水库大坝结构自动化监测
随着时间推移，从客观实际出发水库大坝结构、气象水文条件、地质环境条件均会发生一定程度的变化，为保障水库、大坝运行安全，开展相应的安全监测预警工作提供技术和决策支持，显得尤为重要和紧迫；再者，我国 95%的水库为小型水库，量大面广，基本为县级政府或乡镇村组所有，由于大多数地区基层力量薄弱，小型水库管护能力和水平较低，难以实现统一规范管护。为此，在物联网传感、通讯技术、信息技术取得长足发展并日臻成熟的背景下，开展自动化、信息化、标准化的安全监测预警工作，更有利于水库大坝日常巡查、维修养护、安全监测、调度运用工作的开展。
基于行业发展历程及发展趋势，水库大坝安全监测其内涵有所转变，从坝体结构运行状态监测为主转变为坝体运行状态、库区水雨情、水文、水质以及地质环境监测等方面，从单纯的服务于技术管理向服务综合管理转变。
1.1 执行的技术标准和规范性引用文件
1） 技术标准
（1） 《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）
（2） 《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）
（3） 《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）
（4） 《混凝土坝安全监测技术规范》（SL601-2013）
（5） 《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）
（6）《工程测量规范》（GB50026-2007）
（7） 《全球定位系统(GPS)测量规范》（GB/T18314-2009）
（8） 《明渠堰槽流量计》（JJG711-90）；
（9）《水位观测标准》（ GB T 50138-2010）
（10） 《公共安全视频监 控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》（GB/T28181-2016）
（11） 《水利视频监视系统技术规范》(SL 515-2013)
（12） 《通信用太阳能电源系统》（GB/T 26264-2010）
（13） 《外壳防护等级（IP 代码）》（GB 4208-2008）
（ 14 ） 《电工电子产品环境自然环境条件温度与湿度》（GB4797.1-2005）
（15）《通信电源设备的防雷技术要求》（YD/T 944）
（ 16 ） 《信息安全技术网络基础安全技术要求》（ GB/T 20270-2006）
规范性引用文件
（1） 《国务院办公厅关于切实加强水库除险加固和运行管护工作的通知》（国办发〔2021〕8 号）
（2） 《小型病险水库除险加固项目管理办法》（水利部 2021
年 10 月 19 日）
（3） 《小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行管理办法》（水利部 2021 年 10 月 19 日）
（4） 《水库大坝安全鉴定办法》（水利部）
（5） 《坝高小于 15 米的小（2）型水库大坝安全鉴定办法（试行）》（水利部）
自动化监测技术方法
如今的水库大坝安全监测手段还主要停留在人工采集数据的传统阶段，但是由于其监测范围小、工作量大、效率低，采用传统人工方式进行监测的次数有限，也即存在较大的时间域空白，无法获取水库大坝营运期间的实时动态数据，不能实时掌握水库大坝安全状况，因此无法对水库大坝运营提供实质的帮助。
近年来，自动化监测技术逐步成熟，水库大坝自动化、信息化、标准化安全监测可实施性增强，其主要特点如下：
自动化采集传输：通过在大坝监测点布设监测终端设备，采用北斗+4G/5G 网络部署方式，各类监测站点设备可根据预置的监测频率自动完成数据的采集和传输，建立自动化监测系统及工作机制，能有效提升监测效率和管理水平。
智能化在线分析：水库大坝自动化监测系统可根据监测参数，进行智能在线分析，计算出三维位移分量及各向变形速率，自动生成变形历史曲线、变形分布图和多因素相关图，并且定期生成大坝变形数据分析报告、三维向量分析报告，以供监管方掌握关键的安全指标，为大坝安全管理提供决策支持。
