楊剛 李洪斌

摘 要：水庫大壩現(xiàn)有安全監(jiān)測方式主要以人工監(jiān)測為主兼有部分自動監(jiān)測，存在監(jiān)測技術方法落后，監(jiān)測數(shù)據(jù)精度不高、資料整編水平不高、風險分析與判別不準等問題，難以滿足安全管理要求，制約水庫安全運行。本文探討采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術解決水庫大壩變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集傳輸分析問題，提出大壩智能安全監(jiān)測解決方案，旨在提高水庫安全監(jiān)測能力水平。

關鍵詞：衛(wèi)星定位系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)技術;水庫大壩;智能安全監(jiān)測

中圖分類號：TV697 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0019-02

1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)變形監(jiān)測方案

1.1 衛(wèi)星定位技術

衛(wèi)星定位有絕對定位和相對定位兩種方式，絕對定位的精度較低，一般用于導航定位?，F(xiàn)在衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國的GPS、歐洲“伽利略”GSNS、俄羅斯GLONASS和我國“北斗”BDS。目前采用集成北斗短報文通信功能和北斗/GPS無源定位功能雙模系統(tǒng)設備進行通信和定位監(jiān)測，既解決了通信又提高了定位精度，設備可靠性高、環(huán)境適應能力強。

1.2 安全監(jiān)測應用

在大壩位移監(jiān)測中應采用相對定位，其原理是利用兩臺衛(wèi)星接收機分別安置在基準點和觀測點，并同步觀測相同定位衛(wèi)星，利用接收導航衛(wèi)星載波相位進行實時相位差分即RTK技術，進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標。監(jiān)控中心對接收機的模塊差分信號結果對大壩水平、垂直位移、轉角進行計算和安全分析。該技術在成熟的應用方案中位移精度優(yōu)于1.0mm。相對傳統(tǒng)大壩變形安全監(jiān)測設備，衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行位移監(jiān)測，設備安裝簡單、方便、靈活，維護方便。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術數(shù)據(jù)采集傳輸方案

2.1 NB-IoT技術

物聯(lián)網(wǎng)技術日趨成熟，產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，其LoRa及NB-IoT在市場得到廣泛應用。NB-IoT是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），具備四大特點：一是廣覆蓋，二是具備支撐海量連接的能力，三是更低功耗，四是更低的模塊成本。

2.2 LoRa技術

LoRa（Long Range）是一種新型的基于1GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術，該頻段為非授權頻段，故在使用時不需要額外收費，使用的LoRaWAN是一種異步通訊協(xié)議，該協(xié)議方式不僅在處理干擾、網(wǎng)絡重疊、可伸縮性等方面具有獨特的特性，而且在耗電方面極為經(jīng)濟，大大增加了利用電池供電的設備的使用壽命。該技術是一種新型的擴頻技術，大大的改善了接收的靈敏度，其通信距離可達15公里，接收電流僅10mA，睡眠電流200nA。但LoRa需要自建網(wǎng)關，在通信距離短（半徑5公里范內(nèi)只需一個網(wǎng)關），在服務質(zhì)量（QoS）上略遜色于使用蜂窩網(wǎng)絡的通訊方式。因此在需要節(jié)約成本、大量連接，而對QoS要求不高的情況下，LoRa無疑是最佳的選擇。自建LoRa網(wǎng)絡可獨立組網(wǎng)，不接入互聯(lián)網(wǎng)，采用加密技術傳輸，可有效保證數(shù)據(jù)安全。

NB-IoT和LORA比LTE和GPRS基站提升了增益，能覆蓋到地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方。

3 水庫自動安全監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

水庫自動安全監(jiān)測系統(tǒng)要充分利用現(xiàn)代檢測技術、通信技術、網(wǎng)絡技術和計算機技術，通過相應傳感器感知大壩的變形、滲流、應力、水文、氣象等數(shù)據(jù)[1]?，F(xiàn)場的遠程監(jiān)測終端通過無線或有線的方式采集前端傳感器的信號并進行預處理和存儲，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸體制要求，將相關參數(shù)報送信息中心，在大壩管理中心對數(shù)據(jù)進行處理、統(tǒng)計、整編、分析、預警等，提高大壩安全監(jiān)測的實時性、可靠性和精度，及時預報大壩承受能力和可能發(fā)生的事件。同時可通過先進的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時觀測河道、庫區(qū)及涵閘等運行情況，為決策提供直觀的圖像信息，可使管理部門的有關人員實時動態(tài)的掌握水庫運行信息。

