葉 紅 ，陸 緯 ，陳 龍 ，李 東 ，周克明

（1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000；2.南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；3.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

0 引言

智慧水利是水利信息化發(fā)展的高級(jí)階段，是實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的關(guān)鍵。智慧水利系統(tǒng)通過無線終端設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息傳遞，以實(shí)現(xiàn)信息智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控、計(jì)算、管理、模擬、預(yù)測和管理，通過物聯(lián)網(wǎng)、無線寬帶、云計(jì)算等新興技術(shù)與水利信息系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水利信息共享和智能管理。大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化是水利信息化的一個(gè)方向，利用布置在大壩的各類傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩內(nèi)部及外部各種物理量的感知，可為大壩安全運(yùn)行精細(xì)化管理提供數(shù)據(jù)支撐，指導(dǎo)管理單位對(duì)大壩安全運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)決策，同時(shí)逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字大壩向智慧大壩發(fā)展[1]。

大壩安全監(jiān)測的相關(guān)規(guī)范中[2-4]，對(duì)各種監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置有詳盡的規(guī)定，根據(jù)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型及算法等可組成智能化的決策系統(tǒng)。若數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身不能正常運(yùn)行則無法實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測的最終目標(biāo)，如何提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能化水平，確保其長期有效正常運(yùn)行，是一個(gè)值得研究的問題。另外，針對(duì)大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)日常運(yùn)行維護(hù)中存在的工作量大、專業(yè)性強(qiáng)、維護(hù)難度高等情況[5]，也可從提高監(jiān)測系統(tǒng)智能化水平的角度降低運(yùn)維工作量和難度。因此，需要對(duì)大壩監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化技術(shù)改進(jìn)措施進(jìn)行探討，從測站的環(huán)境監(jiān)控、監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)獲取、數(shù)據(jù)采集裝置的優(yōu)化、監(jiān)測軟件的智能化改進(jìn)等方面進(jìn)行針對(duì)性的提高，挖掘大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)智能化提升空間。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)智能感控提升技術(shù)

大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)是集水工、傳感器、數(shù)據(jù)采集電子裝置、數(shù)據(jù)通信、軟件等多專業(yè)的綜合性系統(tǒng)，要求參與自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的管理人員素質(zhì)高、責(zé)任心強(qiáng)。自動(dòng)化系統(tǒng)往往在數(shù)據(jù)缺測、通信失敗等情況下，才會(huì)被運(yùn)行管理人員發(fā)現(xiàn)，再組織人員進(jìn)行維修，是一種被動(dòng)、長周期、“救火”方式的運(yùn)維管理。用戶在問題出現(xiàn)成為既定事實(shí)，或小問題演變?yōu)榇髥栴}造成損失之后才去排除故障，易造成數(shù)據(jù)丟失及設(shè)備不可逆損壞，因此很有必要通過提高系統(tǒng)本身智能化的水平改變這種情況。

為有效提升大壩監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)整體的智能化水平，進(jìn)一步總結(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障類別，分析產(chǎn)生原因并建立故障數(shù)據(jù)庫以便于及時(shí)應(yīng)對(duì)，可采取以下措施：對(duì)測站環(huán)境、數(shù)據(jù)采集裝置（DAU）設(shè)備本身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，將自動(dòng)化系統(tǒng)本身故障判別的智能化前置；加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)其采集到的傳感器數(shù)據(jù)的智能判別及針對(duì)性應(yīng)對(duì)；進(jìn)一步應(yīng)用軟件自動(dòng)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析、統(tǒng)計(jì)等加以應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的系統(tǒng)運(yùn)維監(jiān)管。

1.1 測站環(huán)境感知與反饋

現(xiàn)地測站安裝點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)測站的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要，為避免自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在相關(guān)指標(biāo)不滿足安全運(yùn)行要求或存在較大風(fēng)險(xiǎn)時(shí)應(yīng)能智能自啟自我保護(hù)、預(yù)警等功能，因此，對(duì)測站運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)是做出相關(guān)保護(hù)及預(yù)警的前提。主要包括以下幾點(diǎn)：

