基于物聯網的燕山水庫大壩智能巡檢系統(tǒng)

王長生，馬福恒，何心望，俞揚峰

(1. 河南省燕山水庫管理局，河南葉縣 467224； 2. 南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

作為監(jiān)控和保障大壩安全運行的重要措施，大壩安全監(jiān)測包括巡視檢查和儀器觀測，兩者組成一個有機整體，互為補充。然而，近年來監(jiān)測儀器的不斷改進及自動化監(jiān)測技術的迅速發(fā)展造成了一種假象，即：僅依靠監(jiān)測儀器就能夠全面反映大壩安全問題。事實上，由于時空不連續(xù)性的限制，儀器監(jiān)測不可避免地存在漏檢和盲區(qū)，完全依靠儀器監(jiān)測不一定能及時發(fā)現險情，2013年初發(fā)生的3座水庫潰壩就是巡查發(fā)現的險情。因此，只有儀器監(jiān)測和巡檢相結合，才能從局部到整體全面掌握大壩的運行性態(tài)。巡檢包括直觀檢查和儀器探查，其優(yōu)點是不受時空限制，能全方位地及時捕捉隱患前兆、迅速發(fā)現問題，是大壩安全監(jiān)控不可或缺的重要手段。然而，由于傳統(tǒng)巡檢的繁雜性、高強度、管理難度大和巡檢人員素質良莠不齊等多種原因，導致巡檢存在諸多問題，如數據組織散亂、隨機性大、規(guī)范程度低、信息孤島嚴重和時效性差等[1]。傳統(tǒng)巡檢方式已很難滿足水利工程管理信息化的需要；與此同時，大壩安全巡檢理論和方法的研究相對監(jiān)測理論的研究要少得多，巡檢理論和方法發(fā)展緩慢，難以實現巡檢的智能化，這也制約了巡檢在大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)中功能的體現。因此，實現大壩安全巡檢的智能化和巡檢信息的有效融合及安全評價研究，不僅對于水庫大壩日常維護管理、險情排查和應急處理具有重要意義，也是大壩安全管理現代化發(fā)展的現實需求。本文結合河南省燕山水庫實際研究了智能巡檢系統(tǒng)架構及組成，探討了系統(tǒng)研發(fā)的關鍵技術，研發(fā)了基于物聯網的大壩智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建立對提高水庫安全管理具有重要實用價值。

1 系統(tǒng)架構

1.1 物聯網及其體系架構

物聯網(internet of things， IOT)技術將傳感器技術、通信技術、分布式計算技術與現代化控制技術緊密結合，從而實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。目前，基于物聯網的智能巡檢系統(tǒng)已經在變電工區(qū)設備、鐵路信號設備、橋梁、建筑和煤礦等領域得到了一定的研究和探索性的應用[2-5]，顯示了物聯網技術的強大生命力及其在安全巡檢應用中的廣闊前景。物聯網的體系框架如圖1所示，它包括感知層、網絡層、應用層和公共技術[6]。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括大壩監(jiān)測傳感器、閘門開度、RFID 標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端，其主要功能是識別物體，采集信息。網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網和用戶的接口，實現物聯網的智能應用。

圖1 物聯網體系架構Fig.1 Architecture of IOT

診斷水庫安全性態(tài)不僅需要埋設在大壩等建筑物上的安全監(jiān)測傳感器信息、視頻閘控信息、庫區(qū)水雨情信息，而且需要下游保護區(qū)域人口分布、基礎設施，以及庫區(qū)水質及淤積信息。這些信息具有海量、多源、動態(tài)、異構和分散等特點，常規(guī)的信息傳輸和融合已不能適應水庫安全管理實時性要求[7]，采用物聯網進行智能管理具有重要意義。

