王長生，馬福恒，何心望，俞揚(yáng)峰

(1. 河南省燕山水庫管理局，河南葉縣 467224； 2. 南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

作為監(jiān)控和保障大壩安全運(yùn)行的重要措施，大壩安全監(jiān)測(cè)包括巡視檢查和儀器觀測(cè)，兩者組成一個(gè)有機(jī)整體，互為補(bǔ)充。然而，近年來監(jiān)測(cè)儀器的不斷改進(jìn)及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展造成了一種假象，即：僅依靠監(jiān)測(cè)儀器就能夠全面反映大壩安全問題。事實(shí)上，由于時(shí)空不連續(xù)性的限制，儀器監(jiān)測(cè)不可避免地存在漏檢和盲區(qū)，完全依靠儀器監(jiān)測(cè)不一定能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，2013年初發(fā)生的3座水庫潰壩就是巡查發(fā)現(xiàn)的險(xiǎn)情。因此，只有儀器監(jiān)測(cè)和巡檢相結(jié)合，才能從局部到整體全面掌握大壩的運(yùn)行性態(tài)。巡檢包括直觀檢查和儀器探查，其優(yōu)點(diǎn)是不受時(shí)空限制，能全方位地及時(shí)捕捉隱患前兆、迅速發(fā)現(xiàn)問題，是大壩安全監(jiān)控不可或缺的重要手段。然而，由于傳統(tǒng)巡檢的繁雜性、高強(qiáng)度、管理難度大和巡檢人員素質(zhì)良莠不齊等多種原因，導(dǎo)致巡檢存在諸多問題，如數(shù)據(jù)組織散亂、隨機(jī)性大、規(guī)范程度低、信息孤島嚴(yán)重和時(shí)效性差等[1]。傳統(tǒng)巡檢方式已很難滿足水利工程管理信息化的需要；與此同時(shí)，大壩安全巡檢理論和方法的研究相對(duì)監(jiān)測(cè)理論的研究要少得多，巡檢理論和方法發(fā)展緩慢，難以實(shí)現(xiàn)巡檢的智能化，這也制約了巡檢在大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)中功能的體現(xiàn)。因此，實(shí)現(xiàn)大壩安全巡檢的智能化和巡檢信息的有效融合及安全評(píng)價(jià)研究，不僅對(duì)于水庫大壩日常維護(hù)管理、險(xiǎn)情排查和應(yīng)急處理具有重要意義，也是大壩安全管理現(xiàn)代化發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。本文結(jié)合河南省燕山水庫實(shí)際研究了智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)及組成，探討了系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的大壩智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建立對(duì)提高水庫安全管理具有重要實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)及其體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)(internet of things， IOT)技術(shù)將傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)與現(xiàn)代化控制技術(shù)緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能巡檢系統(tǒng)已經(jīng)在變電工區(qū)設(shè)備、鐵路信號(hào)設(shè)備、橋梁、建筑和煤礦等領(lǐng)域得到了一定的研究和探索性的應(yīng)用[2-5]，顯示了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的強(qiáng)大生命力及其在安全巡檢應(yīng)用中的廣闊前景。物聯(lián)網(wǎng)的體系框架如圖1所示，它包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和公共技術(shù)[6]。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括大壩監(jiān)測(cè)傳感器、閘門開度、RFID 標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端，其主要功能是識(shí)別物體，采集信息。網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of IOT

診斷水庫安全性態(tài)不僅需要埋設(shè)在大壩等建筑物上的安全監(jiān)測(cè)傳感器信息、視頻閘控信息、庫區(qū)水雨情信息，而且需要下游保護(hù)區(qū)域人口分布、基礎(chǔ)設(shè)施，以及庫區(qū)水質(zhì)及淤積信息。這些信息具有海量、多源、動(dòng)態(tài)、異構(gòu)和分散等特點(diǎn)，常規(guī)的信息傳輸和融合已不能適應(yīng)水庫安全管理實(shí)時(shí)性要求[7]，采用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行智能管理具有重要意義。

