利与中国水利现代化，人民珠江，2002(1)，51～54
[9]汪恕诚，资源水利的理论内涵和实践基础，中国水利，2000(3)，1～4
[10]张建云，水利信息化的发展思路和建设任务，中国水利，2000(9)，10～13
[11]吴中如，高新测控技术在水利水电工程中的应用，水利水运工程学报，2001(3)，13～21
[12]国家计划委员会，建设项目经济评价方法与参数，北京：中国计划出版社，1987．10，49～56
[13]水利部山西水利水电勘测设计研究院，文峪河水库安全鉴定报告，2000．6
[14]吴中如等，水工建筑物安全监控理论及其应用，南京：河海大学出版社，1990．8，
4～5
[15]苏怀智，吴中如等，基于模糊神经网络和遗传算法的大坝安全监控模型，大坝观测与土工测试，2001，Vol．25(1)，10～12
[16]中国水力发电工程(运行管理卷)，北京：中国电力出版社，2000．8
[17]顾冲时，吴中如，大坝安全监测专家系统的理论及其应用，水利水电科技进展，1997，Vol．17(3)，35～38
[18]Xie xiaobuia, The Dam Safety Surveillance and Monitoring Techniques at Chinese Dams, International Water Power & Dam Construction, May 1999, 38～39
[19]水利部水管司，水库大坝安全鉴定办法(水管[1995]86号)，1995
[20]文峪河水库管理站，文峪河水库基本资料，1998．11
[21]席秋义，册田大坝安全监测系统软件的研究与开发，[学位论文]，太原，太原理工大学图书馆，2002
[22]水利部大坝安全管理中心，土石坝安全监测资料整编规程SL169-96，北京：中国水利水电出版社，1997．1．1
[23]方卫华，大坝安全监测自动化的仪器选型，红水河，2000，Vol．20(1)，54～57
[24]太原理工天成科技股份有限公司，自动化监测系统培训资料，2003．9，11～17
[25]Barrie Sillers, Vibrating Wire Sensors, International Water Power & Dam Construction, April 2001, 33～35
[26]新概念电脑教程编委会，Delphi程序设计，北京：电子工业出版社，2001．1
[27]罗云模，王珊等，SQL Server数据库系统基础，北京：高等教育出版社，2002．8
[28]太原理工天成科技股份有限公司，数据管理软件详细设计说明书，2003．7，1～14
[29]太原理工天成科技股份有限公司，数据采集软件详细设计说明书，2003．7，1～10
[30]Carrieann Davies, Dam Insurance, International Water Power & Dam
Construction, September 2001, 30～31
[31]Gong Zhenghua, Chinese Dam Safety: Philosophy and Practice, International Water Power & Dam Construction, December 1999, 14～17
[32]李振宁，朱红，新型大坝安全自动化监测系统数据采集软件，大坝观测与土工测试，1999，Vol．23(4)，37～39
[33]范建成，邢小宁，大坝安全监测主从分布式数据采集系统，水利水运科学研究，1996(4)，354～358
[34]朱承荫，DSMS-80Ⅱ型大坝安全监测数据采集系统，水利水运科学研究，2000(4)，73～75
[35]王润英，方卫华，大坝安全监测自动化系统的干扰与抗干扰，大坝观测与土工测试，2000，Vol．24(6)，26～29
[36]方卫华，大坝安全监测自动化系统的运行管理，人民珠江，2001(2)，40～44
[37]蒋小刚，辛松林，振弦式仪器及其长期稳定性，大坝观测与土工测试，1994，Vol．18(1)，20～25
[38]岳建平，在线监测数据的可靠性检验方法研究，大坝观测与土工测试，1997，Vol．21(2)，13～15
[39]华锡生，岳建平，数据诊断方法在建立大坝监控模型中的作用，水力发电学报，1997(1)，18～24
[40]吕世德等，大坝观测资料异常值的处理方法探讨，大坝观测与土工测试，1998，Vol．22(6)，18～25
[41]贾沛璋，误差分析与数据处理，北京：国防工业出版社，1992．6，132～134
[42]太原理工大学数力系，数理统计讲义，2001．9，134～140
[43]碧口水电厂，碧口水电站大坝监测自动化系统运行报告，1997．10
[44]林大洲，刘志炜，大坝监测数据的现代化管理，西北水电，1999(4)，31～35
[45]刘浩吾，论大坝安全监控指标的制定，人民长江，1999，Vol．30(7)，35～37
[46]庄万康等，衡量回归方程合理性可信性的有关准则，大坝观测与土工测试，2000，Vol．24(5)，17～19
[47]李珍照，建立观测数据最优统计方程的方法和程序，水力发电，1983(2)，40～45
[48]焦李成，神经网络计算，西安：西安电子科技大学出版社，1996，35～88
[49]从爽，面向MATLAB工具箱的神经网络理论与应用，合肥：中国科学技术大学出版社，1998，227～240
[50]沈细中，崔远来等，基于人工神经网络的节水效益预测，水利水电快报，2001，Vol．22(7)，5～8
[51 薛建军，姚桂基，人工神经网络在水质评价中的应用，水文，1997(3)，37～39
[52]Bonaldi, P.et al, Displacement Forecasting for Concrete Dams, Via Deterministic Models, Int. water Power & Dam Construction, Vol.29, No.9, 1977
[53]周云娟，施伯兴，渗压观测资料可靠性的计算机处理方法，南京：水利部大坝安全监测中心技术部，1994．2，1～5
[54]山西省水利厅水利管理处，大坝安全监测培训班讲义，2002．12，91～93