1.2 智能巡檢系統(tǒng)架構

圖2 大壩智能巡檢系統(tǒng)架構Fig.2 Architecture of intelligent inspection system of dam

大壩安全智能巡檢系統(tǒng)不同于一般意義的物聯網，有其顯著特征，需借助壩工學、工程材料學、巖土力學、流體力學和軟件工程等多領域多學科知識，融合先進儀器與測量技術、信號處理、通信技術、物聯網技術、密碼學、云計算和科學計算等方法和技術，在物聯網的框架下，開展基于物聯網和云計算的大壩安全巡檢信息感知融合及動態(tài)評價模型研究，實現大壩智能巡檢技術的突破與創(chuàng)新，將研究成果及時推廣應用于實際工程，以改善當前大壩巡檢技術、提升大壩安全管理和應急決策水平。系統(tǒng)架構見圖2，由感知層、解析層、數據層和應用層組成。

感知層主要采集安裝在各建筑物的監(jiān)測儀器、PDA(圖像和文字)發(fā)生的事件和數據進行儲存。

解析層主要利用PDA統(tǒng)一中間插件技術實現把感知到大壩等建筑物安全信息無障礙、高可靠性、高安全性進行解析和傳送，采用多元化應用模塊接口，滿足信息共享，實現更廣泛的互聯功能。

數據層主要將水庫周邊地形數據、大壩等建筑物體型資料、以及啟閉設備資料預置于監(jiān)控中心數據庫，利用PDA安全技術將感知信息解析到SG-ERP數據庫，或通過PDA加密驗證后寫入監(jiān)控平臺。

應用層主要包含應用支撐平臺子系統(tǒng)和應用服務子系統(tǒng)。其中，支撐平臺主要為SG-ERP平臺，應用服務主要包括建筑物安全管理、啟閉設施安全管理，以及在此基礎上的壽命周期管理。如啟閉設施巡視管理、檢修管理、啟動異常診斷、消缺管理等。

感知層和解析層作為智能巡檢系統(tǒng)的前置部分，主要功能是感知大壩等建筑物安全信息；數據層和應用層則是將感知信息進行應用，實現建筑物及啟閉設施壽命周期管理。

2 系統(tǒng)研發(fā)的關鍵技術

2.1 智能巡檢指標體系構建

巡檢指標體系定量化是建立智能巡檢系統(tǒng)的基礎。大壩安全監(jiān)測技術規(guī)范詳細描述了巡檢項目和巡檢內容，實際工程中，由于巡檢涉及多層次多指標，構建適合于信息化的指標體系較為復雜。當前巡檢資料以定性分析為主，定性過程隨機性較大。這就需要調查和統(tǒng)計國內外水庫大壩失事成因，結合規(guī)范規(guī)定、壩型、等級和結構特征等多方面信息，確定壩體各區(qū)、壩基和壩區(qū)、泄水建筑、及金屬結構等各單元和分部工程的包含人工感官、探測和傳感檢測在內的多種巡檢指標，按指標、單元、分部工程和單位工程的遞歸型式提出水庫大壩物聯網巡檢信息的組織方法，建立巡檢多層次結構。采用多尺度理論和方法、及數量統(tǒng)計理論和方法研究單元局部損傷缺陷和侵蝕性環(huán)境對整體性態(tài)衰減的驅動作用，定量地提出巡檢指標和整體性態(tài)的關系模型；采用逆模糊化和歸一標準化等多種數學方法制定智能巡檢指標體系。

根據建立的指標體系和指標屬性，擬定不同巡檢內容不同狀態(tài)下的參數屬性，分析移動智能終端的巡檢定位、路線生成、指標屬性識別和實時采集信息傳輸等功能需求，分別集成終端移動智能終端前端采集器的RFID、傳感器、處理器和WSN傳輸模塊等硬件模塊，及移動智能終端接收器的傳感器、處理器、基于ZigBee的WSN傳輸模塊和LCD屏等硬件模塊；將RFID和巡檢點三維靜態(tài)信息關聯，開發(fā)移動智能終端接收器的信息管理、通信模塊和圖形用戶界面模塊等，集成得到移動智能終端信息管理系統(tǒng)。

