朱 杰

(南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

水電站群大壩的實時監(jiān)測是一項十分復雜且繁瑣的工作，涉及較多的關聯(lián)裝置，對區(qū)域范圍之內(nèi)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)甚至人們的日常生活都會產(chǎn)生極大的影響。目前階段，隨著社會對水資源開發(fā)利用規(guī)模的擴大及需求的增長，大壩的覆蓋面積以及供水區(qū)域也在不斷擴展延伸，為確保大壩的應用穩(wěn)定性，相關人員會對水電站群的大壩進行實時性的遠程監(jiān)控，初始的大壩遠程安全監(jiān)測多為單向，文獻[1]和文獻[2]，設定傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)大壩遠程安全監(jiān)測方法、傳統(tǒng)遠程紅外大壩遠程安全監(jiān)測方法，這一類形式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)預期的監(jiān)測任務及目標，但是缺乏針對性與穩(wěn)定性，再加上外部環(huán)境及特定因素的影響，導致最終得出的監(jiān)測結(jié)果無法達到預期的標準[3]。不僅如此，當前的監(jiān)測結(jié)構(gòu)一般為單向的，效率較低，所部署的監(jiān)測節(jié)點數(shù)量較少，這也是導致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)誤差的重要因素之一[4]。為此提出對基于無線傳感網(wǎng)絡的水電站群大壩遠程安全監(jiān)測方法的設計與驗證分析。所謂無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)，主要指的是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)頒布網(wǎng)絡和控制管理中心三部分組成定向識別技術(shù)，多是由傳感器、通信模塊以及處理單元所組成，節(jié)點會將數(shù)據(jù)、信息傳輸?shù)教幚碇行闹?，以待后續(xù)使用。將該項技術(shù)與水電站群大壩遠程安全監(jiān)測工作進行融合，一定程度上可以進一步擴大當前的監(jiān)測范圍，逐步形成更加靈活、多變的識別監(jiān)測結(jié)構(gòu)，加深對大壩的遠距離識別與監(jiān)測[5]。此外，在無線傳感網(wǎng)絡的輔助下，觀測數(shù)據(jù)、監(jiān)測信息的匯總處理效率也明顯提高，智能化監(jiān)測模型慢慢取代傳統(tǒng)監(jiān)測模型，凸顯自身的監(jiān)測特性，為后續(xù)相關技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新提供參考依據(jù)[6]。

1 設計大壩遠程無線傳感網(wǎng)絡安全監(jiān)測方法

1.1 基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)信息采集

水電站大壩的狀態(tài)監(jiān)測是一項十分復雜且繁瑣的工作，需要人工調(diào)動及在線設備的輔助，結(jié)合得出的數(shù)據(jù)、信息對異常情況作出解析，以此來得出最終的監(jiān)測結(jié)果[7]。因此，先進行基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)信息采集。先將微型傳感器接入實時監(jiān)測控制程序之中，與之關聯(lián)的監(jiān)測設備主要包括沉降監(jiān)測儀、位移監(jiān)測裝置、滲流監(jiān)測節(jié)點等。明確大壩的監(jiān)測位置和具體的范圍，結(jié)合3S定位技術(shù)，在大壩的覆蓋范圍之內(nèi)進行識別模塊的劃分[8]。

利用3S定位技術(shù)，對各個模塊標點，設置靜態(tài)定位水平精度比為3.2～4.6之間，動態(tài)定位水平精度比為16.35～18.11之間。在此基礎之上，還可以在內(nèi)置控制結(jié)構(gòu)中增設沉降傳感器。鎖定好基準點、識別點和監(jiān)測點，作為固定參考物，分2個監(jiān)測階段設置監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)信息采集表

結(jié)合表1，實現(xiàn)對基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的采集，完成基礎數(shù)據(jù)信息的獲取之后，對大壩遠程監(jiān)測多維測定。

1.2 部署多目標無線傳感網(wǎng)絡識別監(jiān)測節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測節(jié)點的部署需要結(jié)合大壩的監(jiān)測位置、狀態(tài)以及需求等信息，延長網(wǎng)絡應用實踐周期的同時，擴大監(jiān)測的范圍，加強對監(jiān)測誤差的等效控制。節(jié)點的部署一般采用移動的形式，大致可以劃分為靜態(tài)節(jié)點和動態(tài)節(jié)點。將內(nèi)置的傳感器與節(jié)點感知程序相連接，劃定可控的識別監(jiān)測空間，鎖定具體的節(jié)點感知范圍之后，測算出此時的歐氏距離：

(1)

