一、大壩安全監(jiān)測儀器的發(fā)展
1．變形監(jiān)測儀器的發(fā)展
混凝土大壩上采用正、倒垂線為基準來監(jiān)測大壩的豎向和水平位移，包括撓度。觀測儀器多采用垂線坐標儀、引張線儀、靜力水準儀等。近年來，這些傳統(tǒng)的觀測儀器得到了很大的發(fā)展，主要體現(xiàn)在精度的提高（由原來的1mm級提高到0．1mm級）和遙測自動化的日臻完善和可靠性的不斷提高。
遙測垂線坐標儀已經(jīng)從接觸式發(fā)展到非接觸式，非接觸式儀器已從步進馬達光學跟蹤式發(fā)展到CCD式和感應(yīng)式。感應(yīng)式遙測垂線坐標儀的顯著特點是技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、防水防潮性能優(yōu)越等。非接觸式遙測坐標儀目前主要有差動電容感應(yīng)式、電磁感應(yīng)式、變磁阻感應(yīng)式、CCD（電荷耦合）式和步進馬達式等，國內(nèi)廠家也已達到很高的水平。
遙測引張線儀主要有步進電機光電跟蹤式、電容感應(yīng)式、電磁感應(yīng)式和CCD式引張線儀。引張線的自動化測量是近年來我國發(fā)展最快、效果最好的領(lǐng)域。
遙測靜力水準儀近年來得到了較快的發(fā)展，以前多是采用進口儀器，近年來國內(nèi)已有多種原理的靜力水準儀。靜力水準儀是應(yīng)用連通管原理測量測點間的相對位移。一側(cè)沉降將引起浮子升降，通過各種量測技術(shù)來測量浮子的升降，從而觀測點間的相對位移。目前主要有電容感應(yīng)式、差動變壓器位移傳感器式、步進馬達式和鋼弦式等靜力水準儀。
2．光纖傳感器的發(fā)展
光纖傳感器是新近發(fā)展起來的體積小、精度高、不受電磁干擾、抗腐蝕性環(huán)境的傳感器，可用以測量溫度、位移、應(yīng)變、壓力等物理量。該新型儀器最大的優(yōu)點是不受電磁干擾，目前防雷抗干擾已經(jīng)成為我國大壩安全監(jiān)測自動化中最為棘手的問題。光纖傳感器的使用為徹底解決防雷抗干擾的問題創(chuàng)造了條件。
盡管光纖傳感器在國內(nèi)水利工程上的應(yīng)用尚處于起步階段，但由于其他傳感器無法比擬的優(yōu)越性，將使其具有十分廣泛的應(yīng)用潛力，獨領(lǐng)風騷幾十年的發(fā)展前景可能成為不遠的現(xiàn)實。以加拿大ROCTEST公司為例，他們開發(fā)的能用于水利工程的傳感器已十數(shù)種且逐步系列化，分辨率0.1℃的溫度傳感器、精度達0.02mm的位移計、0.1%F．S．的壓力傳感器等已成功應(yīng)用于水利工程。國內(nèi)此方面的研究和研制也已起步，四川大學、長江科學研究院、武漢水利電力大學的有關(guān)研究論文近年來也在各專業(yè)期刊可見。
3．差動電阻式傳感器的發(fā)展
差動電阻式傳感器近年來解決了長導(dǎo)線電阻、總線電阻變差對測值的影響，并實現(xiàn)自動化遙測，得到很大發(fā)展。盡管其他儀器的發(fā)展和進步，已在某些方面對差阻式儀器的應(yīng)用產(chǎn)生影響，但從國內(nèi)工程已經(jīng)使用萬支級的絕對數(shù)量上看，差阻式儀器的自動化測量仍具有重大意義。目前差阻式儀器由3線制改為5線制測量方式，儀器電阻、電阻比測量精度、遙測距離、抗干擾能力均優(yōu)于國外廠家，處于國際先進水平。
4．弦式傳感器的發(fā)展
國內(nèi)開發(fā)研制弦式儀器已有40多年的歷史，隨著大壩監(jiān)測自動化的發(fā)展，弦式傳感器近年也取得一些進步，且品類、系列較齊全，但與國外同類產(chǎn)品相比，仍有一定的差距。至2001年，弦式儀器精度、性能、外觀都有較大的改觀，僅從精度上講，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品能夠達到≤1%F．S．，比1992年頒布的“巖土工程用鋼弦式壓力傳感器”（GB/T13606－92）規(guī)定的2.5%F．S．，綜合誤差相比，已有較大的提高；同時，大多傳感器已增加測溫功能和對其進行溫度補償修正，率定精度也有所提高。現(xiàn)已有一些廠家通過了ISO9002質(zhì)量體系認證。
二、大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
我國大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)研究工作是從上個世紀80年代初起步的。近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)也得到了長足的發(fā)展。
目前，比較有代表性的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)有南京南瑞公司開發(fā)的DAMS－Ⅳ大壩監(jiān)測系統(tǒng)、南京水文自動化研究所開發(fā)的DG型大壩監(jiān)測系統(tǒng)、南京水利科學研究院開發(fā)的IHSMS－Ⅰ大壩監(jiān)測系統(tǒng)、南京自動化設(shè)備總廠開發(fā)的FWC2000大壩監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的共同特點是：
