尹光景（中國水利水電第八工程局有限公司）

無線傳感器網絡在大壩安全監(jiān)測中的應用

尹光景（中國水利水電第八工程局有限公司）

隨著水利工程建設的不斷增加，使得大壩的安全性備受人們的關注，并且加強了對大壩安全監(jiān)測技術的研究，傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測主要是利用有線網絡技術。無線網絡技術的發(fā)展，使得無線傳感器網絡被廣泛的應用于大壩安全監(jiān)測，發(fā)揮著重要的作用，文中對無線傳感器網絡系統(tǒng)構成，及其在大壩安全監(jiān)測中的具體應用，做了簡單的論述。

無線傳感器；大壩；安全監(jiān)測；具體應用

大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是水庫水位、壩體滲流、壩基滲流等，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲分析，能夠極大程度時提高大壩安全監(jiān)測工作的效率，同時還能夠提高數(shù)據(jù)采集的實時性與準確性，減少大壩安全監(jiān)測工作成本。大壩安全監(jiān)測技術已經實現(xiàn)了全自動化，極大程度上提高了監(jiān)測的實用性與可靠性。

1 無線傳感器網絡概述

1.1 無線傳感器網絡構成

無線傳感器網絡即WSN，由靜止傳感器或者移動傳感器組成，組成方式為自組織與多跳方式，其將感知、采集的協(xié)作地數(shù)據(jù)，以及網絡覆蓋區(qū)域內部的被感知對象的數(shù)據(jù)信息，發(fā)送給網絡所有者。傳感器網絡系統(tǒng)主要是由各個節(jié)點構成，包括傳感器節(jié)點（EndDevice）、管理節(jié)點（Coordinator）、匯聚節(jié)點（Router）。

1.2 傳感器節(jié)點模塊構成

無線傳感器節(jié)點組成模塊主要包括：傳感單元、通信單元、處理單元、電源等，具體構成如圖1所示。傳感器節(jié)點采取的是自組織方式實現(xiàn)組網，利用無線通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)，其各個節(jié)點均具備數(shù)據(jù)采集與融合轉發(fā)的功能。無線傳感器節(jié)點先是處理數(shù)據(jù)信息，再以接力傳送的方法，將數(shù)據(jù)信息傳送給基站，最后利用基站，以衛(wèi)星傳輸或者互聯(lián)網傳輸?shù)姆绞?，傳送給用戶。

圖1 傳感器節(jié)點組成模塊示意圖

2 無線傳感器網絡在大壩安全監(jiān)測中主要應用的技術

2.1 全球衛(wèi)星定位技術

水庫大壩通常是建立在山區(qū)，位置較為偏僻，且建設面積較大，基于此大壩安全監(jiān)測常常采用衛(wèi)星定位技術，以此滿足不同大壩的安全監(jiān)測需求。常用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括：GPS、GLONASS、北斗導航定位系統(tǒng)。GNSS（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）是上述衛(wèi)星定位系統(tǒng)的總稱。衛(wèi)星定位系統(tǒng)是基于空間距離交會原理，采取偽距測量法、絕對定位法、相對定位法、差分定位法等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量。

2.2 近距離無線通訊技術

大壩安全監(jiān)測工作中，無線傳感器網絡常用技術為近距離無線通訊技術，包括ZigBee、433MHz，使用的是ISM免執(zhí)照頻段，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時，才能夠建立無線鏈路，其睡眠喚醒時間較短，進而減少了外界干擾，以及設備自身的功耗。其中ZigBee技術具有低功耗、強抗干擾功能，且具有較強的可靠性，容易布網。433MHz技術使用的是433MHz無線頻段。433MHz技術與ZigBee技術相比，其穿透性更強，且傳播的距離較遠，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾瘦^慢。該技術應用在檢測大壩形變方面，具有極大的優(yōu)勢。

2.3 無線傳感器應用的優(yōu)勢

大壩安全監(jiān)測工作中，應用無線傳感器，能夠克服許多有線網絡應用困難。將其應用于大壩監(jiān)測工作中，不需要花費過多的施工時間，且施工成本較低，導線連接較為簡單，可以節(jié)省導線安裝時間，省略部分工作程序。無線傳感網絡的應用，不需要使用導線來連接大壩與傳感器，因此降低了施工的成本。同時無線傳感器監(jiān)測的距離較遠，且能夠安裝在危險區(qū)域來監(jiān)測大壩的安全。通過布置無線節(jié)點，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性與容錯性。除此之外無線傳感網絡安裝較為方便，且容易維護與拆卸，能夠集成多傳感器，實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)處理，降低數(shù)據(jù)損耗。

