水库大坝安全智能监测系统.docx

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水库大坝安全智能监测系统

水库大坝安全智能监测系统

1.建设目标

建立对大坝安全监测各项指标的评价标准，并在此基础上对大坝进行综合评价，回答大坝安全与否这一关键问题。

其次，实现对各类监测数据自动采集和实时处理，根据监测数据和评价结果对大坝安全状态进行实时预警。

将牵涉到大坝安全的各类数据通过构建统一的数据库进行存储，并通过统一的系统进行调用和管理。

基于此，针对水库砌石拱坝这一特定坝型，在大坝安全智能监测系统中，应用前沿分析技术和经典方法相结合对大坝安全进行综合诊断，通过实施先进的监测手段和设备，提升对大坝安全状态的感知能力，并将系统高度集成，采用独立编码开发，通过对最新算法进行编程，实现核心技术的领先目标，建立一套适合本工程的大坝安全监测预警和实时安全评估系统，争创全国领先水平。

同时，通过监测设备标准化拟定、底层数据库规范和技术指标构建、预留开放式系统接口等措施，实现本项目的可推广性，为福建省推广应用该类系统提供引领示范。

2.建设任务

丄建设大坝安全监测系统监测设备

补充完善水库大坝坝前水温、坝体位移、大坝应变等监测设施,实现数据实时采集处理，并能进行实时分析，实时评价水库大坝。

实现水库大坝安全监测信息化、智能化的要求。

丄建立大坝综合评价系统

现有大坝安全监测项缺乏对监测值的评价标准和综合判断。

针对砌石拱坝这一特定坝型的大坝完全监测问题，综合拟定坝体监测项的监控指标，对大坝实时运行情况进行动态评估，评价内容包括位移测值、趋势判断、裂缝计开度变化等控制指标，通过对异常项数的统计给出整体大坝安全度评价标准，并可按时、按需输出系统监测报告,建立一套适合本工程的大坝安全综合评价系统。

丄大坝安全监测信息集成系统建设

基于分布式数据库、时序数据库、空间数据库、数据仓库等数据库领域与构建技术，建立监测数据、业务数据、基础数据、空间数据、标准库、模型库等大数据方案的主题数据库。

实现大坝安全数据的存储、快速访问、计算与分析挖掘，最终在此基础数据库层面上，建立一套大坝安全管理规范框架结构和技术标准解决方案，实现多元数据融合应用，切实提高水库数据运行效率。

£建设基础支撑系统

建设大坝数据中心库、视频监控与大坝巡检、大坝安全信息化三维模块展示系统以及配套的相应的软硬件配套设施，调度中心、机房及会商视频环境改造等。

£水库防雷接地升级改造

对水库、启闭机房、调度大楼防雷接地进行升级改造，包括电源线路电涌保护、信号线路电涌保护、监控线路电涌保护、智能电涌（雷电）防护监测管理系统和等电位接地改造等。

3・总体框架

按照大坝自身特点和最新大坝安全监测相关规范要求，贯彻目标导向和问题导向，充分利用国内外最新先进实用可靠的大坝监测新技术新手段，通过增设自动监测设备并对原有监测项目进行改造升级,建立水库大坝安全的评价准则，实现从人工监测、自动监测到智能监测的提升，达到对大坝安全性态的实时监测、评价和预警，为大坝的安全蓄水、安全防汛服务。

大坝安全智能监测系统建设拟实现的功能:

1实现对坝体表面位移、大坝裂缝、绕坝渗流、大坝应变等监测重要运行数据的实时采集、传输、计算、分析，实时掌握大坝运行状况；

2直观显示坝体表面位移、大坝裂缝、绕坝渗流、坝肩渗漏量等监测内容的实时状态，历史数据查询和当前数据展示，为相关人员提供简单明了，直观有效的信息；

3一旦出现异常情况，坝体表面位移、大坝裂缝、绕坝渗流、大坝应变等超限，可以通过大屏监测点颜色闪烁提醒、短信发送相关人员提醒，及时响应。

4系统采用B/S软件架构，建立一套大坝安全管理规范框架结构和技术标准解决方案，为系统推广应用提供技术标准和规范框架。

水库大坝安全智能监测系统整体框架，由感知层、传输层、基础设施层、数据中心、应用层、门户六个层次及标准规范和信息安全两大体系组成。

总体架构依据目前最新的信息化技术，同时兼顾未来的技术发展，保证技术的可持续演化，使得系统具备良好的实用性、先进性、扩展性、移植性及开放性。

（1）门户

门户是整个的统一入口，包括统一的PC、移动门户及大屏等，为流域和大坝管理机构提供个性化的定制门户。

（2）应用层

应用层包括业务应用和展示，业务应用分别按三维信息化模块、大坝安全监测分析预警模块、数据中心库模块、设备及人员管理模块和大坝设备自动控制模块等提供各类应用系统，满足管理机构的管理需求。

基于BIM+WebGIS对库区及大坝三维信息数据、监测数据、预警预报数据、分析结果、调度指挥应用进行展示。

应用层中嵌套重点的大坝安全智能监测模型层，包括多元非线性回归、机器学习、人工智能算法模型等监测数据分析方法来判别大坝的安全状况以及应急处理预案模型。

（3）数据中心

数据中心是通过对水库数据资源的全面梳理，整合水库、水利部门及相关单位的数据，充分共享社会信息（地理空间信息和资源信息等），构建形成省水库大坝安全智能监测综合数据库：

包括监测数据主题库、业务数据主题库、基础数据主题库、空间数据主题库、标准库、模型库等，同时结合关系型数据库和大数据库两类数据库管理软件形成综合数据库的存储、管理容器，为公共服务创新及科学决策提供支撑。

（4）基础设施层

基础设施层包括中控机房、支撑环境设施和基础设施。

中控机房由机架式标准机柜平台、展示系统和监控系统三大模块组成；支撑环境设施包含机房服务器、防火墙、交换机、数据库软件、基础支撑软件等。

（5）传输层

智能传输层包括监测传感器信号的传输网、传输卫星定位信号、传输部门内外部数据的互联网络等手段。

（6）感知层

基于物联感知与控制技术，驻站监测和移动监测相结合的一体化立体监测监控技术，建设形成大坝安全监测智能感知体系，实现对水库运作过程的及时、全面、准确、稳定的监测、监视和监控。

（7）标准规范体系

标准规范是保障大坝安全智能监测的各个组成部分能够协调一致地工作，是保障各类信息互联互通，是保障项目建设过程和运维管理的规范、有序、高效的重要基础。

标准规范充分利用已有国标和行标，参考引进国际上的先进标准，补充建设部分必要的项目标准。

（8）信息安全体系

在全面分析和评估省水库管理各要素的价值、风险、脆弱性及所面临的威胁基础之上，遵照《中华人民共和国网络安全法》和等级保护制度的要求，结合水库实际，构建智慧水库信息安全体系，保障系统安全、运行稳定可靠。

4・大坝安全监测

（-）监测系统设计原则

监测自动化系统设计遵循“实用、可靠、先进、经济”原则，满足水库现代化管理需要；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；大坝表面位移监测、绕坝渗流监测、坝肩渗漏量监测等保留人工测量设备。

监测自动化系统由监测仪器、数据采集装置、计算机及外部设备、数据采集和管理软件、通信线路及装置、电源线路及装置、防雷装置等组成。

监测自动化系统具备下列基本功能：

（1）巡测、选测和定时测量功能；

（2）现场网络数据通信与远程通信功能；

（3）数据存储、管理及备份功能；

（4）掉电保护功能；

（5）网络安全防护功能；

（6）自检、自诊断功能；

（7）防雷及抗干扰功能；

（8）数据异常报警功能。

数据采集装置应满足下列基本性能：

（1）测量准确度：

不低于《混凝土坝安全监测技术规范》（SL601-2013）对测量对象准确度的要求。

（2）采样时间:

巡测时小于30min,单点采集时小于30s。

（3）数据存储容量：

不小于50测次。

（4）平均无故障时间（MTBF）：

大于6300ho

（5）数据采集缺失率：

不大于2%。

（6）掉电运行时间：

不小于3d（需强电驱动控制的设备除外）。

（7）防雷电感应：

不小于500Wo

（8）防潮、防锈蚀、防鼠、抗振、抗电磁干扰等。

监测管理站配置的数据采集与管理软件应具有下列功能：

（1）在线监测功能；

（2）图表制作功能；

（3）离线分析；

（4）信息管理；

（5）网络系统管理功能。

（二）监测顶目

根据大坝安全监测规范，水库大坝必测项目为9项，增补或改造后共监测12项。

由于水库大坝是砌石拱坝，扬压力监测项目现地不具备增补条件,且坝体表面位移、渗流量等监测项目仍采用人工测读，管理层不能及时掌握大坝监测数据，影响在台风、暴雨、洪水等工况下的对大坝安全情况研判。

结合现有的条件，考虑水库大坝自身特点和最新大坝安全监测相关规范要求，为了实现大坝安全智能监测的要求。

（三）坝体表面位移监测系统

目前坝体表面位移监测任务由管理处委托专业测绘单位，采用全站仪人工观测，每个月观测1次（早先每3个月观测1次）；观测时间挑选天气较好的时段。

而对于台风、强降雨、洪水、溢洪道过洪、夜间等不良工况和不利天气条件，往往无法得到及时的坝体表面位移监测数据，影响对大坝安全状态的及时掌握。

因此有必要对坝体表面位移监测项目进行自动化改造。

坝体表面位移的自动化改造方案采用GNSS和测量机器人两种自动化监测方案。

GNSS具有全天候工作优势，监测频率可以设置成很高的，虽然其监测精度（水平位移监测精度2.5mm+0.5PPM）略显不足（规范要求精度2.0mm）,但目前技术能够很好识别相对位移，对于水库大坝的最大30多nnn的位移量，GNSS能够监测到其变化趋势，特别是GNSS能够在恶劣天气、在夜间下进行监测，监测频次可以很高，对不利天气情况下的大坝安全判别以及在极端情况下的下游预警与人员疏散有着不可代替的作用。

测量机器人监测精度较高,可以弥补GNSS的监测精度的不足，但其监测易受天气、昼夜影响,监测频率受测量机器人转向马达影响，目前其监测频率还无法设置成很高的。

综合两种监测方法的优势，采用GNSS和测量机器人两种自动化监测方案，两种方法互补不足，相互验证，可以满足坝体表面位移自动化监测需求，并为智能研判提供必要数据。

（1）监测方案

传统的一些大坝变形监测方法固然有其适用性和优势，但它们在经济性、复杂度和自动化程度等方面尚难以满足现今大坝的大规模安全监测要求。

因此，以现代化的监测技术和监测仪器，及时准确地获取位移数据，并依靠先进的数据处理技术，对大坝的设计、施工、运行等资料进行科学管理，加以定量、定性分析，实现对大坝形态的综合评价、实时监控，己是大势所趋。

GNSS作为当今最先进的定位手段之一，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。

GNSS技术相比于常规的测绘作业方法有着显著的特点和优越性：

它受天气的干扰较小，点位间可以互不通视，可以同时获取点位三维坐标，容易实施很长距离的精确定位，工作基点的选择余地较大，能够实现动态监测,具备良好的自动化和集成性能，特别适用于进行动态和静态安全监测以及在较大工程区域内满足现代施工所需的复杂测量工作。

其优越的工作性能及广泛的适应性，是常规测量作业难以比拟的。

拥有众多优势的GNSS技术在应用于拱坝表面变形监测时，在测量精度方面却有一定的不足，为了解决这一问题，计划以监测机器人即高精度全站仪来弥补其不足。

测量机器人可实现目前最高精度等级的测量，但对环境能见度要求较高，并要求所有的监测点互相通视。

采用GNSS自动化监测方式对坝体表面位移进行实时自动化监测，其工作原理为：

各GNSS监测点与参考点接收机实时接收GNSS信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，控制中心服务器GNSS数据处理软件实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警。