1.分布式的體系結(jié)構(gòu)
采用分布式的結(jié)構(gòu)，測量控制單元可以安裝靠近傳感器的地方，傳感器的信號可以不需要傳輸較遠的距離，信號的衰減和外界的干擾可以大大減輕，系統(tǒng)既適合于傳感器分布廣，分布不均勻，傳感器數(shù)量多、種類多、總線距離長的大中型工程自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，也適合于傳感器數(shù)量少的小型工程的自動化監(jiān)測系統(tǒng)中。
2.模塊化
系統(tǒng)由以前的專用型變成了通用型。根據(jù)功能的不同，開發(fā)不同的功能模塊。DAMS－Ⅳ系統(tǒng)根據(jù)測量傳感器的類型的不同，開發(fā)了振弦式、電感式、電容式，卡爾遜式等模塊，DG系統(tǒng)也開發(fā)了包括步進式在內(nèi)的模塊，系統(tǒng)可以通過搭積木的方式，組建滿足要求的系統(tǒng)，而IHSMS－Ⅰ系統(tǒng)則采用內(nèi)部功能模塊化、傳感器接口模塊化的思想，將系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊化，開發(fā)了弦式功能模塊、模擬量功能模塊、通信功能模塊等，接口模塊根據(jù)傳感器的類型，開發(fā)了相應(yīng)的接口模塊，接口模塊不具有測量功能，這樣保持系統(tǒng)測量的一致性。
3.通信方式多樣化
通信方式一般包括有線、無線、衛(wèi)星、電話線、光纖等。一般系統(tǒng)提供兩種或兩種以上的通信方式，為系統(tǒng)的組網(wǎng)提供了比較大的便利，目前很多工程采用光纖通信，不僅提高了通信速率，也提高了系統(tǒng)抗電磁干擾能力和抗雷擊能力。
4.供電方式多樣化
系統(tǒng)致力于提高性能，設(shè)計了各種電源管理電路，可以利用交流電、直流電、蓄電池、太陽能供電，在土石壩方面，目前更傾向于采用太陽能供電，擺脫交流電帶來的各種干擾，因此必須更進一步降低系統(tǒng)功耗。
5.防雷抗干擾能力得到加強
自動化系統(tǒng)建設(shè)的初期，很多系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定、損壞，甚至癱瘓都是由于抗干擾能力不過關(guān)，防雷擊性能不夠造成的，通過近幾年的研究和經(jīng)驗的積累，系統(tǒng)從設(shè)計、結(jié)構(gòu)、布局、元器件的篩選、通信、電源、電纜埋設(shè)等多個方面得到了改善，系統(tǒng)的可靠性得到了提高。
目前，我國開發(fā)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)雖然有了較大的提高，某些方面達到了國際先進水平，但是系統(tǒng)總體性能和國際先進產(chǎn)品相比，還存在一定的差距，特別是在可靠性和長期穩(wěn)定性方面有待進一步的提高。為了縮短與國際先進的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的差距，2002年水利部立項批準了南京水利科學研究院開發(fā)更適合我國國情、性能達到國際先進水平的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。
2001年6月，水利部發(fā)布了《大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》，這是我國大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域中對監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第一個行業(yè)標準，并于2001年12月實施。從此大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將逐步走上標準化、規(guī)范化的發(fā)展軌道。
三、大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展
目前，95%以上的水庫大壩安全監(jiān)測所得的觀測資料無法及時分析，難以及時為大壩安全服務(wù)。盡管大壩安全監(jiān)測已經(jīng)能夠做到監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集，但是監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析、大壩運行性態(tài)的實時評價還難以實現(xiàn)。如果做不到這一點，大壩安全監(jiān)測就沒有真正成為大壩安全的耳目，沒有起到應(yīng)有的作用。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，在工程技術(shù)人員和軟件專家的密切合作下，大壩監(jiān)測資料的實時分析、評價已經(jīng)可以實現(xiàn)。這樣的分析評價軟件近年來已有不少單位在研制。這是水庫大壩安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的必然方向。
