Digital Dam Monitor & Management System
Based on LabVIEW

作者：李亞奎¹ 李亞偉²
工作職務(wù)：在讀本科生¹ 博士研究生²
機(jī)構(gòu)名稱：武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院¹ 大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院²

應(yīng)用領(lǐng)域： 工業(yè)自動化

使用的產(chǎn)品：LabVIEW 6i 、分布式I/O系統(tǒng)（CFP-2020、cFP-TC-120、cFP-AI-110、DI-301、cFP-BP-4、CB-37FV和帶電纜DIN螺絲導(dǎo)軌）、嵌入式實(shí)時PXI控制器PXI-8146 RT、PXI-1006、PXI-8211、NI 4351等

挑戰(zhàn)：利用NI 公司的軟硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個高度智能化的水庫大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)，由它來完成對水庫、大壩全方位的準(zhǔn)確、及時的監(jiān)測，改變傳統(tǒng)的監(jiān)測管理模式，實(shí)現(xiàn)對大壩監(jiān)測的高度數(shù)字化的管理。

應(yīng)用方案：應(yīng)用美國NI公司的虛擬儀器技術(shù)，采用PXI系統(tǒng)，以LabVIEW 6i為開發(fā)平臺，建立起了功能強(qiáng)大的水庫、大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)。

介紹
　　當(dāng)前，水資源在全球資源結(jié)構(gòu)中的重要地位日益突現(xiàn)，水庫大壩的安全監(jiān)測和穩(wěn)定運(yùn)行顯得更加關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及NI的產(chǎn)品在數(shù)據(jù)采集、分析和儀器控制等方面的優(yōu)秀表現(xiàn)，使建立數(shù)字化大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)成為可能。本文采用NI的LabVIEW、分布式I/O產(chǎn)品（Compact FieldPoint）等構(gòu)建集變形、應(yīng)力和沉降監(jiān)測、安全評估等多方位的分布式數(shù)字化大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮LabVIEW強(qiáng)大的人機(jī)交互功能。實(shí)現(xiàn)監(jiān)測大壩的應(yīng)力變化以及三維變形，根據(jù)應(yīng)力變化以及變形情況預(yù)測未來趨勢，對大壩的安全進(jìn)行評估。具有實(shí)用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，可以有效的改變當(dāng)前傳統(tǒng)的監(jiān)測管理模式，加速水資源管理的信息化步伐。

Introduction
　　Nowadays, the status of water resource is becoming more and more import in global resource structure, so, the safety monitoring and stable operation of the dam has been a crucial issue. With the fast development of the computer science and network technology as well as the leading performance of American NI, which is widely applied in data collection & analysis, instrument control etc, Digital Dam Monitor & Management System (DDMMS) can be realized based on NI. This paper applies U.S.A LabVIEW, distributed I/O products (Compact Field Point) to establish a distributed Digital Dam Monitor & Management System that includes transmute monitoring section, stress monitoring section, sedimentation monitoring section and dam safety evaluation & prediction. It takes full advantage of the powerful abilities of LabVIEW to develop highly compact human-machine interface, the main function of the system is monitoring the stress alteration and transformation in 3 dimension, when the stress and transformation approach the valve value, the system will give out alert, additionally, it can predict and evaluate the operation condition of the dam in the future, DDMMS has good practicability, stable function and operation creditability; it can effectively change the traditional dam monitoring & management mode and improve the water resource information development.

　　當(dāng)前我國絕大多數(shù)的水庫運(yùn)行管理中，依然采用傳統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備與管理模式，其缺點(diǎn)日益暴露：設(shè)備成本居高不下，維護(hù)難度大，設(shè)備通用性差。本文建立了數(shù)字化大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)能對水庫大壩進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)測管理，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、分析、處理、查詢，掌握水庫大壩的實(shí)時運(yùn)行狀況，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施。此外監(jiān)測管理系統(tǒng)具有廣泛的適應(yīng)性、較強(qiáng)的通用性、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡便、建設(shè)費(fèi)用合理，可從根本上改變傳統(tǒng)的監(jiān)測管理模式。本系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備主要由美國國家儀器的嵌入式實(shí)時PXI控制器、分布式I/O系統(tǒng)配合高精度的光纖傳感器等一系列國際上廣泛采用的精密傳感器件經(jīng)過優(yōu)化組網(wǎng)構(gòu)成，監(jiān)控軟件由NI的LabVIEW 6i生成，其人機(jī)交互功能強(qiáng)大。