1）測站箱體密封及內(nèi)部環(huán)境監(jiān)控。大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)一般由傳感器、電纜、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信物理鏈路及軟件組成。傳感器經(jīng)過廠家多種嚴(yán)格測試，能適應(yīng)現(xiàn)場各種運(yùn)行工況，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的保護(hù)箱按照防水、密封要求設(shè)計(jì)。傳感器電纜從引線孔接入時(shí)，因現(xiàn)場條件限制，往往無法做到密封很好，現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境的溫度、濕度變化會(huì)導(dǎo)致保護(hù)箱體內(nèi)環(huán)境變化，溫濕度較高時(shí)導(dǎo)致電路板上凝結(jié)水汽，在 0℃ 以下時(shí)表面可能結(jié)冰。由于高度集成的電子芯片引腳間距非常小，在外界灰塵濕氣的共同作用下，易誘發(fā)引腳之間短路，導(dǎo)致各種不可預(yù)知的異常復(fù)位、重啟、斷電等現(xiàn)象。為盡可能避免以上故障，一方面要加強(qiáng)電路板的三防措施，采用高性能硅膠密封圈，加強(qiáng)箱體進(jìn)線口的密封處理；另一方面可以采用溫、濕度傳感器監(jiān)測DAU 箱體內(nèi)的小環(huán)境參數(shù)，若內(nèi)部環(huán)境溫度低于設(shè)備運(yùn)行要求，可以自動(dòng)啟動(dòng)加熱裝置，若 DAU 內(nèi)部濕度太高時(shí)，可以自動(dòng)開啟除濕風(fēng)扇，待箱體內(nèi)濕度恢復(fù)正常值時(shí)再關(guān)閉除濕設(shè)備。這些措施可以有效改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，避免數(shù)據(jù)采集模塊元器件發(fā)生不可恢復(fù)損壞，提高自動(dòng)化系統(tǒng)的環(huán)境自適應(yīng)能力。

2）測站箱體內(nèi)部進(jìn)水監(jiān)測。在突發(fā)情況下，大壩特殊部位安裝的 DAU 箱體可能由于局部水位上升發(fā)生淹沒。因此一方面要求相關(guān)箱體必須具備一定的防水等級(jí)，另一方面可以在這些敏感 DAU 箱體內(nèi)部增加水浸傳感器監(jiān)測設(shè)備。當(dāng)箱體被淹沒內(nèi)部發(fā)生積水、滲水等情況時(shí)，第一時(shí)間遠(yuǎn)程報(bào)警，運(yùn)維人員可在第一時(shí)間進(jìn)行處理，防止箱體內(nèi)部電子設(shè)備浸水報(bào)廢。

3）測站門禁監(jiān)測及輔助照明控制。當(dāng)相關(guān)DAU 測站所在部位沒有照明或長期處于黑暗環(huán)境時(shí)，可在箱體內(nèi)設(shè)計(jì)基于光照強(qiáng)度及箱體門禁開合狀態(tài)的照明控制子系統(tǒng)，自動(dòng)打開內(nèi)置的輔助照明裝置，方便運(yùn)行管理人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作維護(hù)。

4）測站供電系統(tǒng)監(jiān)控。自動(dòng)化系統(tǒng)的通信、供電、數(shù)據(jù)采集等設(shè)備均需用電，長期工作在高溫環(huán)境下的 DAU 在極端情況下，可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重異常，如線纜老化、電子元器件失效等可能誘發(fā)設(shè)備故障和電源短路，甚至引起火災(zāi)。因此，在重要的監(jiān)測站中，應(yīng)進(jìn)行電流、溫度、煙塵監(jiān)測，并能實(shí)時(shí)報(bào)警。

5）測站定位及防盜監(jiān)控。在大壩監(jiān)測實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中很多 DAU 需要安裝在野外等開放環(huán)境中，周邊人員活動(dòng)復(fù)雜，為防止人為破壞，可在保護(hù)箱的門上設(shè)門磁設(shè)備，監(jiān)測箱門的開閉狀態(tài)，確保其處于關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)更高程度的安保需要可進(jìn)一步設(shè)置物位監(jiān)測設(shè)備，嵌入相應(yīng)的定位模塊，周期性地讀取或上報(bào)自身位置信息，監(jiān)視 DAU 是否被人為移動(dòng)或破壞。