2.2 巡檢作業(yè)指導書修訂

每個水庫規(guī)模、建筑物類別、關注要素等均不相同，如何有效地制定巡檢作業(yè)指導書，以減少巡檢人員工作量、提高巡檢質量、快速科學地診斷工程安全性態(tài)，巡檢作業(yè)指導書的修訂尤為重要。這就需要建議以減少巡檢工作量、交通的便利性、巡檢物聯網組網的科學合理性等多目標為優(yōu)化約束條件，借助多目標優(yōu)化智能算法實現不同巡檢類型下的巡檢路線的搜索識別和優(yōu)化。制定切實科學的智能巡檢作業(yè)指導書，在作業(yè)指導書操作中，引入了向導指南方式，使得一個缺乏經驗的年輕巡檢人員也可以輕松上手。對于“正?！钡难惨曧椖?，可選擇“下一步”查看下一條巡視項目。否則，系統(tǒng)自動進入“缺陷簿”進行缺陷的添加。隨著工程管理重心變化，巡檢作業(yè)指導書需要維護和完善，系統(tǒng)中設置了維護修訂功能。包括以下3個步驟。

(1)巡檢作業(yè)指導書修訂。以水庫樞紐建筑物和啟閉設施安全現狀、交通條件及其安全要素為主要內容，按照巡檢規(guī)范要求，修訂巡檢作業(yè)程序標準。

(2)巡檢作業(yè)指導書審核。修訂完成后的作業(yè)指導書進入電子審批流程，指導書必須經過主管部門審核、批準通過后才可以執(zhí)行。

(3)巡檢作業(yè)指導書導出、打印。系統(tǒng)支持將作業(yè)指導書導出Word格式，同時支持作業(yè)指導書的打印。

2.3 巡檢信息感知和融合

由于大壩智能巡檢信息的多樣性、隨機性、復雜性，目前的信息融合處理過程中信息的一致性以及融合感知系統(tǒng)的容錯性和穩(wěn)健性等關鍵技術亟待解決。為此，首先針對大壩安全多源信息的隨機性、模糊性、盲性等特征進行研究，建立信息融合層、特征融合層、決策融合層的3層梯度結構的多源信息融合框架體系。在此基礎上，對多源信息進行功能辨識、數據清洗、數據分離，采用改進的融合算法對數據進行融合，確定多源信息度量函數、有效數據提取準則，建立大壩安全多源信息最優(yōu)特征融合模型，保證融合處理過程中信息的一致性。研究統(tǒng)計決策理論、專家系統(tǒng)、SD證據推理、自適應決策，人工神經網絡和模糊推理等理論和方法，選擇最優(yōu)決策方法，建立智能決策感知模型，辨識大壩性態(tài)的演變規(guī)律和轉異特征[8]。所采用的主要技術路線見圖3。

圖3 巡檢信息感知和融合流程Fig.3 Process of checking information perception and fusion

3 系統(tǒng)實現及功能

3.1 工程概況

燕山水庫位于淮河流域沙潁河主要支流澧河上游干江河上，是以防洪為主，結合供水、灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。主要建筑物包括左岸臺地和河槽布置的大壩、在右岸小燕山基巖區(qū)布置的泄洪洞、溢洪道、輸水洞及電站[9]。大壩軸線長4.7 km，建筑物布置分散，再加上大壩等建筑物布置較多監(jiān)測儀器、視頻攝像頭、閘門遠程控制、水雨情遙測站，給日常安全管理、巡視檢查、缺陷消缺處理等帶來不便。為此，河南省燕山水庫管理局聯合南京水利科學研究院在相關基金資助下研發(fā)了基于物聯網的大壩智能巡檢系統(tǒng)，實現了水庫安全信息的及時、有效、準確的交互與處理，極大提高了水庫現代化安全管理水平。

3.2 系統(tǒng)研發(fā)

圖4 系統(tǒng)結構拓撲圖Fig.4 Topology of system structure

基于物聯網的燕山水庫大壩智能巡檢系統(tǒng)由巡檢儀(PDA)和后臺管理系統(tǒng)組成，通過本地、遠程或無線網絡實現數據交換，并能與現有的后臺GIS系統(tǒng)互聯和信息共享。其結構拓撲圖如圖4所示。巡檢儀通過本地USB接口或無線網絡與水庫信息管理服務器進行通訊，客戶瀏覽端通過HTTP協議與Web服務器進行通訊，Web服務器與后臺數據庫直接交互，最終實現巡檢信息的存儲和持久化。該系統(tǒng)于2013年6月開發(fā)調試完成，目前運行正常。

