基于LabVIEW的數字化大壩監測管理系統

Digital Dam Monitor & Management System
Based on LabVIEW

作者：李亞奎¹ 李亞偉²
工作職務：在讀本科生¹ 博士研究生²
機構名稱：武漢理工大學自動化學院¹ 大連理工大學土木水利學院²

應用領域： 工業自動化

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

挑戰：利用NI 公司的軟硬件產品設計一個高度智能化的水庫大壩監測管理系統，由它來完成對水庫、大壩全方位的準確、及時的監測，改變傳統的監測管理模式，實現對大壩監測的高度數字化的管理。

應用方案：應用美國NI公司的虛擬儀器技術，采用PXI系統，以LabVIEW 6i為開發平臺，建立起了功能強大的水庫、大壩監測管理系統。

介紹
　　當前，水資源在全球資源結構中的重要地位日益突現，水庫大壩的安全監測和穩定運行顯得更加關鍵。隨著計算機和網絡技術的飛速發展，以及NI的產品在數據采集、分析和儀器控制等方面的優秀表現，使建立數字化大壩監測管理系統成為可能。本文采用NI的LabVIEW、分布式I/O產品（Compact FieldPoint）等構建集變形、應力和沉降監測、安全評估等多方位的分布式數字化大壩監測管理系統，充分發揮LabVIEW強大的人機交互功能。實現監測大壩的應力變化以及三維變形，根據應力變化以及變形情況預測未來趨勢，對大壩的安全進行評估。具有實用性強、性能穩定、運行可靠的優點，可以有效的改變當前傳統的監測管理模式，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.

　　當前我國絕大多數的水庫運行管理中，依然采用傳統的監測設備與管理模式，其缺點日益暴露：設備成本居高不下，維護難度大，設備通用性差。本文建立了數字化大壩監測管理系統能對水庫大壩進行實時地監測管理，通過對監測數據采集、分析、處理、查詢，掌握水庫大壩的實時運行狀況，及時發現異常情況并采取措施。此外監測管理系統具有廣泛的適應性、較強的通用性、運行可靠、維護簡便、建設費用合理，可從根本上改變傳統的監測管理模式。本系統監測設備主要由美國國家儀器的嵌入式實時PXI控制器、分布式I/O系統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過優化組網構成，監控軟件由NI的LabVIEW 6i生成，其人機交互功能強大。

監測管理模式的選擇
　　目前，國內外多數監測系統采用集中控制模式和分布式控制模式兩種，也有一部分系統是二者兼有的混合型。
　　集中控制模式的監測系統主要是由工業計算機作為中央控制裝置配合監測設備共同組成。它可以實現對被測對象的數據采集、分析、處理、數據存儲、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控設備之中。但是集中控制模式的監測系統有其固有的缺陷：系統軟件開發難度大，人機交互功能不強，通用性差，硬件設備故障集中，隨監測對象的增加系統處理速度急劇下降，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控系統，監測對象眾多，形式多樣，用集中控制模式的系統在國內外成功的案例較少，因而不適應于開發數字化水壩監測管理系統。
　　分布式控制系統由集中操作管理單元、分布的測控單元和通信網絡構成。它是在網絡技術、大規模集成電路和嵌入式技術的基礎上發展起來的，其主要特點有：可將復雜的系統分解為相對簡單的獨立模塊，系統層次清晰。本系統在建設初期對監測系統進行分解時采用了優化的遺傳算法，對整個系統進行了優化分解，監測任務合理分配，有效的提高了系統的運行速度，數據采集由分布在監測現場附近的高精度傳感元件配合智能節點（本文使用美國國家儀器的Compact FieldPoint CFP-2020等）來承擔，有效的提高了測量精度。
　　數字化大壩監測管理系統涉及的各智能節點（CFP-2020與多個智能化的I/O模塊組成）與上位機（嵌入式實時PXI控制器PXI-8146 RT、PXI-1006、PXI-8211、NI 4351等組成）之間的數字信號通訊采用以太網傳輸，抗干擾能力強，各通訊接口的硬件(物理層)和軟件(通訊協議)都采用NI的產品，消除了兼容性的問題，各種硬件執行標準統一，信號傳輸可靠，單個故障不會嚴重影響系統正常運行，并且容易維護，另外，本文涉及的監測管理系統適應能力強，可根據現場的要求，靈活配置各智能節點的位置與數量，中央控制單元只需要對各個智能節點傳來的數據進行接受和處理即可，有效的減輕了主機的負擔。總之，分散式的監測控制模式以后必將會成為水利工程的一個最佳選擇。