6）測站震動(dòng)及加速度監(jiān)測。在地震多發(fā)地區(qū)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)可以設(shè)置震動(dòng)監(jiān)測傳感器，當(dāng)發(fā)生明顯有別于一般震動(dòng)的大加速度震動(dòng)時(shí)，監(jiān)測裝置將加速度數(shù)值上報(bào)中心數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，智能啟動(dòng)相關(guān)應(yīng)急機(jī)制，如主動(dòng)加密所在地 DAU 的測量頻次，連續(xù)讀取震動(dòng)傳感器加速度數(shù)值，讀取當(dāng)前測站 DAU 電池電壓，持續(xù)監(jiān)測有線及無線通信鏈路暢通等。所有實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)在測量單元 Flash 內(nèi)部后應(yīng)及時(shí)切斷存儲(chǔ)器電源，以避免誤操作，方便進(jìn)行震后分析。

1.2 DAU 狀態(tài)感知與反饋

DAU 是大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其工作狀況決定系統(tǒng)運(yùn)行的正常與否。對(duì)大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集電子設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以有效獲取設(shè)備值守運(yùn)行的基本狀態(tài)。監(jiān)控內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn)：

1）對(duì)電流功耗的監(jiān)控。對(duì) DAU 數(shù)據(jù)采集模塊待機(jī)及測量電流的監(jiān)控，有助于發(fā)現(xiàn)采集模塊本身是否有元器件損壞導(dǎo)致待機(jī)電流偏大，是否有儀器損壞導(dǎo)致測量電流異常，是否有可能損壞公用測量電路芯片。

2）對(duì)電池電量的監(jiān)控。監(jiān)測電池電量可以有效評(píng)估電池本身健康程度，充電電路是否正常工作；在長時(shí)間陰雨導(dǎo)致陽光不足或者面臨長周期斷電等情況時(shí)，可以根據(jù)電池信息判斷可支持的值守時(shí)間，提前做好供電規(guī)劃及準(zhǔn)備好備用電池等設(shè)備，不至于在汛期或需要監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生斷電無法持續(xù)工作的情況。

3）對(duì)無線信號(hào)強(qiáng)度及鏈路的監(jiān)控。若系統(tǒng)采用無線通信，可在值守待機(jī)或遠(yuǎn)程報(bào)數(shù)前偵測信號(hào)強(qiáng)度及發(fā)送相關(guān)心跳包測試無線鏈路狀態(tài)，在信號(hào)正常及鏈路通暢時(shí)進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，在信號(hào)強(qiáng)度不足或無線通信鏈路不正常時(shí)可進(jìn)行重新連接或設(shè)計(jì)延時(shí)動(dòng)作。具體應(yīng)用中可采用通信接口分路器，對(duì)相關(guān)通信信道進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也不影響正常工作。在正常上報(bào)給中心采集計(jì)算機(jī)的測量結(jié)果報(bào)文中，可以配送相關(guān)無線信號(hào)強(qiáng)度的信息，讓用戶掌握設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提醒用戶及時(shí)做出相應(yīng)處理，將故障排除在隱患狀態(tài)。為避免采用 GSM，GPRS，CDMA，LTE 等無線公網(wǎng)通信時(shí)因 SIM 卡欠費(fèi)被運(yùn)營商中止服務(wù)，引起監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，可在自動(dòng)化系統(tǒng)的管理軟件中，設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)通信卡內(nèi)剩余費(fèi)用功能，便于及時(shí)充值保證通信正常。

4）對(duì)有線通信鏈路狀況的監(jiān)控。當(dāng)大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用有線通信方式連接組網(wǎng)時(shí)，可定期用心跳包測試鏈路狀態(tài)，同時(shí)加入相關(guān)電源監(jiān)測裝置，對(duì)光纖通信的光端機(jī)、RS-485 通信轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等的供電情況加以監(jiān)控，以獲知通信網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)。

