白鳳玲,陳 域,吳建森

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,南京 210014;2.廈門四信物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司,福建 廈門 361000)

0 引言

我國地域廣闊,分布著眾多河流和水庫大壩,這些大壩起到了保護人民生命財產(chǎn)安全的重要作用[1]。隨著水庫大壩運行時間的增長,水庫大壩安全會出現(xiàn)各類問題,若不及時發(fā)現(xiàn)、解決,水庫很容易成為病險水庫,因此水庫大壩安全監(jiān)測顯得極其重要[2]。然而,目前大部分水庫大壩仍處于人工監(jiān)測狀態(tài),已經(jīng)安裝的安全監(jiān)測系統(tǒng)也多為技術(shù)相對落后的有線分布式結(jié)構(gòu),并且由于我國地形復雜,監(jiān)測點分散在不同地理位置,導致監(jiān)測系統(tǒng)存在干擾多、成本高、易損壞、安裝和維護困難等問題。雖然部分水庫大壩安裝了無線系統(tǒng),但由于技術(shù)限制,存在功耗過高或干擾信號衰減等缺點[3]。

針對以上問題,本文提出了一種基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測方法,用于對大壩的滲流、滲壓等進行有效監(jiān)測。運用該方法設(shè)計一套實用性更強的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng),使用該系統(tǒng)能夠降低安裝和維護成本,并避免由于干擾導致的數(shù)據(jù)監(jiān)測問題,從而提高數(shù)據(jù)監(jiān)測效率。

1 無線自組網(wǎng)概述

1.1 無線自組網(wǎng)技術(shù)的定義

無線自組網(wǎng)技術(shù)是一種基于無線通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以自動組建、配置和管理網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。它允許無線設(shè)備通過自動發(fā)現(xiàn)和動態(tài)路由連接來建立和維護通信鏈路,從而實現(xiàn)點對點或多對多的直接通信。無線自組網(wǎng)技術(shù)具備自適應(yīng)性、靈活性和可靠性,能夠在無需中央控制器的情況下,自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化、提供冗余路徑以增強網(wǎng)絡(luò)可靠性,并且能夠覆蓋更廣的區(qū)域范圍。這種技術(shù)常用于構(gòu)建大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動自組網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場景。

1.2 無線自組網(wǎng)技術(shù)的特點

無線自組網(wǎng)具備了多重功能,既可以充當路由器來進行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇,也可以作為接入點提供信號覆蓋,以便設(shè)備能夠連接到網(wǎng)絡(luò)。此外,每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都能夠同時發(fā)送和接收通信信號,并且可以直接與其他節(jié)點進行通信,實現(xiàn)了點對點的直接通信[4]。

無線自組網(wǎng)中無線節(jié)點可以自動完成網(wǎng)絡(luò)配置,實現(xiàn)設(shè)備的自動發(fā)現(xiàn),并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)選擇最佳的路由連接方式。這種特性消除了網(wǎng)絡(luò)中的單點故障對業(yè)務(wù)的影響,并提供了冗余路徑以增強網(wǎng)絡(luò)的可靠性。而且無線自組網(wǎng)還可以覆蓋更廣闊的區(qū)域,滿足大規(guī)模部署和高密度用戶需求,提供更廣泛的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)。

無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具備了信號避開障礙物干擾的能力,確保信號傳輸暢通無阻,消除了信號覆蓋盲區(qū)。這意味著無線自組網(wǎng)可以通過智能信號路由和轉(zhuǎn)發(fā)機制,使得信號能夠繞過建筑物、墻壁等障礙物,以達到更廣的覆蓋范圍,同時,提供更穩(wěn)定和可靠的信號傳輸。這種特性使得用戶在使用無線自組網(wǎng)系統(tǒng)時,不會受到障礙物的干擾,從而獲得更好的網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量和用戶體驗。這些特點都非常適合于水庫大壩復雜的環(huán)境,有利于實現(xiàn)全方位的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