3.3 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)極大利用了現有的通訊條件，相比用WLAN方式或微波等方式大大地節(jié)約了網絡建設的投資，利用了更可靠、穩(wěn)定的通迅網絡覆蓋，實現接入功能，并且具備極大的可擴展性[10]。其主要功能有：

(1)根據水庫建筑物實際制定《大壩巡視作業(yè)指導書》，規(guī)范巡視作業(yè)內容、步驟，并把《大壩巡視作業(yè)指導書》編制在移動終端應用中，引入了向導指南方式，使得一個缺乏經驗的年輕巡檢人員也可以輕松上手。

(2)系統(tǒng)自動提醒本崗當日的任務。在巡視工作前，依據作業(yè)指導書，向巡檢人員提供：人員要求信息、危險點分析信息、安全措施信息、巡視工器具的工作前確認?？梢赃m應不同的作業(yè)要求，也同時盡可能降低巡視人員的作業(yè)強度。

(3)每次巡查人員的巡查路徑軌跡能實時進行保存，從而可以實時的在監(jiān)控中心、分管領導的PC終端或移動終端上顯示，同時也作為人員動態(tài)信息保存在系統(tǒng)中。

(4)智能PDA手機終端都支持拍照(130萬象素)、錄音、定位等功能；本系統(tǒng)提供統(tǒng)一直觀的操作界面集成這些手機內置功能，把發(fā)生問題的事件、部件的照片、聲音和地圖上的標點信息一起記錄下來。巡檢員開始沿巡查路線進行巡查，發(fā)現破損情況后，在移動終端上記錄破損情況。系統(tǒng)在上報數據庫的同時，會將附帶的事件(部件)發(fā)生的地圖、照片和聲音信息一起傳送到分管領導的計算機和移動終端上，使問題報送和處理更為及時。

(5)分管領導接到缺陷信息后，系統(tǒng)會自動提醒責任領導組織特別巡查，并自動進入消缺流程。

(6)當巡檢人員保存巡視記錄時，巡檢儀會在現場判斷該巡檢人員是否到達巡查關鍵點附近，若未到達，系統(tǒng)會發(fā)出警告信息。有效解決定位誤差帶來的考核不精確問題。同時系統(tǒng)采用了先進的CF接口GPS定位儀(由PDA直接供電，不用外接電源)。采用差分計量方法進行優(yōu)化，定位誤差一般可在5 m之內，保證到位率統(tǒng)計的正確性。

(7)未消除缺陷和隱患的警示。 在巡視過程中，當記錄某一巡查關鍵點到位信息的時候，系統(tǒng)會提示該關鍵點是否含有以前發(fā)現的、但卻未消除的缺陷。巡檢人員依據其缺陷的描述和內容判斷缺陷是否被消除或該缺陷有升級和降級的情況，并將依據缺陷的真實情況修改缺陷記錄或對該記錄進行消缺處理。

4 結 語

水庫大壩的安全不僅直接影響著預期效益的發(fā)揮，而且關系到下游人民群眾的生命財產安全乃至社會的穩(wěn)定，其安全不僅需要監(jiān)測儀器實時監(jiān)視，巡視檢查更是不可替代。物聯網的出現給現代化的大壩安全智能巡檢帶來了契機，本文在智能巡檢系統(tǒng)架構及組成研究的基礎上，采用RFID電子標簽技術實現了大壩智能巡檢系統(tǒng)中的關鍵點或設備智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和信息管理；采用GPS技術和GIS平臺結合監(jiān)控巡視檢查任務書的執(zhí)行情況；采用智能手持設備接收巡檢作業(yè)書，采集、記錄并上報巡視檢查的信息(包括巡視路線、圖片、音頻、視頻、文字報告等)；通過3G網絡等網絡傳輸方式與大壩智能巡檢系統(tǒng)平臺、大壩安全監(jiān)測信息服務平臺相結合制定全面并且有針對性的巡檢方案。最后結合河南省燕山水庫實際建立一個全方位跨平臺的智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建立對提高水庫安全管理具有重大推廣意義。

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