5）對(duì)死機(jī)判斷和偵測。對(duì) DAU 數(shù)據(jù)采集模塊是否死機(jī)的偵測，可結(jié)合相關(guān)待機(jī)電流及看門狗信號(hào)的周期進(jìn)行分析，具體如下：當(dāng)待機(jī)電流長期異常，可能是相關(guān)任務(wù)未進(jìn)行完發(fā)生死機(jī)，導(dǎo)致相關(guān)芯片始終處于通電狀態(tài)；看門狗脈沖信號(hào)的缺失，可能是看門狗信號(hào)引腳因死機(jī)發(fā)生電平鉗位，導(dǎo)致看門狗芯片失效；看門狗信號(hào)正常但電流偏大，則可能是程序發(fā)生死循環(huán)，雖然喂狗依舊發(fā)生但程序可能進(jìn)入一個(gè)含喂狗程序的嵌套中不斷循環(huán)，此時(shí)應(yīng)給數(shù)據(jù)采集模塊斷電重新上電。目前投入使用的大多數(shù) DAU，發(fā)生死機(jī)時(shí)只能依靠運(yùn)維人員到現(xiàn)場中斷電源重啟 DAU 才能恢復(fù)。而數(shù)據(jù)采集設(shè)備分布范圍廣、數(shù)量多，人員親自去現(xiàn)場操作工作效率低，因此結(jié)合廣域公網(wǎng)及短距局域無線通信技術(shù)，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)增加基于移動(dòng)公網(wǎng)、Wi-Fi 或 LoRa 技術(shù)的 DAU 遠(yuǎn)程電源監(jiān)管模塊，實(shí)現(xiàn) App 遠(yuǎn)程控制DAU 的通斷電。在雷暴天氣還可以人為中斷通信線路及測站電源，避免設(shè)備被感應(yīng)雷損壞。遠(yuǎn)程電源控制對(duì)工作效率及系統(tǒng)可靠性提升均有幫助。

1.3 采集模塊智能化

大壩監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、上傳由 DAU 內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊完成，是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)最核心的部分，因此，對(duì)其進(jìn)行智能化改進(jìn)可以提高整個(gè)系統(tǒng)的智能化水平，避免監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，同時(shí)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。智能化改進(jìn)措施如下：

1）數(shù)據(jù)采集模塊本身可以進(jìn)行多功能通用化設(shè)計(jì)。即采集模塊能夠采集多種傳感器輸出的不同類型的物理信號(hào)，如正弦波和方波頻率、電壓、電流、開關(guān)量、數(shù)字量等信號(hào)。大壩安全監(jiān)測行業(yè)應(yīng)用的監(jiān)測傳感器種類多，以前應(yīng)用中一種類型傳感器就需要配套一種類型的測量電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，浪費(fèi)很大，維護(hù)起來也不方便，往往因?yàn)橐恢П容^特殊的儀器專門配置一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，會(huì)閑置浪費(fèi)模塊內(nèi)的其余通道。實(shí)現(xiàn)通用化后可用一個(gè)測量模塊同時(shí)讀取多支、多種儀器，每個(gè)測量通道可以測量多種不同類型的儀器，實(shí)現(xiàn)智能接入及資源集約利用。在具體的電路設(shè)計(jì)中，可在公共通道后端針對(duì)不同的物理量測量設(shè)計(jì)各自獨(dú)立的解析處理電路，不同儀器類型設(shè)計(jì)不同的繼電器切換方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型傳感器都可以測量的目標(biāo)。

2）數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部各電路功能模塊的電源可做智能化管控。使用時(shí)受控上電工作，不需要使用時(shí)斷電。核心微處理器在低功耗待機(jī)時(shí)應(yīng)規(guī)劃好相關(guān)中斷的開啟，并可智能降低主頻或切換至低頻晶振以降低功耗，在接收到相關(guān)中斷信號(hào)后喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)。在滿足相關(guān)性能指標(biāo)的前提下，各電路功能模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能采用低功耗芯片，最大限度節(jié)約電能的使用。

3）數(shù)據(jù)采集模塊可增加通道及儀器的防雷和損壞智能檢測。對(duì)于接入數(shù)據(jù)采集模塊每一個(gè)通道的儀器，在儀器信號(hào)進(jìn)入處理電路之前，均應(yīng)先經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)的防雷防浪涌保護(hù)電路，通道的通斷可智能進(jìn)行定期檢測。相關(guān)接入各通道的傳感器可通過測量電阻范圍及供電電流等方法，判斷儀器的好壞，判斷通道的硬件損壞情況及各傳感器的正常與否，可上報(bào)計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄并提示運(yùn)維人員及時(shí)進(jìn)行處理。