3 無線傳感器網絡在大壩安全監(jiān)測中的實際應用

3.1 應用于監(jiān)測大壩的坎肩坡

無線傳感器網絡的應用，需要完成不同監(jiān)測點的監(jiān)測儀器安裝工作，在安裝的過程中，要嚴格按照儀器與電纜圖紙的具體要求，來完成安裝工作，同時基于水電站實際檢測特點，仔細分析監(jiān)測工程各個部位，完成不同監(jiān)測工作?？布缙卤O(jiān)測工作需要設置不同的監(jiān)測設備與儀器，以此確保監(jiān)測的安全性與完整性。例如：某水電站大壩的坎肩坡監(jiān)測系統(tǒng)設計中，在大壩左右岸的壩肩坡位置處，設置監(jiān)測斷面共計3個，安裝測斜孔共計3個，多點位移計共計6套，安裝錨桿測力計共10支，以及錨索測力計共計2臺，變形監(jiān)測墩共設置6個。

3.2 監(jiān)測大壩壩體

3.2.1 壩體監(jiān)測的主要內容

應用無線傳感器網絡監(jiān)測大壩壩體時，主要監(jiān)測的項目是：混凝土溫度、滲流與滲壓、大壩變形等。大壩壩體混凝土監(jiān)測工作，需要根據(jù)設計圖紙的具體要求，當水電站工程設計出現(xiàn)變更時，與相關工程進行溝通，埋設溫度計，監(jiān)測大壩壩體問題。大壩壩體監(jiān)測的主要部位是：大壩墊層、導流底孔、壩體、導流洞等。

無線傳感器網絡的應用，其主要檢測的項目為工作條件監(jiān)測、滲流檢測、變形監(jiān)測、應力應變與溫度監(jiān)測等，同時還包括近壩區(qū)坡穩(wěn)定性監(jiān)測，以及水力學項目等。其中工作條件監(jiān)測的主要內容包括：監(jiān)測大壩的水位、氣溫與水溫、壩前淤積等。滲流監(jiān)測的主要內容為：滲流量、混凝土壩揚壓力、壩基滲水壓力等。變形監(jiān)測工作包括：水平位移、接縫、傾斜、混凝土壩體撓度等。應力應變與溫度監(jiān)測工作主要包括：混凝土的應力與應變、混凝土溫度與壓力、鋼筋的應力等。

3.2.2 大壩監(jiān)測系統(tǒng)設計

基于無線傳感器網絡的技術分析與設計需求，在設計大壩監(jiān)測系統(tǒng)時，采用433MHz無線通信，以及厘米級GPS定位，設計無線傳感器網絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括無線傳感器節(jié)點與GPS Base基準站，以及中繼匯聚節(jié)點和控制機房。其中無線傳感器節(jié)點主要負責采集GPS位置信息，并且實時更新節(jié)點位置距離，將搜集的數(shù)據(jù)，傳輸至MCU，由其負責數(shù)據(jù)處理。GPS Base基準站采用的是實時差分技術，通過無線通信方式，將收集的衛(wèi)星信息與基準站信息，傳輸給GPS節(jié)點，由其負責對比與處理信息。

系統(tǒng)中的中繼匯聚節(jié)點設計，是基于大壩建設環(huán)境的特點，以及遠距離傳輸?shù)男枨?，該?jié)點能夠接收多個節(jié)點數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)射給中心機房，具備數(shù)據(jù)信息匯聚功能。中心控制機房節(jié)點主要負責收集定位數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)程序來計算與對比數(shù)據(jù)，進而發(fā)出預警信息，做出相應的處理?；诖髩伪O(jiān)測節(jié)點位移信息，時刻監(jiān)測大壩安全，將監(jiān)測節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)信息進行對比分析，并且上報信息，能夠及時針對監(jiān)測到的安全問題，采取有效的預防措施，進而避免大壩出現(xiàn)更為嚴重的安全事故。

4 結束語

大壩安全直接影響著水電站的安全，因此需要加強大壩的安全監(jiān)測。將無線傳感器網絡技術應用于此，能夠節(jié)省安全監(jiān)測的成本，提高安全監(jiān)測的效率，有效的避免大壩出現(xiàn)安全事故，極具推廣應用價值，文中對無線傳感器概念，以及其主要應用的技術與具體應用，做了簡單的論述，意在為推廣無線傳感器網絡技術提供助力。

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2095-2066（2016）33-0084-02

2016-11-12