1.1目的

大坝安全监测自动化系统是利用电子计算机和传感技术以及信息处理技术，实现大坝观测数据自动采集处理和分析计算，对大坝性态正常与否作出初步判断和分级报警的观测系统。大坝安全监测自动化系统投入使用始于20世纪90年代，随着科学技术的飞速发展和投入力度的不断加大，我国大坝安全监测技术方面得到了迅速的发展，主要表现在安全监测仪器产质量的提高和新产品、新技术的不断出现；数据采集和数据传输技术取得进步；安全监测自动化系统的可靠性越来越高；建立于大坝安全监测自动化系统之上的各种信息系统已经出现；大坝安全监测数据分析技术进入软件化阶段，直接服务于大坝安全。大坝安全监控系统可根据不同类型大坝对安全监测标准的差异化要求，进行系统性研究与设计，实现监测数据的即时采集、分析、传输、展示和应用，集中统一水库管理监控平台，实施监测数据的实时传输和分析，实现水库监测的标准化、自动化、数字化管理的大坝安全监测体系。

1.2国内外技术发展与现状
国外而言，水库大坝安全监测技术开始的比较早。有资料可查，最早的水库大坝安全监测始于 19 世纪末德国的埃斯希巴赫重力坝。早期主要监测的对象分别为：变形监测，扰度监测，温度监测等。目前，美国、加拿大、法国、意大利、日本等国在水库大坝安全监测技术方面已经比较成熟，大多数水库大坝已实现安全监控的自动化。水库大坝安全监控自动化主要涉及相关数据采集、分析、评估等方面。在数据采集系统发面，随着水库大坝安全监控自动化的发展，其逐渐由集中式数据采集系统向分布式采集系统开始发展。
相对于其他国家而言，我国的水库大坝安全监测技术开始比较晚。二十世纪 50 年代，我国开始在永定河上官厅水库和淮河上南湾、薄山等大型水库大坝上进行了水平位移、垂直沉降和浸润线等项目的观察。随后，在丰满、佛子岭等水库安装了温度、应变计等监测仪器。60 年代后期，大坝安全监测的范围越来越广阔，分别开展了对渗流、渗流量、渗水浊度、波浪、倾斜、挠度、扬压力等项目地监测
大坝安全监测技术由信息感知、数据采集和数据分析三个密不可分的环节组成。其中，信息感知功能由监测仪器实现，数据采集功能由自动化数据采集系统实现，数据分析功能由安全监测信息软件实现。因此，可以认为安全监测仪器技术的发展与进步也带动了数据采集、数据分析等关联技术的发展。自动化数据采集系统最早是在20世纪60年代由国外率先研制并投入使用，我国的研制工作稍晚于国外，但发展很快。在20世纪90年代中期，随着现代科技的进步，特别是计算机和微电子技术、通讯技术的快速发展，自动化数据采集系统也取得了巨大发展，大部分大坝安全监测项目可实现自动化监测，各类性能优良的国产自动化数据采集系统纷纷面市，在大量的水电工程中安装使用，并取得了良好的实际应用效果。结合各类自动化数据采集系统的基本功能和技术特点，对其现状可归纳如下几方面：
（1）网络架构：目前各工程的自动化数据采集系统均采用分布式测量网络架构，比起早期的集中式测量网络架构已取得了一次跨越式的技术进步。
（2）系统性能：环境适应性强，能胜任全天候、无人值守运行环境下长期连续、稳定可靠的运行；能兼容各种仪器类型的数据采集；测量精度高，均能满足相关规范规程要求；模块化设计，日常运行维护效率高。

（3）技术特征：基本上采用以高性能、低功耗单片机为典型代表的微处理器作为 MCU 的 CPU，一般无操作系统、无文件系统，以低功耗和可靠性为主要技术指标，但任务处理能力和实时响应能力相对较弱；采用小容量的数据存贮芯片，数据存贮能力存在一定的局限性。

（4）通信方式：介质灵活多样，如无线、电传有线、光导纤维有线等多种介质；以半双工、中低速现场总线为主要通信方式，如RS485、Canbus等，其通信速度和通信效率较低，但已基本满足自动化数据采集系统在数据传输方面的技术需求