2 無線自組網(wǎng)在大壩安全監(jiān)測中的有效應(yīng)用

2.1 設(shè)計背景

我國擁有大量的水庫,這些水庫在灌溉農(nóng)田、供水、發(fā)電等方面發(fā)揮著重要作用,取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益[5]。然而,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的增加,我國也面臨著一系列水資源管理和環(huán)境保護的挑戰(zhàn)。我國中小型水庫占水庫數(shù)量的絕大部分,且多數(shù)位于偏遠山林地區(qū)。為了加強水庫大壩的安全管理,相關(guān)部門在近些年對存在病險隱患的水庫進行了除險加固工作,有效改善了水庫的安全隱患。但對于地理位置偏遠、交通及通信不發(fā)達的中小水庫還存在一些問題,所在地的水庫管理人員無法實時觀測到水庫可能出現(xiàn)的險情,當設(shè)備損壞時難以修復,這都給水庫的安全帶來了較大隱患。為了解決這些問題,開展基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的水庫大壩安全監(jiān)測非常有必要。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)拓撲

2.3 系統(tǒng)組成

水庫大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、無線數(shù)據(jù)采集儀、網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心等四個部分組成。

(1)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備。用于實時監(jiān)測大壩和周圍環(huán)境的各種參數(shù),包括但不限于水位、壓力、位移等。這些傳感器可以安裝在大壩結(jié)構(gòu)內(nèi)部和周邊地質(zhì)環(huán)境中,以獲取準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)無線數(shù)據(jù)采集儀。即水庫監(jiān)測終端,內(nèi)置LoRa無線傳輸模塊,該終端的主要功能是接收現(xiàn)場傳感器所采集到的數(shù)據(jù),并通過內(nèi)置的LoRa通信模塊將這些數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)。無線數(shù)據(jù)采集儀具備自動組網(wǎng)功能,即在上電后能夠自動建立通信網(wǎng)絡(luò),無需人員干預。這樣的設(shè)計可以方便快捷地部署監(jiān)測系統(tǒng),減少了人工配置的工作量。此外,每個無線數(shù)據(jù)采集儀都獨立運行,它們之間通過無線通信進行數(shù)據(jù)傳輸,互相之間沒有依賴關(guān)系,對于監(jiān)測點的增加或刪除,并不會影響其他監(jiān)測點的正常工作。

(3)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)負責接收來自無線數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測中心或相關(guān)部門。它作為數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)器和中轉(zhuǎn)站,確保數(shù)據(jù)能夠順利地從現(xiàn)場傳輸?shù)街付ǖ哪繕?。為了提高系統(tǒng)的可靠性,監(jiān)控現(xiàn)場附近的兩臺網(wǎng)關(guān)可以互為備份,確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)運行。

(4)監(jiān)測中心。監(jiān)測中心負責收集、分析和處理無線自組網(wǎng)中的各種信息和數(shù)據(jù)。它可以監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)、通信質(zhì)量、數(shù)據(jù)情況等,并根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的決策和優(yōu)化。

2.4 LoRa功耗和通信

最常用的物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)有Wi-Fi、藍牙、Cat.16等,Wi-Fi和藍牙技術(shù)的功耗低但傳輸距離近,Cat.16傳輸距離遠但功耗高。為了減少傳輸損耗,本監(jiān)測系統(tǒng)采用了LoRa技術(shù)進行遠距離通信,按照每半小時采集上報一次的頻率,設(shè)備每小時的功耗為0.333 mA,根據(jù)電池19 000 mA容量,使用率為77 %,產(chǎn)品能使用5年,這意味著在相同電池容量下,LoRa設(shè)備可以持續(xù)運行更長時間。對于需要長時間運行且難以定期更換電池的大壩安全監(jiān)測,LoRa的低功耗特性非常有利[6]。