GNSS表面位移点均可以和当地的坐标系进行联测，所有监测点的坐标均可以转换为当地坐标。

（2）监测布置

坝顶中部的2个大坝表面外部变形，采用高精度GNSS+扼流圈天线对其进行全天候自动化监测，系统布点情况见设计图。

GNSS基准站选择在四周开阔，无信号干扰的基岩处，与监测点的距离不超过2km,高差不超过100米。

根据卫星图情况，为控制精度和整个系统的稳定性，初步设计2个基准站，分别在坝的上游和下游。

主基准站布设在上游的管理房附近，站点监测编号为G1；副基准站布设在下游的基岩处，站点监测编号为G2。

在大坝坝顶原有的溢洪道左右边墩上的人工监测点附近布设2个GNSS监测点，监测点编号分别为G4、G5,用来监测沉降和位移变化，点位布设的原则是能跟人工进行校核，又能最大特征的监测变化。

（3）监测设备

主要监测设备为高精度GNSS+扼流圈天线以及配套的解析软件。

（4）施工安装

1）采用混凝土底座以及镀锌管立杆的架设方式，混凝土底座规格lOOOnimXlOOOnnnX300min（可根据实际情况进行调整），内部螺纹钢筋主筋不小于lOimn,辅筋不小于8mm；镀锌钢管规格大于160nnn,管体平滑，下部焊接法兰盘与基座稳固相连，杆体垂直于地面，整体倾角不得大于3。

o

2）混凝土基座主筋和基岩连接方式为：

冲击钻打孔后将螺栓固

定于基岩之上，再与混凝土基座钢筋笼稳固相连，打孔固定采用混凝土浇筑固定，打孔深度120mm,呈正方形布置4个孔位，孔间距大于200mm。

3）监测布置

1个主基准站G1,布置在管理房附近的基岩上；

1个副基准站G2,布置在大坝左岸下游路边的基岩上；

坝顶的2个GNSS监测点G4、G5,分别布置在溢洪道左右边墩上，布设在原人工监测点附近。

（5）通讯方式

采用无线（4G）和光纤通信的两种互为备用的形式，将坝体表面位移监测数据传输至调度中心，从而实现系统远程实时在线监测目的。

采用4G无线通信在满足大坝安全监测需求的情况下，GNSS系统的采样频率是可以设定的，监测数据流量平均不超过4000字节每包，计算后每日的数据量不超过42M,每月数据量不超过1.2Go因此SIM的配置按照每月1.5G/月的流量即可满足监测需求。

（6）供电

本项目中需要供电的设备为GNSS基准站、监测站，根据其项目现场实际情况、需供电设备功耗、安装方便、可靠、维护简单等原则，基准点和各GNSS接收机均选用220伏交流电。

为了保证用电安全，接入各设备的电源部分还需要加装空气开关、漏电保护器和防雷设备。

（7）防雷与接地

避雷针与被GNSS设备横向距离不小于3m,避雷针高度按照“滚

球法”确定，保护角度近似按照45°计算。

接地网的建设选用3根50X50X5111111热镀锌角钢为垂直地极

L=2.5m,以50X6imn热镀锌扁钢互连，地极埋地深度＞0.7m。

避雷

针基座为500X500X60nim钢筋混凝土，由地网引两根50X6nun热镀锌扁钢与基座连接（连接处必须为焊接）。

接地电阻小于4Q。

（8）系统软件

本系统采用GNSS自动化监测方式对坝顶表面位移进行实时自动化监测，其工作原理为：

各GNSS监测点与参考点接收机实时接收GNSS信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心（或者云平台），控制中心服务器GNSS数据处理软件实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警并把实时三维坐标推送到系统总平台。

（9）GNSS测量要求

1监测频次

GNSS监测频次较高，拟为每4h监测1次，远高于原坝体表面位移人工监测的频次，也远高于规范要求（2次/月〜1次/月）。

2监测精度

GNSS监测水平误差土（1.2mm+0.5ppm）。

高程±2.5mm+1ppm

测量机器人监测系统

（1）设备选型

设备选用测量机器人，自动全站仪系统，由监测机器人全站仪、精密棱镜组、温度气压传感器、通讯设备等组成。

而软件主要由专业监测软件组成，上述硬件和软件再配上现场安装的监测棱镜，构成了一套外业和内业结合、测量与通讯配套的自动化实时监测体系。

（2）监测布置

测量机器人布置在原右岸测量工作基点，加盖右岸观测房1座。

坝顶布置7个观测墩（其中4个利用原人工观测墩，新增3个观测墩）；坝后人行桥上游侧新增3个观测墩，左岸控制点利用原左岸测量工作基点。

（3）配套设备

1）温度气压传感器

专业配备的温度气压传感器，可以自动测定现场的温度和气压，并同时将这部分数据自动加入到全站仪的每一次测距动作中，再通过相应的软件进行严格的气象改正，这样就确保了每一个距离测量值都是精确的。