監(jiān)測管理模式的選擇
　　目前，國內(nèi)外多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)采用集中控制模式和分布式控制模式兩種，也有一部分系統(tǒng)是二者兼有的混合型。
　　集中控制模式的監(jiān)測系統(tǒng)主要是由工業(yè)計(jì)算機(jī)作為中央控制裝置配合監(jiān)測設(shè)備共同組成。它可以實(shí)現(xiàn)對被測對象的數(shù)據(jù)采集、分析、處理、數(shù)據(jù)存儲、顯示、超限報警等功能，這些功能一般集中于一個龐大的一體化的監(jiān)控設(shè)備之中。但是集中控制模式的監(jiān)測系統(tǒng)有其固有的缺陷：系統(tǒng)軟件開發(fā)難度大，人機(jī)交互功能不強(qiáng)，通用性差，硬件設(shè)備故障集中，隨監(jiān)測對象的增加系統(tǒng)處理速度急劇下降，傳感器輸出的模擬信號易受噪聲的干擾。對于像水庫大壩等這樣的大型監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測對象眾多，形式多樣，用集中控制模式的系統(tǒng)在國內(nèi)外成功的案例較少，因而不適應(yīng)于開發(fā)數(shù)字化水壩監(jiān)測管理系統(tǒng)。
　　分布式控制系統(tǒng)由集中操作管理單元、分布的測控單元和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。它是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大規(guī)模集成電路和嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其主要特點(diǎn)有：可將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為相對簡單的獨(dú)立模塊，系統(tǒng)層次清晰。本系統(tǒng)在建設(shè)初期對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行分解時采用了優(yōu)化的遺傳算法，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分解，監(jiān)測任務(wù)合理分配，有效的提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，數(shù)據(jù)采集由分布在監(jiān)測現(xiàn)場附近的高精度傳感元件配合智能節(jié)點(diǎn)（本文使用美國國家儀器的Compact FieldPoint CFP-2020等）來承擔(dān)，有效的提高了測量精度。
　　數(shù)字化大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)涉及的各智能節(jié)點(diǎn)（CFP-2020與多個智能化的I/O模塊組成）與上位機(jī)（嵌入式實(shí)時PXI控制器PXI-8146 RT、PXI-1006、PXI-8211、NI 4351等組成）之間的數(shù)字信號通訊采用以太網(wǎng)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，各通訊接口的硬件(物理層)和軟件(通訊協(xié)議)都采用NI的產(chǎn)品，消除了兼容性的問題，各種硬件執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，信號傳輸可靠，單個故障不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，并且容易維護(hù)，另外，本文涉及的監(jiān)測管理系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)，可根據(jù)現(xiàn)場的要求，靈活配置各智能節(jié)點(diǎn)的位置與數(shù)量，中央控制單元只需要對各個智能節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接受和處理即可，有效的減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。總之，分散式的監(jiān)測控制模式以后必將會成為水利工程的一個最佳選擇。

數(shù)字化水壩監(jiān)測管理系統(tǒng)的主體構(gòu)成
　　監(jiān)測管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理、層次簡明是十分重要的，如圖1所示，在數(shù)字化水壩監(jiān)測管理系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)，即水力學(xué)監(jiān)測子系統(tǒng)，動力學(xué)監(jiān)測子系統(tǒng)，安全監(jiān)測子系統(tǒng)，對于某些重要的監(jiān)測對象（如位移、滲流、應(yīng)力應(yīng)變異常、滲壓等信息），本系統(tǒng)采用專項(xiàng)監(jiān)測，便于監(jiān)測系統(tǒng)迅速地反映水庫運(yùn)行中出現(xiàn)異常時的信息，有利于及時采取措施。

圖1 數(shù)字化水壩監(jiān)測管理系統(tǒng)主要組成

大壩變形監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
　　為實(shí)現(xiàn)大壩的數(shù)字化監(jiān)測與管理，我們拋棄傳統(tǒng)的監(jiān)測檢測方式，采用美國國家儀器的分布式I/O系統(tǒng)（CFP-2020、cFP-TC-120、cFP-AI-110、DI-301、cFP-BP-4、CB-37FV和帶電纜DIN螺絲導(dǎo)軌）配合光纖傳感器實(shí)現(xiàn)高精度快速的監(jiān)測，圖2、圖3、圖4分別描述了數(shù)字化水壩形變監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)圖。