4）數(shù)據(jù)采集模塊的內(nèi)部程序可以加入對(duì)相關(guān)傳感器測值的智能判斷及處理。根據(jù)各儀器類型及量程、輸出信號(hào)設(shè)置相關(guān)閾值，對(duì)測值進(jìn)行自動(dòng)判斷，發(fā)現(xiàn)超限及異常測值應(yīng)及時(shí)補(bǔ)測，多次測量分析測值范圍并確定真值，可有效排除儀器因電源、靜電干擾，缺乏預(yù)熱和預(yù)激振造成的偶爾測值突跳現(xiàn)象。對(duì)于某些儀器可以通過不斷縮小激振范圍，或多次進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波后求平均值的辦法進(jìn)行精確化測量。如振弦式儀器的頻率范圍一般為400～6000 Hz，溫度范圍為 -20～60℃，很多情況下若采用大范圍全頻段激振，可能頻率測值會(huì)有幾赫茲的跳動(dòng)。若初次安裝，先采用 400～6000 Hz 全頻段激振，然后根據(jù)得到的大致頻率范圍繼續(xù)采用縮小的頻段測量，如 400～1000，1000～3000，2000～6000 Hz 等，可以得到更加穩(wěn)定、更高精度的頻率測值，同時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊可以記錄各儀器需要的實(shí)際激振頻段，便于以后一次激振測量就可獲得質(zhì)量很高的數(shù)據(jù)。

5）數(shù)據(jù)采集模塊可智能控制通信電路模塊工作方式。DAU 中數(shù)據(jù)采集模塊用無線通信方式組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)，為節(jié)約用電，相關(guān)通信電路模塊的工作方式可由采集模塊控制。當(dāng)需要上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，通信電路上電或喚醒聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完畢后中心采集計(jì)算機(jī)發(fā)送相關(guān)指令至采集模塊，控制通信電路的斷電或休眠，在休眠模式時(shí)中心采集計(jì)算機(jī)可以遠(yuǎn)程喚醒相關(guān) DAU 中的通信電路模塊。在重要場合的應(yīng)用中，DAU 應(yīng)具備多信道傳輸能力，可以根據(jù)具體信道的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)切換，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)安全可靠地發(fā)送至相關(guān)采集計(jì)算機(jī)設(shè)備。

1.4 應(yīng)用軟件智能反饋

大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集中心計(jì)算機(jī)軟件是人機(jī)交互最主要的媒介，相關(guān)采集和信息管理分析等軟件的智能化水平對(duì)于減小運(yùn)維人員工作量，提高運(yùn)維效率，提高分析和預(yù)測的水平具有很大的影響。

1）中心計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)能自主、定期校準(zhǔn) DAU內(nèi)置時(shí)鐘?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備的內(nèi)置時(shí)鐘芯片受到溫度及晶振精度影響，不可避免地存在累積誤差，長期累積將導(dǎo)致系統(tǒng)測量不同步，這時(shí)需要監(jiān)控主機(jī)軟件，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息對(duì) DAU 自動(dòng)進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，每月至少在測報(bào)周期間隔內(nèi)進(jìn)行1 次。監(jiān)控主機(jī)的時(shí)鐘可通過 Internet 網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)鐘服務(wù)器 time.windows.com 自動(dòng)更新。

2）中心計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)能自主判別監(jiān)測模塊上報(bào)報(bào)文完整性并進(jìn)行有效應(yīng)對(duì)?，F(xiàn)場 DAU 由于受各種異常因素的影響，模塊可能沒有按照設(shè)定的周期頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或保存，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測，軟件應(yīng)能根據(jù)定時(shí)測報(bào)數(shù)據(jù)的完整性盡快檢索發(fā)現(xiàn)異常模塊并及時(shí)補(bǔ)測錄入。如出現(xiàn)由于現(xiàn)場通信鏈路問題造成報(bào)文丟失字符的情況，軟件可先提取正常有效測點(diǎn)測值，對(duì)報(bào)文不全測點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測并保存。