避免了以往一般测量情形下，因为温度、气压的变化而造成距离测量值的变化，进而影响到监测点坐标的精确计算。

3）通讯设备

结合大坝的现场条件和监测需求，选择采用光纤的有线通讯方式,最大程度地保障了数据的安全性和可靠性。

考虑到监测机器人的远程控制和数据传输要求，光纤要采用单模4芯及以上。

通讯设备主要包括光纤、光端机、数据采集处理计算机等。

（4）软件

测量机器人采用专业的监测软件，支持数据分析和处理，主要包含控制和分析两个基本模块，控制模块可以远程控制全站仪的测量动作，同时，对于监测机器人实时测量的点位数据，可以进行及时的传输和处理，并分析出监测点的坐标变化，据此得到这些监测点的位移趋势，并且可以图形化的展示。

如果某个监测点的位移变化超过了事先设定的安全阀值，就会发出预警信息并推送实时测量的点位数据到系统总平台。

（5）配套土建工作

配套土建工作包括新建观测房1座（拟在右岸）、观测墩6个（其中坝顶新增3个观测墩，坝后人行桥上游侧新增3个观测墩）。

观测房需要配套建设人行便道、电源、照明、通讯光纤、空调、防雷等。

新建观测房的安全防盗措施建设包括防盗门1扇、防盗窗1扇、室内监控摄像头1个（带红外）、室外监控1个（防水、带红外）。

（6）测量机器人测量要求

1监测频次

按规范要求，2次/月〜1次/月，可根据需要增加监测频次。

2监测精度

满足规范要求，径向土2.0mm、切向±1.0mm。

（五）渗流量（坝肩量水堰）的自动化改造方案

监测方案

在大坝下游左右岸坝肩，共布置4座微型量水堰。

1#量水堰布置

于大坝左岸坝肩▽76,2#量水堰布置于大坝左岸坝肩^62,3#量水堰布置于大坝右岸坝肩▽90,4#量水堰布置于大坝右岸坝肩巧0。

4座微型量水堰均采用人工观测坝肩的渗漏量，每个月观测1次,其观测频率不满足规范要求；且观测时人员绕行较长距离，观测人员劳动强度大；并且每次强降雨后量水堰内填满细渣，需要人工及时清理。

故有必要进行坝肩渗漏量的自动化改造，并且需要对左右两坝肩附近边坡采用工程措施，防止细渣淤积量水堰。

为了减小运行管理人员劳动强度并实现自动化监测，安装容积式流量计作为量水堰监测设备，电缆接入自动集线箱，通讯为标准ModbusRTU协议，实现智能采集。

因量水堰处于坝肩，强降雨后常有冲渣淤积在量水堰，量水堰甚至全部被填充，需要人工清渣，影响量水堰监测，运行管理人员的劳动强度也较大。

为此，必须采取适当的工程措施，在量水堰的上部、接近坝顶位置布置排水沟（水泥砂浆砌混凝土砖、抹面，U形，两侧与底厚10cm,排水沟内宽60cm、深30cm,排水管长30m）和挡墙（浆砌块石，40cm宽X80cm高，长20m）,防止地表水顺坡冲下来。

量水堰之上的边坡，采用喷射混凝土护面（左岸、右岸合计约4001112,喷射混凝土强度C25,厚度10cm,网喷，钢筋①8网格，排距20cmX20cm）o在略高于量水堰的位置,分别设置一道拦渣坎（浆砌块石,平均长3m、宽40cm、平均高80cm）,共4座，在坎的底部设通水孔，安装土工布，拦住砂石。

