季勝強 張鋒 張志峰 謝凱 杜宗印

摘要：針對大壩水下防御、水質(zhì)狀況監(jiān)測需求設(shè)計基于水下觀測網(wǎng)的大壩安全警戒系統(tǒng)。安全警戒系統(tǒng)通過岸基站供電，利用光電復合纜將電能傳輸至水下節(jié)點接駁盒進行電能轉(zhuǎn)換，對水下攝像系統(tǒng)、三維成像聲納系統(tǒng)等終端設(shè)備提供電能供給。水下終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過水下節(jié)點接駁盒轉(zhuǎn)換至光信號利用光電復合纜傳輸至岸基站并進行數(shù)據(jù)顯示，同時岸基監(jiān)控系統(tǒng)可對水下終端設(shè)備進行遠程控制，從而實現(xiàn)對大壩水下狀態(tài)實時監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：大壩;接駁盒;攝像;三維成像聲納;水質(zhì)監(jiān)測

引言

隨著大壩建設(shè)的日益發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成水利工程的重要組成部分，在防洪、灌溉、發(fā)電、航運等方面得到了充分的發(fā)展，并發(fā)揮著巨大的作用。同時，大壩的安全尤為重要，稍有不慎則會給國家及人民帶來難以預料的災難。大壩的安全分為兩個方面，一方面為大壩本體的安全，主要與大壩的設(shè)計、選址、建造等因素有關(guān)，另一方面是外界環(huán)境因素對大壩造成的危害[1]。針對影響大壩安全的外界環(huán)境因素，主要通過實時動態(tài)視頻、水下三維成像聲納等技術(shù)進行監(jiān)控，確保大壩安全。

現(xiàn)代科技的發(fā)展和前沿科技的大規(guī)模應用導致水下攻擊具有相當?shù)碾[蔽性與廣泛的應用，針對大壩水下防御、水文水質(zhì)實時監(jiān)測的需求，依托水下立體防護網(wǎng)絡(luò)，進行關(guān)鍵水域的實時監(jiān)測，建立基于水下觀測網(wǎng)絡(luò)的大壩安全警戒系統(tǒng)，使大壩防御體系多樣化、立體化，進而提高大壩安全，保障民眾生命及財產(chǎn)安全[2]。

1.水下觀測網(wǎng)安防警戒系統(tǒng)

水下觀測網(wǎng)來源于本世紀初提出的海底觀測網(wǎng)概念[2][3]，后者已經(jīng)成為海洋監(jiān)測的一種新型觀測方法。水下觀測網(wǎng)是通過一條水下光電復合纜，向水下觀測節(jié)點提供相對充足的電能和較大的數(shù)據(jù)容量。由于其長期、實時、原位以及可持續(xù)觀測的特點，也將成為重要的水下安防警戒手段。

基于水下觀測網(wǎng)的安防警戒系統(tǒng)以水下監(jiān)測系統(tǒng)接駁盒平臺為基礎(chǔ)，擴展接口搭載各類傳感器，如水下攝像、水下三維成像聲納系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測傳感器等，對大壩所在水域的進行立體實時監(jiān)測。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

基于水下觀測網(wǎng)的大壩安全警戒系統(tǒng)的拓撲圖如圖1所示，該系統(tǒng)由岸基站、水下節(jié)點接駁盒、光電復合纜、攝像系統(tǒng)、主被動聲納、多參數(shù)水質(zhì)分析儀和電磁場傳感器組成。主要監(jiān)測大壩所在水域的水質(zhì)狀況，大壩附近有無可疑物，大壩自身是否出現(xiàn)裂痕等?？紤]到系統(tǒng)的可擴展性，電能傳輸采用直流恒壓的方式進行。

2.1岸基遠程監(jiān)控和電能管理系統(tǒng)

岸基站是監(jiān)測系統(tǒng)的“大腦”中樞，岸基主要由運行管理系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)及指揮控制系統(tǒng)組成。其主要功能是管理整個系統(tǒng)的正常運行，實現(xiàn)水下觀測的遠程供電、觀測數(shù)據(jù)的采集、接收、存儲及管理分配，并最終實現(xiàn)與用戶終端的信息交互。

基于水下觀測網(wǎng)絡(luò)的大壩安全警戒系統(tǒng)實現(xiàn)全天候遠程自動監(jiān)測，可以記錄監(jiān)測對象完整的數(shù)據(jù)變化過程，并且借助于光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳系統(tǒng)實時得到數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的任何需要這些數(shù)據(jù)的部門，非網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)可通過無線基站、GSM（GPRS）、CDMA等實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)無線傳輸[4]。

2.2電能和通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)