[55]水利部大坝安全管理中心，(SL258-2000)培训班讲义，2001．8，525～526
[56]刘智敏，刘文介，大坝变形监测自动化技术的最新发展，桂林工学院学报，2000，Vol．20(1)，24～26
[57]Robert B Jansen, A Critique of Embankment Dam Analysis, International Water Power & Dam Construction, September 2001, 32～33
[58]水利部大坝安全管理中心，水库大坝安全评价导则，北京：中国水利水电出版社，2001
[59]石纯一，黄昌宁等，人工智能原理，北京：清华大学出版社，1999．7，145～169
[60]姚重华，环境工程仿真与控制，北京：高等教育出版社，2000．1，141～155
[61] Eliane Alves Portela, Joao Bento, Dam Expert System, International Water Power & Dam Construction, April 2001, 26～31
[62] 徐孝凯，数据结构实用教程，北京：清华大学出版社，2001．4，160～251
[63] 解建仓，田峰巍等，水资源调度管理决策支持系统的理论与实践，陕西科学技术出版社，1997．11
[64] Heyes-Rothetal F. Building Expert Systems, New York: Addison-Wesley, 1983
[65] 顾慰慈，渗流计算原理及应用，北京：中国建材工业出版社，2000．6
[66] 张乾飞，顾冲时，吴中如，基于滞后效应的土石坝渗流监控模型，水利学报，2001(2)，85～89
[67] 方卫华，新老大坝安全监测自动化的异同，水利科技，2001(1)，14～16
[68] Li Nenghui, Li Zechong etc. New Advances on Monitoring Safety of Concrete Faced Rockfill Dam in China. In: Proc. of International Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams. Beijing: International Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams. 2000. 438～447
[69] Li Nenghui, Sun Rujian etc. Automated Prototype Observation for Kezier Dam Built on Active Faults, in: Proc. of Twentieth International Congress on Large Dams, Paris, France:International Commission on Large Dams. 2000. 105～120
[2]郦能惠，土石坝安全监测分析评价预报系统，北京：中国水利水电出版社，2003．1，2～3
[3]杨正华，施伯兴，土石坝安全监测，水利部大坝安全管理中心
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[17]顾冲时，吴中如，大坝安全监测专家系统的理论及其应用，水利水电科技进展，1997，Vol．17(3)，35～38
[18]Xie xiaobuia, The Dam Safety Surveillance and Monitoring Techniques at Chinese Dams, International Water Power & Dam Construction, May 1999, 38～39
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[21]席秋义，册田大坝安全监测系统软件的研究与开发，[学位论文]，太原，太原理工大学图书馆，2002
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[36]方卫华，大坝安全监测自动化系统的运行管理，人民珠江，2001(2)，40～44
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[62] 徐孝凯，数据结构实用教程，北京：清华大学出版社，2001．4，160～251
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[65] 顾慰慈，渗流计算原理及应用，北京：中国建材工业出版社，2000．6
[66] 张乾飞，顾冲时，吴中如，基于滞后效应的土石坝渗流监控模型，水利学报，2001(2)，85～89
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[68] Li Nenghui, Li Zechong etc. New Advances on Monitoring Safety of Concrete Faced Rockfill Dam in China. In: Proc. of International Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams. Beijing: International Symposium on Concrete Faced Rockfill Dams. 2000. 438～447
[69] Li Nenghui, Sun Rujian etc. Automated Prototype Observation for Kezier Dam Built on Active Faults, in: Proc. of Twentieth International Congress on Large Dams, Paris, France:International Commission on Large Dams. 2000. 105～120
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