3.1 自動安全監(jiān)測系統(tǒng)建設目標和內(nèi)容

完整的水庫自動安全監(jiān)測系統(tǒng)建設內(nèi)容和目標包括：（1）信息自動采集系統(tǒng)。（2）網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。（3）決策支持系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)組成

水庫自動安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由5部分組成：（1）前端感知系統(tǒng);（2）數(shù)據(jù)采集終端;（3）網(wǎng)絡通信;（4）系統(tǒng)管理中心;（5）供電系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)。

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)宜采用分層分布開放式結構，運行方式為分散控制方式，可命令各個現(xiàn)地監(jiān)測單元按設定時間自動進行巡測、存儲數(shù)據(jù)，并向安全監(jiān)測中心報送數(shù)據(jù)。庫區(qū)通信要結合現(xiàn)在新的物聯(lián)網(wǎng)技術如運營商新建的NB-iot、自建LORA網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信，考慮5G通信技術。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各個監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，上傳至管理中心進行數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析，并將原始數(shù)據(jù)和處理結果存入主數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)庫中。

3.2.1 前端感知系統(tǒng)

前端感知系統(tǒng)是掌握水庫運行狀態(tài)的重要的前端設備，要求能夠在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠的檢測水庫的物理量變化，特別水庫大壩外部觀測的靜力水準、正倒錘、激光準直及內(nèi)部觀測的滲壓計、沉降計、測斜計、應變計、土壓計等，根據(jù)實際需要及規(guī)范進行選擇。

前端感知系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容大體可概括為以下5個方面：（1）變形觀測：包括水平位移、垂直位移（沉陷）、裂縫、土石壩內(nèi)部分層固結混凝土壩擾曲、傾斜、結構縫變化等觀測;（2）滲流觀測：包括壩體及壩基滲漏量、水質(zhì)分析，土石壩壩體浸潤線及壩基測壓管水位，混凝土壩壩基揚壓力及壩體滲壓力等觀測;（3）結構內(nèi)部觀測：混凝土溫度、應變、應力、鋼筋應力、填土壓力、土體內(nèi)應力、應變、孔隙壓力等;（4）環(huán)境量等工作條件觀測：上下游水位、冰凍、岸坡地下水位、氣溫、壩前水深、壩體溫度、壩前淤積、壩區(qū)地震活動等;（5）庫區(qū)巡視檢查;（6）其他觀測。

此外，根據(jù)需要還可以進行過水建筑物的水力學觀測、庫壩區(qū)地形變化、危巖、滑坡監(jiān)測、壩體地震反應等。并依據(jù)除險加固設計的新防滲設施、新增建筑物、大壩加高涉及的新關注點，作為新增監(jiān)測項目進行相應的設計。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集終端單元

數(shù)據(jù)采集終端設備應具備以下基本功能：模擬量數(shù)據(jù)采集;開關量數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)保存;數(shù)據(jù)保持;數(shù)據(jù)傳送。

上述數(shù)據(jù)保持是指數(shù)據(jù)的不可破壞性，即使遇到數(shù)據(jù)采集終端掉電，數(shù)據(jù)采集終端被破壞等情況時，數(shù)據(jù)也不會丟失。數(shù)據(jù)傳送應受到權限控制，一旦權限許可，數(shù)據(jù)采集終端才會按一定格式向計算機或其它通信設備傳送數(shù)據(jù)。除了具備以上功能外，還應具備超標自動報警;允許遠程設置、修改參數(shù)，以及遠程控制功能等。

數(shù)據(jù)采集終端設備上電后應自動尋找網(wǎng)絡，保證通訊自動保持在線，斷線自動連接?？筛鶕?jù)設定的上報周期上報系統(tǒng)存儲的各種測量數(shù)據(jù)，實時響應數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息中心人工請求的各種命令，并及時回傳相應數(shù)據(jù)。具有快速、準確、維護方便、覆蓋面廣、性能可靠等諸多特點。

3.2.3 網(wǎng)絡通信

庫區(qū)網(wǎng)絡通信包括數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡，控制系統(tǒng)通信專網(wǎng)，視頻通信網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡采用NB-iot、 LORA物聯(lián)網(wǎng)技術和衛(wèi)星通信等現(xiàn)代通信技術。在水庫大壩廊道內(nèi)的監(jiān)測設備以及傳統(tǒng)通信不能覆蓋的區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測設備都可采用進行NB-iot、LORA物聯(lián)網(wǎng)通信;大壩變形監(jiān)測可采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行自動監(jiān)測和通信。（1）控制系統(tǒng)通信專網(wǎng)，考慮水庫閘門和閘閥等重要設備控制的安全性，建議采用光纖專線進行監(jiān)控。其他控制設備在專線不能到過的地方可采用NB-iot、LORA物聯(lián)網(wǎng)加密傳輸監(jiān)控信號，以保證控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。（2）視頻通信網(wǎng)絡因傳輸數(shù)據(jù)量大，結合視頻點地域分布，可考慮采用光纖通信、無線WIFI、4G通信或5G通信。