1.2 智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 大壩智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of intelligent inspection system of dam

大壩安全智能巡檢系統(tǒng)不同于一般意義的物聯(lián)網(wǎng)，有其顯著特征，需借助壩工學(xué)、工程材料學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)和軟件工程等多領(lǐng)域多學(xué)科知識(shí)，融合先進(jìn)儀器與測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理、通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、密碼學(xué)、云計(jì)算和科學(xué)計(jì)算等方法和技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)的框架下，開展基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的大壩安全巡檢信息感知融合及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型研究，實(shí)現(xiàn)大壩智能巡檢技術(shù)的突破與創(chuàng)新，將研究成果及時(shí)推廣應(yīng)用于實(shí)際工程，以改善當(dāng)前大壩巡檢技術(shù)、提升大壩安全管理和應(yīng)急決策水平。系統(tǒng)架構(gòu)見圖2，由感知層、解析層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層組成。

感知層主要采集安裝在各建筑物的監(jiān)測(cè)儀器、PDA(圖像和文字)發(fā)生的事件和數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。

解析層主要利用PDA統(tǒng)一中間插件技術(shù)實(shí)現(xiàn)把感知到大壩等建筑物安全信息無障礙、高可靠性、高安全性進(jìn)行解析和傳送，采用多元化應(yīng)用模塊接口，滿足信息共享，實(shí)現(xiàn)更廣泛的互聯(lián)功能。

數(shù)據(jù)層主要將水庫周邊地形數(shù)據(jù)、大壩等建筑物體型資料、以及啟閉設(shè)備資料預(yù)置于監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，利用PDA安全技術(shù)將感知信息解析到SG-ERP數(shù)據(jù)庫，或通過PDA加密驗(yàn)證后寫入監(jiān)控平臺(tái)。

應(yīng)用層主要包含應(yīng)用支撐平臺(tái)子系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)。其中，支撐平臺(tái)主要為SG-ERP平臺(tái)，應(yīng)用服務(wù)主要包括建筑物安全管理、啟閉設(shè)施安全管理，以及在此基礎(chǔ)上的壽命周期管理。如啟閉設(shè)施巡視管理、檢修管理、啟動(dòng)異常診斷、消缺管理等。

感知層和解析層作為智能巡檢系統(tǒng)的前置部分，主要功能是感知大壩等建筑物安全信息；數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層則是將感知信息進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)建筑物及啟閉設(shè)施壽命周期管理。

2 系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能巡檢指標(biāo)體系構(gòu)建

巡檢指標(biāo)體系定量化是建立智能巡檢系統(tǒng)的基礎(chǔ)。大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范詳細(xì)描述了巡檢項(xiàng)目和巡檢內(nèi)容，實(shí)際工程中，由于巡檢涉及多層次多指標(biāo)，構(gòu)建適合于信息化的指標(biāo)體系較為復(fù)雜。當(dāng)前巡檢資料以定性分析為主，定性過程隨機(jī)性較大。這就需要調(diào)查和統(tǒng)計(jì)國內(nèi)外水庫大壩失事成因，結(jié)合規(guī)范規(guī)定、壩型、等級(jí)和結(jié)構(gòu)特征等多方面信息，確定壩體各區(qū)、壩基和壩區(qū)、泄水建筑、及金屬結(jié)構(gòu)等各單元和分部工程的包含人工感官、探測(cè)和傳感檢測(cè)在內(nèi)的多種巡檢指標(biāo)，按指標(biāo)、單元、分部工程和單位工程的遞歸型式提出水庫大壩物聯(lián)網(wǎng)巡檢信息的組織方法，建立巡檢多層次結(jié)構(gòu)。采用多尺度理論和方法、及數(shù)量統(tǒng)計(jì)理論和方法研究單元局部損傷缺陷和侵蝕性環(huán)境對(duì)整體性態(tài)衰減的驅(qū)動(dòng)作用，定量地提出巡檢指標(biāo)和整體性態(tài)的關(guān)系模型；采用逆模糊化和歸一標(biāo)準(zhǔn)化等多種數(shù)學(xué)方法制定智能巡檢指標(biāo)體系。