監(jiān)測系統(tǒng)中部署多個LoRa網(wǎng)關(guān)覆蓋同一區(qū)域,當一個網(wǎng)關(guān)發(fā)生故障或無法正常工作時,其他網(wǎng)關(guān)可以接管通信任務(wù),這種方式可以提供冗余備份,確保設(shè)備的數(shù)據(jù)能夠被及時接收。再將設(shè)備的數(shù)據(jù)同時發(fā)送到多個目標服務(wù)器或云平臺,當某個服務(wù)器或平臺發(fā)生故障時,可以從其他備份中恢復數(shù)據(jù),避免數(shù)據(jù)丟失,實現(xiàn)了多重容災(zāi)備份機制。

LoRa技術(shù)可以通過功率放大器延伸通信距離。該技術(shù)在曾溪水庫開展的測試結(jié)果如表1所示,在無障礙物遮擋的情況下,網(wǎng)關(guān)和節(jié)點的數(shù)據(jù)接收成功率為100 %;將功率放大器安裝在振弦采集儀上,網(wǎng)關(guān)和節(jié)點處于超級不可視對角線且距離為400 m的位置,數(shù)據(jù)接收率從80 %提升至了100 %。通過功率放大器的接入,可以將LoRa設(shè)備的傳輸距離延伸到更廣的覆蓋范圍內(nèi),克服障礙物干擾,實現(xiàn)更遠的通信距離。

表1 不同節(jié)點位置的數(shù)據(jù)接收率

2.5 系統(tǒng)平臺設(shè)計

大壩安全監(jiān)測平臺主要用于監(jiān)控和管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)對水庫大壩的控制和安全管理。系統(tǒng)利用多個傳感器采集水庫大壩的滲流、滲壓、水位等數(shù)據(jù)信息,并將這些實時數(shù)據(jù)通過無線信號傳輸給計算機。大壩安全監(jiān)測平臺對數(shù)據(jù)進行分析處理,并以圖表的形式展示,以便水庫管理人員隨時了解水庫大壩的安全情況。當水庫大壩存在安全威脅時,傳感器采集到的數(shù)據(jù)會超過預先設(shè)置的警戒值。平臺會對采集到的數(shù)據(jù)進行自動分析和處理,并在發(fā)現(xiàn)安全隱患時及時發(fā)出警報,以便水庫管理人員能夠迅速采取措施來解決問題。

大壩安全監(jiān)測平臺是基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測感知能力和工程安全運行管理經(jīng)驗構(gòu)建的。該平臺針對大壩的重點關(guān)注部位,可以進行多源數(shù)據(jù)的分析處理,并實時評估大壩的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。同時,利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等技術(shù),實時監(jiān)測水庫大壩的滲壓水位、滲流情況等。系統(tǒng)會根據(jù)各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)結(jié)果生成滲壓水位、滲流量等指標,并繪制分析過程線、斷面浸潤線及相關(guān)性曲線,以便進行更詳細的數(shù)據(jù)分析和評估。此外,結(jié)合工程安全分析專業(yè)模型庫和工程運行安全知識庫,實現(xiàn)了大壩在線結(jié)構(gòu)性態(tài)仿真和安全診斷分析。通過實時監(jiān)控、分析和預警,確保大壩的安全。

3 結(jié)語

水庫大壩是水利工程的重要組成部分,承載著大量水資源,為人們的生產(chǎn)和生活提供了重要保障。本文介紹了無線自組網(wǎng)在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過利用無線自組網(wǎng)技術(shù),自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化、提供冗余路徑以增強網(wǎng)絡(luò)可靠性,并且能夠覆蓋更廣的區(qū)域范圍,有效監(jiān)測大壩的滲流、滲壓等參數(shù),并設(shè)計一套實用性強的大壩安全監(jiān)測平臺。這種方法可以降低安裝維護成本,提高數(shù)據(jù)監(jiān)測效率,保障大壩運行的安全,在未來發(fā)展中,將繼續(xù)改進優(yōu)化,切實發(fā)揮無線自組網(wǎng)技術(shù)的潛在價值,以期在大壩安全監(jiān)測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。