多功能预警报警：大坝一旦发生严重的变形，将造成严重的安全事故和巨大的经济损失，系统的建设具备风险自动报警功能，当监控参数超限，系统能够自动进行声光报警、短信报警、邮件报警，提醒
相关人员采取措施，预防事故发生。
2.1 监测技术方法新要求
《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）对监测自动化系统规定的原文如下。
8.1.1 需要进行高频次监测或监测点所在部位的坏境不允许、人工监测难以胜任的监测项目，以及需要实施现代化管理的工程，应实施自动化监测。
8.1.2 监测自动化系统设计原则应为“实用、可靠、先进、经济”，仪器设备在满足准确度的前提下，系统结构力求简单、稳定、维护方便，易于改造和升级。
8.1.3 监测自动化系统由监测仪器、数据采集装置、通信装置、计算机及外部设备、数据采集和管理软件、通信和电源线路等部分组成。
在过去的许多年中，行业内总是将观测资料交由专职单位去分析，该法花费大量的时间，不利于及时有效地掌握大坝性态和进行最优的运行调度。同时，一般单位的资料分析总是在建立数学模型(特别是统计模型)的基础上，缺乏与具体大坝的联系及与设计标准(稳定、强度)的比较，也不利于监测技术的提高。通过以上可知，大坝安全监测实际上是一种管理，包括信息采集、处理、结论的得出、措施的制定、信息的反馈，其根本目的是为了工程效益。综合起来可以得出如下几点：
（1） 大坝安全监测范围空间上应包括梯级水库；时间上应从设计开始。大坝安全监测内容应包括与大坝安全有关的泄洪及机电设备；
（2） 大坝安全监测应与气象、水情、洪水预报及水库调度结合起来，使之成为水库运行调度决策支持系统的一部分，真正为工程效益的最大化服务；
（3） 大坝安全监测应将大坝安全评估与设计标准、设计参数(如安全系数，可靠度指标)等指标结合起来，充分利用大坝安全定检的成功经验和方法，从而易于理解、掌握和应用；
（4） 大坝安全监测应充分利用科技进步，走向即时化、智能化、网络化。总之，大坝安全监测就是利用一切手段，确保大坝以较少的投入来保证长期、稳定、安全的运行，实现效益的最大化。
目前代表性的自动化监测技术方法为基于 GNSS 精密定位的绝对位移监测法，GNSS 精密定位技术已在大地测量、地壳形变监测、
精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及。与观测边角相对几何关系的传统测量方法相比，GNSS 监测具有很大的优点。它可以实现高度自动化，大大减轻外业强度，同时又能够迅速得到高效可靠的三维点位监测数据。
GNSS 用于形变监测，监测的区域一般不是很大，但变形监测点
布设比较密集。当GNSS 用于大坝形变监测时，往往是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点，在远方距离监测点合适的位置
（如稳固的基岩上）建立基准点。在基准点架设GNSS 接收机，根据其高精度的已知的三维坐标，经过几期观测从而得到变形点坐标（或者基线）的变化量。根据观测点的形变量，建立安全监测模型，从而分析大坝的变形规律并实现及时的反馈。事实上，为了建立一个更接近实际情况的安全监测模型，合理密集分布监测点是需要的。
大坝在短时间内不会出现很大的位移，要通过观测整体的微小变形量，构造统计分析模型，预测变形体长期的变化趋势，为以后的分析决策提供依据。为了进行形变分析，需要获得监测点高精度位置坐标数据，通常要求监测点的观测数据达到毫米级的精度，随着北斗三代卫星系统建成并投入使用，GNSS 定位精度有了大幅提高，已达到水平 2.5mm+0.5ppm，高程 5mm+0.5ppm 的定位解算精度，再加上其全天候作业的特点不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将 GNSS 信号传输到控制中心，实现数据自动化传输、管理和分析处理。这是GNSS 定位技术应用于大坝变形观测的关键。