式中，K—歐氏距離；r—監(jiān)測覆蓋范圍；—監(jiān)測誤識率；w—監(jiān)測單元常數(shù)值；g—識別范圍。

結(jié)合當前得出的歐氏距離，設置識別監(jiān)測節(jié)點的間距，同時，在水電站的大壩多個位置、多個方向、多個項目部署目標節(jié)點，由核心節(jié)點作為控制引導，形成多層級、多目標、多標準的網(wǎng)狀大壩識別監(jiān)測結(jié)構(gòu)，一定程度上可以完善、細化監(jiān)測結(jié)構(gòu)，凸顯節(jié)點的輔助監(jiān)測優(yōu)勢，強化后續(xù)的監(jiān)測效果。

1.3 構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡大壩遠程監(jiān)測模型

結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡，設計水電站大壩遠程監(jiān)測模型。首先，利用部署的節(jié)點進行實時數(shù)據(jù)的采集以及匯總，以待后續(xù)使用，依據(jù)無線傳感網(wǎng)絡的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，在模型中設定多個監(jiān)測層級，包括遠程監(jiān)測物理層、數(shù)據(jù)識別鏈路層、無線網(wǎng)絡共享層、數(shù)據(jù)信息傳輸層以及監(jiān)測應用層，對應的監(jiān)測層級執(zhí)行順序如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡大壩遠程監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1，實現(xiàn)對無線傳感網(wǎng)絡大壩遠程監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)的設計與實踐分析。當前結(jié)合大壩的遠程監(jiān)測距離以及區(qū)塊劃分，在模型中還需要構(gòu)建一個定向的遠程監(jiān)測矩陣，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡，計算出可控監(jiān)測同步差值：

Q=ρ2×θ(m+n)-σ

(2)

式中，Q—可控監(jiān)測同步差值；ρ—傳感距離；θ—監(jiān)測識別誤差；m—總同步范圍；n—堆疊同步范圍；σ—堆疊區(qū)域。

將其設定在矩陣之中，導入模型內(nèi)部，輔助模型對大壩遠程監(jiān)測共享及傳輸誤差的約束限制，提升模型的整體監(jiān)測效果，并強化安全監(jiān)測速率，強化模型自身的能力。

1.4 層次化綜合輔助預警實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測

由于當前水電站的大壩遠程監(jiān)測結(jié)果大多存在綜合性態(tài)的模糊，所以，此次在接入無線傳感網(wǎng)絡的背景下，采用層次化綜合輔助預警的方式提升監(jiān)測精度，對異常位置作出綜合診斷。制定大壩監(jiān)測預警結(jié)構(gòu)，計算出權(quán)重值之后，建立層次化的預警評價因素集，通過上訴設計的模型對當前存在異常的位置作出標定，一旦發(fā)生異常，內(nèi)置程度會根據(jù)異常的等級進行層次化綜合預警處理，如圖2所示。

圖2 層次化綜合輔助預警流程

根據(jù)圖2，完成對層次化綜合輔助預警流程的設計，利用上述設計的模型，同時對大壩的實時監(jiān)測異常信息進行轉(zhuǎn)化處理，通過接收基站和傳輸基站送達至預設的位置上，以待后續(xù)的監(jiān)測分析，也進一步提升整體的監(jiān)測精準度。

2 方法測試

此次主要是對基于無線傳感網(wǎng)絡的水電站群大壩遠程安全監(jiān)測方法的實際應用效果進行分析與驗證研究，考慮到最終測試結(jié)果的真實性與可靠性，采用對比的方式展開分析，選定H區(qū)域的水電站群大壩作為測試的主要目標對象，鎖定4個位置的大壩進行初始研究。參考文獻設定傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)大壩遠程安全監(jiān)測小組、傳統(tǒng)遠程紅外大壩遠程安全監(jiān)測小組以及此次所設計的無線傳感網(wǎng)絡大壩遠程安全監(jiān)測小組，根據(jù)當前的測定需求及標準，對最終得出的測試結(jié)果比照研究，接下來，綜合無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)，進行初始測試環(huán)境的設定。

2.1 測試準備

結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡，對H區(qū)域的水電站群大壩實時監(jiān)測方法測試環(huán)境進行設定及關聯(lián)搭接。通常情況下，水電站群大壩以發(fā)電為主，同時還需要在特定的時間季節(jié)保障附近作物的灌溉、排澇防洪、綜合養(yǎng)魚，所以，設置一個穩(wěn)定、具體的遠程監(jiān)控結(jié)構(gòu)是確保日常工作處理的關鍵手段之一。先進行遠程監(jiān)控基礎任務的確定，具體為：①日常發(fā)電、供電、電力調(diào)度數(shù)據(jù)實時監(jiān)測；實地勘探；信息化管理。②通過“水電站群信息管理中心”輔助日常工作執(zhí)行處理。③水電站自動采集站設定；水位監(jiān)測裝置布設；大壩實時監(jiān)測程序?qū)?。④?gòu)建大壩實時監(jiān)測無線通信基站或者中繼站、無線接收站或者信息中心站。⑤大壩遠程監(jiān)測滲壓點、滲流點、閘門自動控制、實時狀態(tài)傳輸監(jiān)測等設定。