電能和通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由岸基供電電源、UPS不間斷電源、光電交換機和傳輸光電復合纜構(gòu)成。其中，岸基供電電源可提供400V/10A的恒壓電能供給，具備電源監(jiān)測、遠程控制能力;UPS不間斷電源可在市電斷電后，立刻切換為電池供電，為觀測系統(tǒng)提供短時間內(nèi)的持續(xù)恒定的電能供給;兩臺光電交換機分別位于岸基和節(jié)點接駁盒內(nèi)，通過光電復合纜內(nèi)的光纖單元進行通訊網(wǎng)絡(luò)的搭建，主干纜帶寬可達1Gbps，傳感器通訊速率最大可達100Mbps。

水下光電復合纜是觀測網(wǎng)絡(luò)的“血管”，是系統(tǒng)能量及信號的傳輸路徑，為近距離海底專用光電復合纜，采用雙極導體、12根光纖傳輸光電信號，并且采用外層單層鎧裝方式防拖、防撞保護設(shè)計及高密度聚乙烯護套防腐蝕設(shè)計，保證光電復合纜海底使用的長期安全及穩(wěn)定性。

2.3節(jié)點接駁盒

節(jié)點接駁盒主要具有四個功能：光電分離、電能變換、電能控制和通訊轉(zhuǎn)接。

光電分離：光電分離腔主要作用為對主干纜進行光電分離，并將供電線路輸入至電能變換器，將千兆光纜輸入至通訊轉(zhuǎn)接系統(tǒng)。

電能變換：岸基站的AC/DC轉(zhuǎn)換器把市電220 VAC轉(zhuǎn)換成直流電壓375 VDC，通過光電復合纜傳輸?shù)礁魉鹿?jié)點。375 VDC不能直接為科學儀器供電，需要經(jīng)過一定的電壓變換，降低電壓等級至24 VDC和12 VDC來滿足不同的科學儀器的使能需求。

電能控制：電能控制的主要功能為節(jié)點狀態(tài)監(jiān)控、外部負載狀態(tài)監(jiān)控、故障判斷與隔離和時間同步?？梢葬槍^流、過壓、短路、接地等故障進行判斷和快速處理。同時當監(jiān)測到節(jié)點的故障情況時候通過電能分配的方式進行強制的故障隔離，以免影響其他節(jié)點的運行。

通訊轉(zhuǎn)接：由于接駁接口是面對不同的信息傳輸協(xié)議，如串口RS232，RS485和以太網(wǎng)等[5]。實際應用時，作為水下監(jiān)測系統(tǒng)中心的節(jié)點接駁盒，需要對多種不同協(xié)議的傳輸信號進行匯總和轉(zhuǎn)發(fā)，因此，需要對各種協(xié)議進行轉(zhuǎn)換，不同協(xié)議的信息先經(jīng)過轉(zhuǎn)換匯總，在通過控制中心來完成信息的上傳下達[6]。

水下立體實時監(jiān)測系統(tǒng)的目標之一就是要收集和分析長時間序列的數(shù)據(jù)，對于某些觀測到的數(shù)據(jù)而言，時間精度需要達到微秒乃至納秒的級別，從而達到遠程實時監(jiān)測水下環(huán)境數(shù)據(jù)的目的。為了滿足海底觀測高精度的對時，通過岸基安裝時間服務(wù)器，在接駁盒采用軟硬件結(jié)合處理的方式實現(xiàn)接駁盒和岸基的時間同步，并為所有接駁接口提供高精度的PTP時間服務(wù)信號。

2.4監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)主要包括水下攝像系統(tǒng)、三維成像聲納系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)分析儀和電磁場傳感器。其供電電源來自于節(jié)點接駁盒內(nèi)部，其采集得到的數(shù)據(jù)通過節(jié)點接駁盒內(nèi)的光電交換機和傳輸纜內(nèi)的光纖單元，實時傳輸至岸基遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

水下多點全方位攝像系統(tǒng)以獨特的水下封裝，將監(jiān)控攝像頭安裝在水下，具有自動對焦功能，對水下環(huán)境、泥沙沉淀物等進行實時動態(tài)監(jiān)測。另外，在大壩自身的關(guān)鍵節(jié)點均進行視頻監(jiān)控，保證大壩的完好性。

三維成像聲納系統(tǒng)利用主/被動探測聲納對水下目標進行探測、定位，主要監(jiān)測目標為水下生物活動、水下可疑目標、武裝挖人[8]、潛水機械設(shè)備等。

電磁場傳感器[9]，探測水下的電磁場有無異常，判斷大壩附近有無可以金屬物

同時，監(jiān)控系統(tǒng)安裝配備多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測傳感器，用于流經(jīng)大壩的水質(zhì)狀況監(jiān)測和大壩水位監(jiān)測，保障水質(zhì)安全。最終，通過岸基中控臺對水下目標和水質(zhì)狀況進行實時定位和顯示。監(jiān)測參數(shù)如表1所示。