除GNSS 精密定位技术外，多种类、多功能的监测传感器也取得了快速发展，可以实现坝体多参数全方位自动化采集传输。将多支固定式测斜仪串联装在测斜管内，通过装在每个高程上的倾斜传感器，测量出被测结构物的倾斜角度，依次将结构物的变形曲线描述出来，同时其测值可计算出测杆标距长度的水平位移，以此反应坝体的内部位移情况，具备连续自动测量功能，测量数据自动换算物理量，实时同步云平台等功能。采用钻孔安装渗压计的方法来实现坝体孔隙水监测，用于获取坝体断面上的压力分布与浸润线位置确定，具备智能识别参数、智能故障诊断、云平台手机端对接功能。通过磁致式沉降仪可以实时测量坝体内部竖向位移变化，量水堰计适用于长期测量坝体堰槽、坝体测压管等的水位，是监测水位变化稳定性好的监测设备，信号可接入分布式模块化自动测量单元或直接接入计算机，实现水位变化的自动监测。振弦式测缝计可用于长期布设在大坝混凝土结构物或其它材料结构物内及表面上，测量结构物伸缩缝或周边缝的开合度 (变形)，实现大坝伸缩缝或周边缝变化的实时监测。
2.2 代表性技术方法原理
2.2.1 北斗沉降和水平位移监测
采用北斗/GNSS 定位技术方法实现沉降和水平位移监测，实质上观测各监测点位的绝对位置变化过程。
北斗/GNSS 定位基本原理：其本质为空间距离后方交会，即已知
北斗/GNSS 卫星位置，监测点位置为待定点，二者通过彼此间的空间距离建立联系，通俗理解该空间距离由卫星信号传播速度乘以传播时间得到，而传播时间为信号发出时刻与接受时刻之差，由于二者分别由原子钟和石英钟测得，二者测时精度相差甚远，故信号传播时间△ T 与监测点位置（X,Y,H）均视为未知数，为此至少必须同步观测 4颗卫星才具备解算条件，同时考虑各类误差源对定位精度的影响，实际作业中观测卫星数应远大于 4 颗，以便开展平差计算，提升观测精度。
北斗/GNSS 形变监测原理：鉴于形变监测精度要求高，为此不能采用简单的单点定位方法，北斗/GNSS 形变监测采用载波差分算法
（站间、星间各求一次差分），该算法消除了卫星钟差、电离层折射、对流层折射、卫星轨道误差以及接收机钟差的影像，实现 mm 级高精度形变监测（见图 1），其简明工作流程如下：
（1） 基准站和监测站接收卫星信号，并将接收到的信号调制成原始差分数据；
（2） 接收机通过数据传输模块利用 4G/5G 网络实时传输至云端数据处理中心；
（3） 数据处理中心对数据进行解码、解算、平差及精度评定；
（4） 数据处理中心输出解算成果至应用端软件平台，根据不同行业需求进行专业化展示。
其工作原理为：基于空间位置已知的卫星定位系统、采用空间后方交会基本原理，实现地面用户终端设备的绝对定位。现场部署的接收机终端，按照既定采集、传输频率将观测数据远程无线传输至监测中心（一般为云端接收存储），监测中心对观测数据即时分析处理，供相关技术、管理部门使用。从数据流程及功能划分角度，可将整个监测系统划分为空间部分、地面基准站部分、监测终端三大部分。
2.2.2 深层水平位移监测
项目实施拟采用固定测斜技术手段，实现分层水平位移监测。 传感系统构成：由角度传感器组件、处理芯片及信号调理电路、
485 数据接口等、不锈钢封装及安装接口、数据输出导线等组成。倾角传感器采用瑞典出厂的双轴高精度倾角传感封装而成，具有高分辨率，低噪声，工作温度范围宽，长期稳定性好等显著特点。
特点：传感器采用差分信号输出，提高了产品的灵敏度，并显著减小共模噪声。电路中采用 16 位精密的连续自校准的A/D 转换器，充分保证倾角传感器的精度。特别指出的是在 485 输出接口加有浪涌吸收电路，防止雷电感应、静电脉冲，同时对接口的热拔插起到了很好的保护作用，传感器更加稳定、可靠。
配置产品17850532774
无线4g倾斜传感器(内置电池)
S-CGOF 我司生产的4g无线倾斜传感器，基于低功耗自动无线联网的功能，实现一设备多年使用，内置电池，无需外置太阳能供电... ...
S-CGRA空气质量监测系统
空气质量在线监测系统主要由颗粒物测量装置、气体监测模块、数据采集与无线传输单元 组成，结合监控 平台软件，可实现... ...
相关方案