圖2 數(shù)字化水壩壩體形變監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)框圖

圖3 數(shù)字化水壩壩體水平形變監(jiān)測組成

圖4 數(shù)字化水壩壩體垂直形變監(jiān)測組成

　　大壩形變監(jiān)測采用陣列式光纖和高精度應(yīng)力應(yīng)變傳感器，配合分布式I/O系統(tǒng)，組建分布式光纖傳感器模塊；同時智能化的I/O模塊cFP-TC-120、cFP-AI-110的高精度低噪聲的特點(diǎn)保證了系統(tǒng)的監(jiān)測精度；智能型以太網(wǎng)控制器CFP-2020位系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)交換功能，保證了數(shù)據(jù)存儲的安全性。在變形監(jiān)測網(wǎng)中基準(zhǔn)網(wǎng)的構(gòu)建由建立在基巖上的監(jiān)測點(diǎn)組成，用于測量變形體上目標(biāo)點(diǎn)的“絕對”變形。基準(zhǔn)網(wǎng)的精度直接影響著對大壩變形監(jiān)測的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，為保證監(jiān)測的實(shí)時性和準(zhǔn)確性NI的分布式I/O系統(tǒng)毫無疑問的成為我們的最佳選擇。為形象地反映大壩實(shí)際形變，在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造時采用了多路分布式I/O分別對大壩的多層水平形變和多點(diǎn)垂直形變進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并根據(jù)大壩混凝土和基巖特性，編制相應(yīng)的有限元程序，根據(jù)程序處理結(jié)果，鏈接模型庫，并構(gòu)建大壩三維監(jiān)測模型，從而給決策者提供快捷、有效的決策信息。

數(shù)據(jù)庫與模型庫的組建
　　數(shù)據(jù)庫與模型庫的建設(shè)直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性,該監(jiān)測管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫與模型庫由各級洪水預(yù)報調(diào)度、水情自動遙測、氣象自動采集、水庫日常調(diào)度、雨水情自動采集、歷史數(shù)據(jù)管理與查詢、水庫數(shù)字三維模型、大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)共同提供支持。其承擔(dān)各智能節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄，同時為管理人員提供各種數(shù)據(jù)查詢、信息綜合分析以及水壩運(yùn)行三維數(shù)字模型的構(gòu)建等重要任務(wù)。我們采用雙閉環(huán)的網(wǎng)絡(luò)，并配合智能型以太網(wǎng)控制器CFP-2020（配有大容量的存儲器）為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供雙重保證。

圖5 數(shù)字化水壩數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與模型系統(tǒng)

　　其它子系統(tǒng)的構(gòu)建同樣以提高監(jiān)測精度以及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，易操作與維護(hù)簡便為目標(biāo)，與大壩形變監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)思想基本相同。
　　數(shù)字化大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)的各個監(jiān)測工作站采用普通PC機(jī)以以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式或無線連接的方式連接在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，這些監(jiān)測工作站廣泛的分布在政府、大壩安全技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)、流域管理部門和大壩安全監(jiān)測現(xiàn)場，為各級部門和機(jī)構(gòu)實(shí)時地提供監(jiān)測信息，為大壩的安全運(yùn)行提供有力的決策依據(jù)。

系統(tǒng)測試與實(shí)際應(yīng)用
　　為了驗(yàn)證此數(shù)字化大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，對某水電站大壩進(jìn)行了局部測試，系統(tǒng)在測試過程中表現(xiàn)出令人滿意的效果，圖6顯示了測試中一個監(jiān)控站上的實(shí)際信息，此次測試整個系統(tǒng)共運(yùn)行了5天，并與水壩內(nèi)原有的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了對比，這套基于LabVIEW和NI的Compact FieldPoint表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，原有的監(jiān)測系統(tǒng)無論是在使用還是在維護(hù)方面與該基于LabVIEW的數(shù)字化水壩監(jiān)測管理系統(tǒng)都有較大差距，并且數(shù)字化大壩監(jiān)測管理該系統(tǒng)在建設(shè)費(fèi)用上只有原系統(tǒng)的2/3，操作簡便，擴(kuò)展方便，通用性強(qiáng)，管理人員對此評價較高。

圖6 數(shù)字化水壩監(jiān)測管理系統(tǒng)的監(jiān)測界面
（圖上顯示了在2004年5月11日的一次監(jiān)測時安全監(jiān)測子系統(tǒng)的檢測結(jié)果）

結(jié)論
　　基于LabVIEW的數(shù)字化大壩監(jiān)測管理系統(tǒng)中重點(diǎn)研究了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)化和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的建立，采用系統(tǒng)分析、功能對比等方法，其突出的優(yōu)點(diǎn)在于：①監(jiān)控模式采用分布式控制；②各監(jiān)控子系統(tǒng)采用簡潔的總線形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；③在分布式控制系統(tǒng)中，采用NI的具有獨(dú)立功能的智能化節(jié)點(diǎn)；④數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用分級管理模式；⑤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有開放性、可擴(kuò)充性；⑥具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，維護(hù)簡便；⑦從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和建設(shè)費(fèi)用等多方面綜合考慮，系統(tǒng)適當(dāng)?shù)募尤肴哂嘣O(shè)計(jì)，有效的保證了系統(tǒng)的可靠性；⑧便于和NI的其他軟硬件結(jié)合起來，構(gòu)建功能更加強(qiáng)大、完整的測量系統(tǒng)，便于形成標(biāo)準(zhǔn)化，有效的加快我國水電事業(yè)數(shù)字化建設(shè)的步伐。