2001年，南京水利科學研究院承擔的《土石壩安全監(jiān)測分析評價預(yù)報系統(tǒng)》通過了國家電力公司的驗收。該系統(tǒng)建立了土石壩安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)了對土石壩所有原始文檔（包括設(shè)計、施工、運行的有關(guān)文件）的歸檔管理，對所有原型觀測考證資料、監(jiān)測資料的整編與管理；建立了土石壩安全監(jiān)測的分析/算法系統(tǒng)；建立了土石壩安全監(jiān)測的圖形/圖表系統(tǒng)，實現(xiàn)了安全監(jiān)測資料的圖形化處理；建立了土石壩安全監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)，利用專家知識和評判理論對土石壩各種監(jiān)測資料、各類資料分析的中間結(jié)果進行綜合分析；建立了土石壩安全監(jiān)測的實時監(jiān)控平臺系統(tǒng)，能實時動態(tài)地反映監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集情況和實時監(jiān)測土石壩的運行性狀；還建立了土石壩安全監(jiān)測預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)。本專題的研究成果實現(xiàn)了土石壩安全監(jiān)測的自動化、網(wǎng)絡(luò)化，具備網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控功能，實現(xiàn)了土石壩安全監(jiān)測的專家分析評價預(yù)報，具備了可靠性、先進性、通用性和可擴充性。
2001年，南京水利科學研究院、水利部大壩安全管理中心承擔的國家防汛指揮系統(tǒng)的《大壩安全管理信息系統(tǒng)示范項目》完成，通過了國家防辦的驗收。該管理信息系統(tǒng)的近期目標是在項目實施的5年左右的時間里完成已建的8座水利部直屬水庫監(jiān)測設(shè)施的更新改造及其大壩安全管理信息入網(wǎng)，在建的部直屬水庫萬家寨、小浪底、三峽大壩安全管理信息入網(wǎng)。遠期目標要將現(xiàn)場監(jiān)測站擴大至對全國防汛有重大影響的200座重要大中型水庫。該系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、安全評價系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)和信息服務(wù)系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，建設(shè)了本示范項目需要的大壩中心局域網(wǎng)及網(wǎng)站；實現(xiàn)了水庫到大壩中心的觀測數(shù)據(jù)自動采集、傳輸，入庫；初步建設(shè)了兩示范水庫的工程資料之工程概況、監(jiān)測資料庫及圖形庫，完成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)；初步建立了依據(jù)監(jiān)測資料分析而做的安全評價系統(tǒng)；初步建立兩水庫工程資料、監(jiān)測資料圖形及安全評價的信息服務(wù)系統(tǒng)。在《大壩安全管理信息系統(tǒng)》項目實施后，該系統(tǒng)可以向水利部建設(shè)與管理司、國家防辦實時提供大壩的安全信息和評價結(jié)果，供決策參考。
四、大壩安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的展望
水庫在減災(zāi)防災(zāi)中起了十分重要的作用，汛期錯峰削峰，旱季供水、灌溉。在水資源日益緊缺的今天，如何在現(xiàn)有工程前提下，利用非工程措施，達到最大的防洪效益和供水效益，是水庫調(diào)度中值得研究的一個重要問題。目前，正在研究采用動態(tài)汛限水位來爭取最大的蓄水效益。汛期的汛限水位可根據(jù)水情、雨情、中長期流域天氣預(yù)報和大壩工作性態(tài)來動態(tài)調(diào)度。提高汛限水位，意味著可能逼高洪水位，加重大壩負擔。因此，需要隨時了解大壩性態(tài)，在大壩安全的前提下進行汛限水位的動態(tài)調(diào)度。對于我國這樣水資源緊缺且分布不均勻，這樣的研究是極有意義的。這項研究必須考慮水、雨情、工情的監(jiān)測自動化，而以往水情和工情自動化是分別考慮的。生產(chǎn)實踐對我們提出了更高的要求，我們不但要實現(xiàn)水庫大壩安全監(jiān)測的自動化，還應(yīng)該進一步實現(xiàn)集水情、工情和閘門監(jiān)控于一體的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，為水庫更科學的調(diào)度提供決策依據(jù)。