在安全监测仪器提供的原始测量数据中，包含了大量与大坝结构性态相关的信息，但这些信息需要通过数据分析才能被准确获取，为了解掌握大坝的运行性态及评价大坝运行状态提供科学依据。数据分析成果直接关系到安全监测仪器的实际使用效果，因此数据分析手段对安全监测仪器技术而言是息息相关的，而安全监测软件是实现大坝安全监测数据分析的主要技术手段。近几年来，安全监测软件的技术水平有了较大提高，逐步实现了分析理论、分析模型的软件化操作。在安全监测资料分析理论方面的进步尤为显著，如模糊数学“灰色系统”、神经网络“遗传算法”、时间序列分析、“因果理论”、混沌分形理论、粗集理论等模型分析理论，以及“一机四库”理论等，这些理论的产生使安全监测软件的分析处理能力和分析结论的准确性有了很大的提高，并切实有效地在大坝运行安全管理中发挥了重要作用。总结当前情况下安全监测软件的技术现状，主要可归纳如下几方面：
（1）软件组成：针对DL/T 5178-2016《混凝土坝安全监测技术规范》等行业标准为安全监测软件功能设定的具体要求，界线分明地形成了数据采集软件、信息管理软件和数据分析软件三个软件分支。
（2）软件环境：基于互联网的软件架构，如C/S、B/S；基于 Windows 系列操作系统；基于 Oracle、Mi#8259;crosoft SQL Server等大型网络数据库等。
（3）作用范围：管理及控制对象一般限于单一水工建筑物，实现对单座大坝管控范围内安全监测仪器的数据采集、信息管理和数据分析功能。

1.3三峡安全检测系统

三峡大坝是目前世界上最大的水利发电工程，根据目前安全监测自动化技术的发展水平及三峡安全监测测点的分布特点,系统网络结构及配置主要基于可靠性和先进性进行设计。针对三峡水利枢纽安全监测系统特点,结合计算机网络技术的发展现状,并考虑分期实施的要 求,安全监测自动化系统网络总体分成:监测中心至采集站层和采集站至DAU(数据采集站)两层。为便于安全监测自动化系统的分阶段实施,采集站与相关的DAU组成相互独立的网络系统。监测中心与每个采集站进行网络互联,形成覆盖整个三峡坝区的安全监测自动化网络系统。三峡安全监测自动化系统(SafeMonitoringAutomationSystem,简称SMAS)采用分布式网络结构的数据采集系统。三峡安全监测自动化系统SMAS划分为监测中心、数据采集站(MS)、数据采集单元(DataAcquisitionUnit,缩写DAU)三级。系统主要包括1个监测中心(距大坝约5km)、5个数据采集站MS1～MS5、61个数据采集单元区(每个DAU区包括1个或数个DAU)。其中5个采集站分别为:①船闸采集站MS1;②左岸厂房及大坝采集站MS2;③右岸厂房及大坝(含泄洪坝段、右岸地下电站、茅坪溪防护坝)采集站MS3;④大坝激光准直变形自动测量系统MS4;⑤三峡船闸高边坡表面变形自动测量系统MS5。MS4及MS5为远景规划的子系统,暂不实施。监测中心与每个采集站进行网络互联,形成覆盖整个三峡坝区的安全监测自动化网络系统。三峡安全监测自动化系统监测中心—采集站间的网络采用工业标准的100M光纤以太环形结构,采用TCP/IP协议。采集站— DAU层间的网络接口为RS- 485标准接口,通讯介质为光缆,相应的拓扑结构为星形与总线混合拓扑结构。采用光纤作为主要的通讯介质可适应这种较远距离的通讯,并保证通讯质量,避免电磁及雷电干扰。据国内外安全监测自动化系统的运行经验,为达到系统的长期可靠运行,除系统设计可靠外,三峡大坝安全监测自动化系统的建设和运行管理还采取了以下几项措施。
(1)选择性能可靠的传感器。传感器是自动化系统的前端,应选择经实践检验的具有长期可靠性的传感器。为此,三峡对多个厂家的传感器在现场进行了较长时间的比测,取得了一些经验。
(2)重视系统的安装质量。保证系统的各项配件及仪器的安装精度,做好仪器和线缆的保护,减少系统运行后的维护工作量。
(3)有效的防雷措施。三峡工程公用接地网接地电阻小于1Ψ,为自动化系统提供了良好的接地条件。实施过程中除应做好各环接的有效接地外,还要在传感器与DAU模块间安装防雷
模块,DAU电源入口处应安装电源防雷器、隔离变压器。采集站及监测中心电源入口处应依次安装电源防雷器、隔离变压器、电源稳压器、不间断电源。
(4)有效的防潮措施。数据采集单元、垂线及引张线传感器等部位往往在潮湿的廊道处。除这些设备本身的除湿加热器应长期可靠运行外,在较潮湿的月份还应另外在观测室加装灯
泡烘烤,以保证设备能正常工作。
(5)保持观测数据的连续性。目前,三峡工程已积累了10余年的人工观测数据,在建立自动化监测系统的过程中,这些数据转入系统的数据库中统一管理和分析,保证观测数据在系统建立前后基准值是一致的。

(6)有效的管理与维护措施。系统建立起来以后,规范初期运行,制订有效的管理措施,加强对系统的设备维护和现场巡查,定期进行人工比测,出现故障应及时处理。