监测布置

在4座微型量水堰，每个位置布置1台套容积式流量计。

1#量水堰布置于大坝左岸坝肩▽76,2#量水堰布置于大坝左岸坝肩^62,3#量水堰布置于大坝右岸坝肩▽90,4#量水堰布置于大坝右岸坝肩^了。

。

监测设备

监测仪器设备，选用容积式流量计，其技术参数如下：

量程：

0.6〜12L/min；综合精度：

W5%；正常工作环境（°C）：

・10〜+50；相对湿度：

100%o

配套的采集设备，包括自动集线箱和光端机等。

自动集线箱技术参数：

通道数量（个）：

0〜32；通讯接口:

RS485；供电电源：

AC220V；功耗：

＜3W；机箱：

不锈钢防潮机箱，防潮等级IP65；工作环境：

温度・10°C〜+50°C,湿度W95%；系统防雷电感应：

1500Wo

光端机技术参数：

串行接口形式：

RS485；供电电源：

220（1±15%）VAC；功耗：

约0.25W（静态），约0.6w（发送）；光输出功率：

大于0.5mW（-3dBm）,接收灵敏度：

小于-15dBm；传送距：

大于20Kin；工作温度：

・10°C〜+60°C；储藏温度：

・20°C〜+70°C。

设备安装

安装在堰板外侧底板上，仪器引水管与底板间要有400mm距离,

引水管接入堰板出水口，引水管尽量短。

（六）坝前水温监测（自动化监测）

监测方案

根据相关规范，按本工程大坝级别，坝前水温监测项目属可选的监测项目，但本工程为砌石拱坝，库温度对坝体变形、应力影响较明显，原先大坝坝体未布置温度监测，故在大坝上游面增加布置6只温

度计，观测电缆接入采用自动化采集模块，实现自动化监测。

监测布置

在坝左0+028.49、坝顶启闭房右侧边，布设在正常蓄水位97.0m之下共6支,间距8m,分别为96、88、80、72、64、56m,以监测不同深度的库水温。

监测设备

监测仪器设备，选用电阻温度计，其技术参数如下：

量程（°C）：

・30〜+70；测量精度（°C）：

±0.3；温度系数（°C/Q）：

5；耐水压（MPa）：

0.5o

设备安装

安装上游面的库水温度计时，应使温度计轴线平行坝面，且距坝面5〜10cm,温度计绑定在保护管内顺大坝启闭房侧边，安装到指定位置，并固定，电缆用保护管保护，引入左侧启闭房集线箱内。

（七）大坝应变监测（自动化监测）

监测方案

根据相关规范，按本工程大坝级别，大坝应力应变温度监测项目属可选的监测项目，但为了解本工程砌石拱坝的受力敏感部位的应力应变，分析大坝安全状态，故需要增加大坝应变监测项目，在左右两坝肩处增设大坝应力监测仪器，拟设置4只应变计，接入采用自动化采集模块，实现自动化监测。

监测布置

在大坝坝顶左右岸坝肩，各布置2组二向应变计组每组各2支应变计，布设位置:

坝左0+079.63,设计编号：

S2-1；坝右0+105.61,设计编号：

S2-2,X向朝上游面方向，Y向朝左右岸边坡方向，以监测坝肩应力应变。

监测设备

监测仪器设备，选用振弦应变计（带有温度测量功能），其技术参数如下：

量程（10・6）：

±1500ue；分辨力（%F?

S）：

0.5〜1.0；测量精度（%F?

S）：

0.25；温度测量范围（°C）…20〜+60；温度测量精度（°C）：

±0.5；耐水压（MPa）：

0.5o

设备安装埋设

在左右岸坝肩中间位置，仪器安装处采用钻孔（地质钻）的方法开挖0.5mX0.5mX深度2.0m的坑槽，先用混凝土浇筑安装支架，待凝固后安装二向应变计,X向朝上游面方向，Y向朝左右岸边坡方向,安装后浇筑C15混凝土，人工振捣密实。

（八）上、下游水位监测

监测方案

目前水库已有上游水位监测，无下游水位监测；上游水位采用自动监测，但数值不太稳，需增设上下游水位监测，自动化监测，并接入监测数据库。

监测布置

分别在泄洪洞进水口侧面合适位置、下游冲刷坑右侧合适位置安装投入式水位计各1支，监测电缆引到自动化采集模块，接近实