3）中心計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)能自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每次定時(shí)自報(bào)測量數(shù)據(jù)缺失情況并及時(shí)上報(bào)管理人員。在大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)用化要求及驗(yàn)收規(guī)程中，統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)有效數(shù)據(jù)缺失率要求小于 3%[6]，只有在自動(dòng)化系統(tǒng)日常運(yùn)行中嚴(yán)格把關(guān)，控制數(shù)據(jù)缺失率，才能獲得符合統(tǒng)計(jì)分析規(guī)范的合格數(shù)據(jù)。在自動(dòng)化系統(tǒng)日常實(shí)際運(yùn)行中，可以統(tǒng)計(jì)日、周數(shù)據(jù)缺失率，當(dāng)缺失率大于 0 或 3% 時(shí)，應(yīng)及時(shí)分級(jí)通知相關(guān)人員處理。

4）中心計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)能初步判斷故障類型。根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)采集頻率和全部測點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)數(shù)量，統(tǒng)計(jì)缺測的測點(diǎn)，由此進(jìn)一步判斷是單個(gè)儀器、監(jiān)測設(shè)備（DAU），還是單條分支通信線路或整個(gè)系統(tǒng)的問題，形成監(jiān)測統(tǒng)計(jì)簡報(bào)上報(bào)用戶，提醒用戶及時(shí)處理。參考水情測報(bào)系統(tǒng)維護(hù)規(guī)程[7]，可根據(jù)數(shù)據(jù)缺失的情況間接判斷遙測站故障，分析如下：a.當(dāng)大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的所有測站均無數(shù)據(jù)時(shí)，可初步判斷通信線路總節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測中心設(shè)備等發(fā)生故障；b.當(dāng)同一測站所轄的 DAU 均無數(shù)據(jù)時(shí)，可初步判斷光端機(jī)、串口電平轉(zhuǎn)換器、串口分路器、MOXA 卡、無線通信 DTU 等二次設(shè)備故障或測站供電問題；c.DAU 在設(shè)定的時(shí)間沒有上報(bào)數(shù)據(jù)，經(jīng)上位機(jī)軟件主動(dòng)發(fā)命令后仍無數(shù)據(jù)，則初步判定 DAU 本身故障。中心計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)自報(bào)或召測結(jié)果可以智能給運(yùn)維人員提供初級(jí)故障判斷。

5）中心計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)具備對(duì)傳感器測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)邏輯判斷及統(tǒng)計(jì)分析功能。如根據(jù)不同的儀器類型及確定的量程判斷本次測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，若超過閾值或存在粗差，則提醒用戶及時(shí)處理。同樣，每個(gè)測點(diǎn)根據(jù)所在部位，參考工程經(jīng)驗(yàn)也可以初步判斷其測值會(huì)在哪個(gè)區(qū)間，如大壩內(nèi)部的水壓力一般不高于庫水位，不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)壓力，大壩內(nèi)部的溫度一般不低于 0℃ 等等。在做具體的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，根據(jù)最近的歷史測值，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法判斷本次測值是否存在粗差。常用的統(tǒng)計(jì)判別法包括拉依達(dá)準(zhǔn)則（3 σ 準(zhǔn)則）[8]、格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則[9]、狄克松準(zhǔn)則（Dixon）[10]、t 檢驗(yàn)法（羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則）[11]等。需要注意的是，數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法沒有考慮所在的環(huán)境、狀態(tài)等條件的改變，采用的是純數(shù)學(xué)算法，容易將真實(shí)突變的測值誤判為異常值，例如突跳的測值可能是由于水位、氣溫等自變量出現(xiàn)大幅變化，或是大壩性態(tài)出現(xiàn)異常的真實(shí)反應(yīng)，因此不能簡單地將測值刪去，否則容易錯(cuò)過大壩安全異常表征的重要信息。針對(duì)數(shù)據(jù)缺失、系統(tǒng)故障、超限超差等故障，配套中心計(jì)算機(jī)軟件軟件應(yīng)能自動(dòng)形成概要并報(bào)送運(yùn)維人員，形成日志保存在數(shù)據(jù)庫便于事后分析。管理軟件根據(jù)知識(shí)庫提出向?qū)Щ漠惓Ｌ幚矸桨?，運(yùn)維人員依此及時(shí)消缺，降低系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)人員的依賴性，高效解決問題。