根據(jù)建立的指標(biāo)體系和指標(biāo)屬性，擬定不同巡檢內(nèi)容不同狀態(tài)下的參數(shù)屬性，分析移動(dòng)智能終端的巡檢定位、路線生成、指標(biāo)屬性識(shí)別和實(shí)時(shí)采集信息傳輸?shù)裙δ苄枨?，分別集成終端移動(dòng)智能終端前端采集器的RFID、傳感器、處理器和WSN傳輸模塊等硬件模塊，及移動(dòng)智能終端接收器的傳感器、處理器、基于ZigBee的WSN傳輸模塊和LCD屏等硬件模塊；將RFID和巡檢點(diǎn)三維靜態(tài)信息關(guān)聯(lián)，開發(fā)移動(dòng)智能終端接收器的信息管理、通信模塊和圖形用戶界面模塊等，集成得到移動(dòng)智能終端信息管理系統(tǒng)。

2.2 巡檢作業(yè)指導(dǎo)書修訂

每個(gè)水庫規(guī)模、建筑物類別、關(guān)注要素等均不相同，如何有效地制定巡檢作業(yè)指導(dǎo)書，以減少巡檢人員工作量、提高巡檢質(zhì)量、快速科學(xué)地診斷工程安全性態(tài)，巡檢作業(yè)指導(dǎo)書的修訂尤為重要。這就需要建議以減少巡檢工作量、交通的便利性、巡檢物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的科學(xué)合理性等多目標(biāo)為優(yōu)化約束條件，借助多目標(biāo)優(yōu)化智能算法實(shí)現(xiàn)不同巡檢類型下的巡檢路線的搜索識(shí)別和優(yōu)化。制定切實(shí)科學(xué)的智能巡檢作業(yè)指導(dǎo)書，在作業(yè)指導(dǎo)書操作中，引入了向?qū)е改戏绞剑沟靡粋€(gè)缺乏經(jīng)驗(yàn)的年輕巡檢人員也可以輕松上手。對(duì)于“正常”的巡視項(xiàng)目，可選擇“下一步”查看下一條巡視項(xiàng)目。否則，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入“缺陷簿”進(jìn)行缺陷的添加。隨著工程管理重心變化，巡檢作業(yè)指導(dǎo)書需要維護(hù)和完善，系統(tǒng)中設(shè)置了維護(hù)修訂功能。包括以下3個(gè)步驟。

(1)巡檢作業(yè)指導(dǎo)書修訂。以水庫樞紐建筑物和啟閉設(shè)施安全現(xiàn)狀、交通條件及其安全要素為主要內(nèi)容，按照巡檢規(guī)范要求，修訂巡檢作業(yè)程序標(biāo)準(zhǔn)。

(2)巡檢作業(yè)指導(dǎo)書審核。修訂完成后的作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)入電子審批流程，指導(dǎo)書必須經(jīng)過主管部門審核、批準(zhǔn)通過后才可以執(zhí)行。

(3)巡檢作業(yè)指導(dǎo)書導(dǎo)出、打印。系統(tǒng)支持將作業(yè)指導(dǎo)書導(dǎo)出Word格式，同時(shí)支持作業(yè)指導(dǎo)書的打印。