3.2.4 系統(tǒng)管理中心

大壩管理中心安裝硬件設備和軟件系統(tǒng)，硬件設備主要由數(shù)據(jù)庫服務器、工作站、打印機、網(wǎng)絡設備、通訊設備、后備電源、大屏幕等組成;軟件系統(tǒng)包括綜合管理平臺、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通信管理系統(tǒng)、應用軟件系統(tǒng)。管理中心是用戶接口，最終完成如下功能：（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能：系統(tǒng)應按運行要求，對所有接入系統(tǒng)中的各類監(jiān)測儀器進行一定方式的自動化測量，儲存所測數(shù)據(jù)，并傳送到中央控制裝置集中儲存或處理。（2）數(shù)據(jù)通訊功能：中央控制裝置與所有測控裝置，中央控制裝置與數(shù)據(jù)管理主機均具有雙向通訊功能。（3）系統(tǒng)外數(shù)據(jù)通訊功能。系統(tǒng)應具有遠程通信接口，可以上網(wǎng)與各級管理部門的信息系統(tǒng)之間實現(xiàn)遠程通訊，實現(xiàn)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。（4）數(shù)據(jù)管理功能：中央控制裝置集中儲存系統(tǒng)內(nèi)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別按系統(tǒng)測點排列及時間序排列，可以對數(shù)據(jù)進行初步處理，供運行人員瀏覽、檢查、繪圖、打印。中央控制裝置和信息管理系統(tǒng)聯(lián)機運行時，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入信息管理系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫以供入庫存檔和進一步分析處理。（5）系統(tǒng)自檢功能：系統(tǒng)應具有自檢能力，當系統(tǒng)中硬件設備或通訊線路發(fā)生故障時在中央控制裝置或信息管理主機顯示器上顯示故障信息，以便及時維修。

3.2.5 供電系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)

對于監(jiān)測系統(tǒng)中的遠程數(shù)據(jù)采集終端，應全部采用低功耗設計。每個單元自帶蓄電池，當外部電源中斷時，數(shù)據(jù)和參數(shù)也不丟失，可以靠本身電池自動上電，能維持自身約10天以上正常運行[2]。對于傳感器及其它監(jiān)測設備，需提供外部供電系統(tǒng)。根據(jù)水庫的實際供電情況，就近引設電源或采用太陽能供電系統(tǒng)?，F(xiàn)場設備工作于野外，根據(jù)系統(tǒng)具體情況將從接閃器、引下線、側擊雷防護、屏蔽、等電位連接、浪涌保護器安裝、接地裝置等現(xiàn)場情況入手，結合GB50057《建筑物防雷設計規(guī)范》和GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》進行防過電壓設計。

3.3 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

水庫網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實時直觀的觀測水庫各種變化及涵閘的運行情況，為領導決策提供了直觀的圖像信息，同時改善了觀測、測量工作人員的工作環(huán)境，減少工作人員，真正做到無人值守、少人值班。

水庫網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)以下主要功能：（1）實現(xiàn)庫區(qū)24小時日常巡查錄像。（2）汛期可實時觀察水庫的水位變化及汛情變化，如水位達到警戒線，或大壩出現(xiàn)其他汛期險情，就地值守人員及管理中心可立即觀察到實時圖像信息。（3）水庫重點區(qū)域的防范，隨時查看閘門、大壩的正常工作和穩(wěn)固程度。（4）水庫水面、水岸情況的實時遠端監(jiān)控。（5）水庫氣象情況的實時觀測。

4 結語

水庫大壩智能安全監(jiān)測系統(tǒng)建設應采用新的現(xiàn)代通信技術，如衛(wèi)星定位系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術解決大壩變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集傳輸分析問題。實現(xiàn)安全監(jiān)測智能化，提高大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)能力水平，滿足安全管理要求，為水庫安全運行提供穩(wěn)定、高效、科學的輔助決策。

參考文獻

[1] SL268-2001，大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)設備基本技術條件[S].

[2] 王士軍.水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術[J].中國水利，2018（20）：56-57+60.