2 智能化信息采集技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的更高智能化要求，大壩性態(tài)數(shù)據(jù)的采集是基礎(chǔ)和前提，大壩滲漏、變形、沉降、溫度等觀測項(xiàng)目所使用的各類型傳感器能否提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)配套的數(shù)據(jù)采集模塊能否將數(shù)據(jù)安全可靠地傳送至數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，是系統(tǒng)能否發(fā)揮應(yīng)有作用的決定性因素。

傳感器、微電子、無線通信等技術(shù)的發(fā)展從硬件上提供了高精度和高可靠的大壩安全監(jiān)測信息獲取的基礎(chǔ)。針對(duì)具體的使用場合和環(huán)境，智能監(jiān)測設(shè)備的測量精度在滿足監(jiān)測要求的前提下可以適當(dāng)降低，但要求可靠性高，功耗低，造價(jià)低。具體技術(shù)分析如下：

1）傳感器技術(shù)。豐富多樣的高精度、小型化、低成本的傳感器發(fā)展迅速?；谖C(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)開發(fā)的溫度、壓力、加速度、角速度等傳感器，在微米毫米量級(jí)的特征尺寸下可以完成傳統(tǒng)機(jī)械傳感器不能實(shí)現(xiàn)的功能，具有分辨力高，重復(fù)性好，功耗低，可靠性高，適于集成與量化生產(chǎn)等特點(diǎn)。

2）微電子技術(shù)。微電子技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)代高集成度芯片的信息處理水平大大提高，芯片內(nèi)集成了溫度、震動(dòng)等傳感器，可以直接用來進(jìn)行 DAU 內(nèi)小環(huán)境的監(jiān)測。高性能處理器具有豐富的外部接口和內(nèi)部功能模塊，在具備低功耗特點(diǎn)的同時(shí)，主流微處理器均具備多串口、A/D 轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、掉電存儲(chǔ)、電源監(jiān)控等內(nèi)部功能模塊，一些專門芯片還在內(nèi)部集成了藍(lán)牙、Wi-Fi 或 433MHz 等無線射頻通信模塊。如今在大壩安全監(jiān)測行業(yè)廣泛使用的TMS320，MSP430，ARM 架構(gòu) STM32 等系列的微處理器芯片，相對(duì)多年前使用的 MCS-51 系列單片機(jī)已有了質(zhì)的飛躍，在這些芯片基礎(chǔ)上開發(fā)的大壩數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更多傳感器物理信號(hào)的采集、通信方式的選擇、智能算法的植入及項(xiàng)目的監(jiān)測。

3）無線通信技術(shù)。低功耗無線通信技術(shù)的發(fā)展為監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供了便捷，是未來大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的發(fā)展方向。數(shù)據(jù)傳輸距離和數(shù)據(jù)量對(duì)帶寬的要求是無線通信方式選擇的主要考慮因素。目前在行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用的局域無線組網(wǎng)技術(shù)有 ZigBee，LoRa，微波等，無線廣域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)有GPRS，CDMA，LTE，NB-IoT 等。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配套的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在兼顧信號(hào)強(qiáng)度及兼容性的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點(diǎn)考慮供電方式和功耗需求，合理配置 AA 堿性干電池、大容量一次性鋰電池、鉛酸蓄電池、太陽能電板、市電線路等供電設(shè)施。

3 結(jié)語

隨著微電子技術(shù)、低功耗技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)提取技術(shù)的發(fā)展，使硬件及軟件的綜合智能化程度提升成為可能，這些技術(shù)應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境、故障、供電等因素的自適應(yīng)能力，進(jìn)而全面提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、健壯性及智能化水平，是未來大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向。

在快速發(fā)展的傳感器、微功耗、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用提升系統(tǒng)智能化的方法，將大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障類型、采集數(shù)據(jù)有效性等智能化判別措施及處理手段前置，可以更高效地處理異常。同時(shí)，在一些已經(jīng)投運(yùn)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件中對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失、質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)一步自動(dòng)判斷故障部位及類型，有效降低了系統(tǒng)運(yùn)維對(duì)管理人員的依賴性，部分優(yōu)化改進(jìn)措施在項(xiàng)目實(shí)施中取得了較好的效果，具有進(jìn)一步推廣的價(jià)值。