2.3 巡檢信息感知和融合

由于大壩智能巡檢信息的多樣性、隨機(jī)性、復(fù)雜性，目前的信息融合處理過程中信息的一致性以及融合感知系統(tǒng)的容錯(cuò)性和穩(wěn)健性等關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。為此，首先針對(duì)大壩安全多源信息的隨機(jī)性、模糊性、盲性等特征進(jìn)行研究，建立信息融合層、特征融合層、決策融合層的3層梯度結(jié)構(gòu)的多源信息融合框架體系。在此基礎(chǔ)上，對(duì)多源信息進(jìn)行功能辨識(shí)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分離，采用改進(jìn)的融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，確定多源信息度量函數(shù)、有效數(shù)據(jù)提取準(zhǔn)則，建立大壩安全多源信息最優(yōu)特征融合模型，保證融合處理過程中信息的一致性。研究統(tǒng)計(jì)決策理論、專家系統(tǒng)、SD證據(jù)推理、自適應(yīng)決策，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理等理論和方法，選擇最優(yōu)決策方法，建立智能決策感知模型，辨識(shí)大壩性態(tài)的演變規(guī)律和轉(zhuǎn)異特征[8]。所采用的主要技術(shù)路線見圖3。

圖3 巡檢信息感知和融合流程Fig.3 Process of checking information perception and fusion

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及功能

3.1 工程概況

燕山水庫位于淮河流域沙潁河主要支流澧河上游干江河上，是以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。主要建筑物包括左岸臺(tái)地和河槽布置的大壩、在右岸小燕山基巖區(qū)布置的泄洪洞、溢洪道、輸水洞及電站[9]。大壩軸線長4.7 km，建筑物布置分散，再加上大壩等建筑物布置較多監(jiān)測(cè)儀器、視頻攝像頭、閘門遠(yuǎn)程控制、水雨情遙測(cè)站，給日常安全管理、巡視檢查、缺陷消缺處理等帶來不便。為此，河南省燕山水庫管理局聯(lián)合南京水利科學(xué)研究院在相關(guān)基金資助下研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的大壩智能巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水庫安全信息的及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的交互與處理，極大提高了水庫現(xiàn)代化安全管理水平。

3.2 系統(tǒng)研發(fā)

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.4 Topology of system structure

基于物聯(lián)網(wǎng)的燕山水庫大壩智能巡檢系統(tǒng)由巡檢儀(PDA)和后臺(tái)管理系統(tǒng)組成，通過本地、遠(yuǎn)程或無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并能與現(xiàn)有的后臺(tái)GIS系統(tǒng)互聯(lián)和信息共享。其結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖4所示。巡檢儀通過本地USB接口或無線網(wǎng)絡(luò)與水庫信息管理服務(wù)器進(jìn)行通訊，客戶瀏覽端通過HTTP協(xié)議與Web服務(wù)器進(jìn)行通訊，Web服務(wù)器與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫直接交互，最終實(shí)現(xiàn)巡檢信息的存儲(chǔ)和持久化。該系統(tǒng)于2013年6月開發(fā)調(diào)試完成，目前運(yùn)行正常。

3.3 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)極大利用了現(xiàn)有的通訊條件，相比用WLAN方式或微波等方式大大地節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資，利用了更可靠、穩(wěn)定的通迅網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)接入功能，并且具備極大的可擴(kuò)展性[10]。其主要功能有：

(1)根據(jù)水庫建筑物實(shí)際制定《大壩巡視作業(yè)指導(dǎo)書》，規(guī)范巡視作業(yè)內(nèi)容、步驟，并把《大壩巡視作業(yè)指導(dǎo)書》編制在移動(dòng)終端應(yīng)用中，引入了向?qū)е改戏绞?，使得一個(gè)缺乏經(jīng)驗(yàn)的年輕巡檢人員也可以輕松上手。

(2)系統(tǒng)自動(dòng)提醒本崗當(dāng)日的任務(wù)。在巡視工作前，依據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書，向巡檢人員提供：人員要求信息、危險(xiǎn)點(diǎn)分析信息、安全措施信息、巡視工器具的工作前確認(rèn)?？梢赃m應(yīng)不同的作業(yè)要求，也同時(shí)盡可能降低巡視人員的作業(yè)強(qiáng)度。