將上述制定的大壩遠程監(jiān)測目標任務通過軟件進行轉(zhuǎn)換，組建相對應的指令導入可控的監(jiān)測系統(tǒng)之中，以待后續(xù)的使用。接下來，將系統(tǒng)接入無線傳感網(wǎng)絡之中，構(gòu)建一個循環(huán)性的監(jiān)測執(zhí)行測試結(jié)構(gòu)，進行基礎測試指標的設置，見表2。

表2 大壩遠程安全監(jiān)測指標參數(shù)設定表

根據(jù)表2，完成對大壩遠程安全監(jiān)測指標及參數(shù)的設定與調(diào)整，接下來，利用無線傳感網(wǎng)絡，對基礎數(shù)據(jù)進行分化解析，并設計相匹配的遠程監(jiān)測信道重發(fā)機制，便于后續(xù)的監(jiān)測輔助。需要注意的是，監(jiān)測重發(fā)機制的設計需要與地面上的監(jiān)測點識別基站、收發(fā)基站、傳送基站建立映射關系，縮短后續(xù)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總與傳送，至此完成基礎測試環(huán)境的搭建，接下來，針對方法進行具體測驗。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

在上述搭建的測試環(huán)境之中，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡，對H區(qū)域水電站群大壩遠程安全監(jiān)測方法作出定向測試與實踐分析。上文在該區(qū)域隨即選擇標定了4個大壩進行遠程監(jiān)測處理，可以先在明確大壩的覆蓋服務范圍，在可控的區(qū)域之內(nèi)，加設一定數(shù)量的監(jiān)測定位節(jié)點，便于實時數(shù)據(jù)以及信息的采集。

但是部署的節(jié)點必須連接在一起，平時處于休眠狀態(tài)，當大壩出現(xiàn)異常時，會立即啟動，在預設的間隔周期之內(nèi)完成目標的處理，便于后續(xù)構(gòu)建循環(huán)性的安全監(jiān)測空間，降低監(jiān)測問題及誤差的出現(xiàn)。在節(jié)點的控制結(jié)構(gòu)中安裝抗干擾裝置，并對具體的位置加密保護。在系統(tǒng)中模擬大壩的監(jiān)測狀態(tài)，具體如圖3所示。

結(jié)合圖3，完成對大壩監(jiān)測狀態(tài)的模擬，利用無線傳感網(wǎng)絡下達異常測試指令，通過監(jiān)測界面進行輔助解析，最終測定計算出監(jiān)測異常響應時間：

(3)

式中，G—監(jiān)測異常響應時間；χ—監(jiān)測范圍；t—定向監(jiān)測頻次；l—單元檢測差值；η—堆疊范圍。

解析得出的測試結(jié)果，如圖4所示。

圖4 測試結(jié)果對比分析

根據(jù)圖4，完成對測試結(jié)果的分析：對比于傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)大壩遠程安全監(jiān)測小組、傳統(tǒng)遠程紅外大壩遠程安全監(jiān)測小組，此次所設計的無線傳感網(wǎng)絡大壩遠程安全監(jiān)測小組最終得出的監(jiān)測異常響應時間被較好地控制在0.25s以下，說明在無線傳感網(wǎng)絡的輔助下，當前對于大壩的異常遠程監(jiān)測速度較快，針對性更強，具有實際的應用價值。

3 結(jié)語

總而言之，以上便是對基于無線傳感網(wǎng)絡的水電站群大壩遠程安全監(jiān)測方法的設計與驗證分析。大壩的遠程安全監(jiān)測一般與周圍的環(huán)境、日常的管控需求、監(jiān)測范圍的變動等存在最為直接的關系，所以，通過無線傳感網(wǎng)絡，鎖定水電站群大壩的具體位置，明確各個大壩之間距離的同時，將部署的節(jié)點進行搭接與關聯(lián)，形成循環(huán)性的安全監(jiān)測結(jié)構(gòu)，更加靈活、多變，自身具有較強的針對性。不僅如此，無線傳感網(wǎng)絡的接入，還可以最大程度縮短對于大壩的實施監(jiān)測信息傳輸耗時，一旦出現(xiàn)異常情況，也可以節(jié)省時間，為后續(xù)大壩結(jié)構(gòu)的維護及補休奠定基礎，營造穩(wěn)定環(huán)境的同時，創(chuàng)新升級遠程安全監(jiān)測技術(shù)。