數字化水壩監測管理系統的主體構成
　　監測管理系統的網絡結構合理、層次簡明是十分重要的，如圖1所示，在數字化水壩監測管理系統分為三個子系統，即水力學監測子系統，動力學監測子系統，安全監測子系統，對于某些重要的監測對象（如位移、滲流、應力應變異常、滲壓等信息），本系統采用專項監測，便于監測系統迅速地反映水庫運行中出現異常時的信息，有利于及時采取措施。

圖1 數字化水壩監測管理系統主要組成

大壩變形監測網絡的構建
　　為實現大壩的數字化監測與管理，我們拋棄傳統的監測檢測方式，采用美國國家儀器的分布式I/O系統（CFP-2020、cFP-TC-120、cFP-AI-110、DI-301、cFP-BP-4、CB-37FV和帶電纜DIN螺絲導軌）配合光纖傳感器實現高精度快速的監測，圖2、圖3、圖4分別描述了數字化水壩形變監測網絡的架構圖。

圖2 數字化水壩壩體形變監測網絡框圖

圖3 數字化水壩壩體水平形變監測組成

圖4 數字化水壩壩體垂直形變監測組成

　　大壩形變監測采用陣列式光纖和高精度應力應變傳感器，配合分布式I/O系統，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保證了系統的監測精度；智能型以太網控制器CFP-2020位系統提供了強大的網絡交換功能，保證了數據存儲的安全性。在變形監測網中基準網的構建由建立在基巖上的監測點組成，用于測量變形體上目標點的“絕對”變形。基準網的精度直接影響著對大壩變形監測的實時性和準確性，為保證監測的實時性和準確性NI的分布式I/O系統毫無疑問的成為我們的最佳選擇。為形象地反映大壩實際形變，在監測網絡構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垂直形變進行實時監控，并根據大壩混凝土和基巖特性，編制相應的有限元程序，根據程序處理結果，鏈接模型庫，并構建大壩三維監測模型，從而給決策者提供快捷、有效的決策信息。

數據庫與模型庫的組建
　　數據庫與模型庫的建設直接關系到系統運行的可靠性與穩定性,該監測管理系統的數據庫與模型庫由各級洪水預報調度、水情自動遙測、氣象自動采集、水庫日常調度、雨水情自動采集、歷史數據管理與查詢、水庫數字三維模型、大壩安全監測數據采集與數據綜合分析系統共同提供支持。其承擔各智能節點傳輸的監測數據的記錄，同時為管理人員提供各種數據查詢、信息綜合分析以及水壩運行三維數字模型的構建等重要任務。我們采用雙閉環的網絡，并配合智能型以太網控制器CFP-2020（配有大容量的存儲器）為系統穩定運行提供雙重保證。

圖5 數字化水壩數據庫系統與模型系統

　　其它子系統的構建同樣以提高監測精度以及系統運行可靠性，節約系統建設費用，易操作與維護簡便為目標，與大壩形變監測網的建設思想基本相同。
　　數字化大壩監測管理系統的各個監測工作站采用普通PC機以以太網的組網方式或無線連接的方式連接在監測網絡中，這些監測工作站廣泛的分布在政府、大壩安全技術監督機構、流域管理部門和大壩安全監測現場，為各級部門和機構實時地提供監測信息，為大壩的安全運行提供有力的決策依據。

系統測試與實際應用
　　為了驗證此數字化大壩監測管理系統的實際運行狀況，對某水電站大壩進行了局部測試，系統在測試過程中表現出令人滿意的效果，圖6顯示了測試中一個監控站上的實際信息，此次測試整個系統共運行了5天，并與水壩內原有的監測系統進行了對比，這套基于LabVIEW和NI的Compact FieldPoint表現出明顯的優勢，原有的監測系統無論是在使用還是在維護方面與該基于LabVIEW的數字化水壩監測管理系統都有較大差距，并且數字化大壩監測管理該系統在建設費用上只有原系統的2/3，操作簡便，擴展方便，通用性強，管理人員對此評價較高。

圖6 數字化水壩監測管理系統的監測界面
（圖上顯示了在2004年5月11日的一次監測時安全監測子系統的檢測結果）

結論
　　基于LabVIEW的數字化大壩監測管理系統中重點研究了系統結構層次的構建、網絡結構模式的優化和數據管理系統總體結構的建立，采用系統分析、功能對比等方法，其突出的優點在于：①監控模式采用分布式控制；②各監控子系統采用簡潔的總線形網絡結構；③在分布式控制系統中，采用NI的具有獨立功能的智能化節點；④數據庫系統采用分級管理模式；⑤系統結構具有開放性、可擴充性；⑥具有強大的人機交互界面，維護簡便；⑦從系統的穩定性和建設費用等多方面綜合考慮，系統適當的加入冗余設計，有效的保證了系統的可靠性；⑧便于和NI的其他軟硬件結合起來，構建功能更加強大、完整的測量系統，便于形成標準化，有效的加快我國水電事業數字化建設的步伐。