(3)每次巡查人員的巡查路徑軌跡能實(shí)時(shí)進(jìn)行保存，從而可以實(shí)時(shí)的在監(jiān)控中心、分管領(lǐng)導(dǎo)的PC終端或移動(dòng)終端上顯示，同時(shí)也作為人員動(dòng)態(tài)信息保存在系統(tǒng)中。

(4)智能PDA手機(jī)終端都支持拍照(130萬象素)、錄音、定位等功能；本系統(tǒng)提供統(tǒng)一直觀的操作界面集成這些手機(jī)內(nèi)置功能，把發(fā)生問題的事件、部件的照片、聲音和地圖上的標(biāo)點(diǎn)信息一起記錄下來。巡檢員開始沿巡查路線進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)破損情況后，在移動(dòng)終端上記錄破損情況。系統(tǒng)在上報(bào)數(shù)據(jù)庫的同時(shí)，會(huì)將附帶的事件(部件)發(fā)生的地圖、照片和聲音信息一起傳送到分管領(lǐng)導(dǎo)的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)終端上，使問題報(bào)送和處理更為及時(shí)。

(5)分管領(lǐng)導(dǎo)接到缺陷信息后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提醒責(zé)任領(lǐng)導(dǎo)組織特別巡查，并自動(dòng)進(jìn)入消缺流程。

(6)當(dāng)巡檢人員保存巡視記錄時(shí)，巡檢儀會(huì)在現(xiàn)場判斷該巡檢人員是否到達(dá)巡查關(guān)鍵點(diǎn)附近，若未到達(dá)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告信息。有效解決定位誤差帶來的考核不精確問題。同時(shí)系統(tǒng)采用了先進(jìn)的CF接口GPS定位儀(由PDA直接供電，不用外接電源)。采用差分計(jì)量方法進(jìn)行優(yōu)化，定位誤差一般可在5 m之內(nèi)，保證到位率統(tǒng)計(jì)的正確性。

(7)未消除缺陷和隱患的警示。 在巡視過程中，當(dāng)記錄某一巡查關(guān)鍵點(diǎn)到位信息的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)提示該關(guān)鍵點(diǎn)是否含有以前發(fā)現(xiàn)的、但卻未消除的缺陷。巡檢人員依據(jù)其缺陷的描述和內(nèi)容判斷缺陷是否被消除或該缺陷有升級(jí)和降級(jí)的情況，并將依據(jù)缺陷的真實(shí)情況修改缺陷記錄或?qū)υ撚涗涍M(jìn)行消缺處理。

4 結(jié) 語

水庫大壩的安全不僅直接影響著預(yù)期效益的發(fā)揮，而且關(guān)系到下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全乃至社會(huì)的穩(wěn)定，其安全不僅需要監(jiān)測(cè)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)視，巡視檢查更是不可替代。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)給現(xiàn)代化的大壩安全智能巡檢帶來了契機(jī)，本文在智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)及組成研究的基礎(chǔ)上，采用RFID電子標(biāo)簽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大壩智能巡檢系統(tǒng)中的關(guān)鍵點(diǎn)或設(shè)備智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和信息管理；采用GPS技術(shù)和GIS平臺(tái)結(jié)合監(jiān)控巡視檢查任務(wù)書的執(zhí)行情況；采用智能手持設(shè)備接收巡檢作業(yè)書，采集、記錄并上報(bào)巡視檢查的信息(包括巡視路線、圖片、音頻、視頻、文字報(bào)告等)；通過3G網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)傳輸方式與大壩智能巡檢系統(tǒng)平臺(tái)、大壩安全監(jiān)測(cè)信息服務(wù)平臺(tái)相結(jié)合制定全面并且有針對(duì)性的巡檢方案。最后結(jié)合河南省燕山水庫實(shí)際建立一個(gè)全方位跨平臺(tái)的智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建立對(duì)提高水庫安全管理具有重大推廣意義。

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