2.5節(jié)點接駁盒防護平臺

水下接駁盒對整個系統(tǒng)起著能量及信號中繼、分配的作用，是整個系統(tǒng)的“心臟”，節(jié)點接駁盒為長期固定布置的主纜終端設(shè)備，必須具有一定的抗拖網(wǎng)、抗水流、防止大型水生生物咬嚼連接纜、防腐蝕、防生物附著等特性。同時，需要考慮到投放時可能會產(chǎn)生的水流拍擊，海流沖擊等動態(tài)特性，以及由于海底地質(zhì)松軟產(chǎn)生下陷的可能。防護外框架設(shè)計采用金字塔形設(shè)計，可有效防沉降、防拖網(wǎng)、防止水流泥沙沖擊、水下地勢的傾斜及它物的拖拽等不良情況，并增加防腐措施，達到水下長期使用的目的。

3.系統(tǒng)測試

穩(wěn)定性是一個系統(tǒng)的第一要素，水下系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求尤為苛刻?；谒掠^測網(wǎng)的安全警戒系統(tǒng)目前已經(jīng)對系統(tǒng)的功能和可靠性進行了一系列試驗測試驗證。

3.1實驗室測試

節(jié)點接駁盒的內(nèi)部設(shè)備及電路被集成在內(nèi)部框架中，基于散熱性能的考慮，內(nèi)部框架采用鋁合金材料，然后整個系統(tǒng)封裝進鈦合金材料制成的密封腔[10]。該密封腔經(jīng)過高壓艙2.5MPa的壓力測試。

在水下觀測節(jié)點的內(nèi)部設(shè)備及電路封裝進密封腔前、后，分別對整個系統(tǒng)進行24小時連續(xù)供電測試，供電電壓375VDC，其中攝像頭和LED探照燈作為外部負載，驗證系統(tǒng)的電能變換和通信功能以及可靠性。

封裝前的連續(xù)測試期間，利用熱成像儀不定時監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)熱情況，檢測系統(tǒng)是否存在異常的發(fā)熱點，異常的發(fā)熱會降低系統(tǒng)的可靠性。水下觀測節(jié)點樣機需至少通過兩次24小時連續(xù)供電測試。

3.2 湖試

大壩安全警戒系統(tǒng)布放于南通應急水源地。此次布放工作包括岸基站的建立、250m水下光電復合纜的敷設(shè)以及一個水下觀測節(jié)點的布放。

節(jié)點接駁盒的布放深度大概為10m，離岸距離為150m。圖2為即將下水布放的節(jié)點接駁盒，該節(jié)點接駁盒包括水下攝像系統(tǒng)、三維成像聲納系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)分析儀和電磁場傳感器，所有設(shè)備安置在外框架中，整個系統(tǒng)重量為100Kg左右。

半年以來系統(tǒng)一直穩(wěn)定運行，水質(zhì)和視頻數(shù)據(jù)一直穩(wěn)定傳輸并在上位機顯示存儲，如圖3所示。

4.結(jié)束語

本文介紹了基于水下觀測網(wǎng)的大壩安全警戒系統(tǒng)。相比較傳統(tǒng)水質(zhì)采樣方式，纜系觀測網(wǎng)以長時間、實時、原位監(jiān)測的特點必將成為水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的一個發(fā)展趨勢。為了適應各種環(huán)境，用于水質(zhì)分析的纜系觀測網(wǎng)還有很多的工作要做。未來觀測節(jié)點在現(xiàn)有的功能基礎(chǔ)上會變的更小、更輕，布放更為方便。同時需要建立相關(guān)硬件和軟件行業(yè)標準來兼容各種各樣的科學儀器。

參考文獻 （References）：

[1]高洪來，關(guān)于大壩安全問題，廣西水利水電，1994（4）：44-48

[2]汪樹玉，劉國華，系統(tǒng)分析，杭州：浙江大學出版社，2002.

[3]P. Favali and L. Beranzoli. Seafloor Observatory Science： a review[J]. Annals Of Geophysics， 2006， 49（2-3）：515-567.

[4]陳鷹，楊燦軍，陶春輝，等.海底觀測系統(tǒng)[M].北京：海洋出版社，2006.

[5]高健，移動通信[M].北京：高等教育出版社

[6]王華忠著.監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[7]姚勝東.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT[J].儀表技術(shù)，2014，（8）：4-6.

[8]張偉豪，許楓.水下蛙人被動探測技術(shù)實驗研究[J].聲學學報.

[9]張立影，王澤忠，一種高靈敏度電磁場傳感器[P].2014

[10]易學平，鈦合金焊接件密封問題研究[J].機械管理開發(fā).2011.