物聯(lián)網(wǎng)在塞爾維亞大壩監(jiān)測和管理中的應用

塞爾維亞·RastkoMarta?，NikolaMilivojevi?，VladimirMilivojevi?，Vuka?in?irovi?，Du?anBara?

（1.塞爾維亞Jaroslav ?erni水資源開發(fā)研究所；2.塞爾維亞貝爾格萊德大學組織科學系）

物聯(lián)網(wǎng)在塞爾維亞大壩監(jiān)測和管理中的應用

塞爾維亞·RastkoMarta?1，NikolaMilivojevi?1，VladimirMilivojevi?1，Vuka?in?irovi?1，Du?anBara?2

（1.塞爾維亞Jaroslav ?erni水資源開發(fā)研究所；2.塞爾維亞貝爾格萊德大學組織科學系）

主要論述了物聯(lián)網(wǎng)在塞爾維亞大壩監(jiān)測和管理中的應用。因其具有發(fā)電功效，水電站大壩極具重要性，但也應重視與之相關的風險。為在塞爾維亞大壩管理中利用與大壩設施有關的信息，需要對這些信息進行整合。基于現(xiàn)有的系統(tǒng)，開發(fā)了一套信息系統(tǒng)，其中使用了智能網(wǎng)絡傳感器。筆者旨在介紹物聯(lián)網(wǎng)在特定大壩安全管理系統(tǒng)中的應用可能性。為能納入大量的智能傳感器，定義了一個新的與監(jiān)測網(wǎng)絡中的傳感器進行通信的數(shù)據(jù)采集模塊。該系統(tǒng)能在安全指數(shù)偏離預期值時及時提供預警。

物聯(lián)網(wǎng)；云；大壩；大壩安全管理；監(jiān)測；塞爾維亞

1 簡介

塞爾維亞絕大多數(shù)大壩建于20世紀60～70年代。隨著建筑物的老化，其安全風險在增長，這也是需要加強設施管理和提高其安全性的原因，以期及時考慮可能出現(xiàn)的不利工況。

值得注意的是，這些設施對社會來說極具重要性，因為其發(fā)揮著發(fā)電和供水效益。大壩還發(fā)揮著向城市供水、防洪及協(xié)助河道航運等效益。許多大壩都屬于多功能開發(fā)項目，發(fā)揮著多種效益。若大壩受損或損毀，會對環(huán)境造成非常嚴重的影響。

為支持對水電站復雜系統(tǒng)的管理，有必要在測量系統(tǒng)和計算機模型間建立通信。水資源管理的復雜性在于水資源是有限的，而不同用戶間（水電、農業(yè)等）卻存在相互矛盾的需求，在極端天氣情況下，如干旱或洪水，其復雜性還會增加，這個問題主要反映在人口密集區(qū)域。

大壩安全管理是長期和持續(xù)的過程，應對其進行不斷的優(yōu)化改進。就此而言，即應對大壩安全管理的流程和過程中涉及的所有方面進行持續(xù)的優(yōu)化改進，包括測量儀器以及確認設施安全流程中對數(shù)據(jù)的管理和應用。應建立現(xiàn)代化的大壩安全管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對大壩安全運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，并根據(jù)日常數(shù)據(jù)得出大壩安全運行狀態(tài)結論。專業(yè)監(jiān)測的整體概念以及其幾個月甚至一年后的后續(xù)分析，已經失去了部分意義和重要性（過去的做法是基于大壩性態(tài)定期報告的編制）。

大壩安全管理的現(xiàn)代化概念應基于有實物基礎和軟件支持的技術系統(tǒng)。這一概念的實物基礎即可以提供對大壩安全具有重要意義的數(shù)據(jù)以及對相關物理量的準確測量，需通過專業(yè)監(jiān)測安裝的設備對這些大壩物理量進行跟蹤測量。當前信息和通信的基礎設施水平能夠支持實現(xiàn)測量、數(shù)據(jù)采集和存檔等先進系統(tǒng)。這些系統(tǒng)應能夠自動收集監(jiān)測數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)驗證及安全存儲，并以標準且有效的方式將數(shù)據(jù)提供給用戶。

隨著儀器的長期監(jiān)測運行，通過可靠儀器獲取來的數(shù)據(jù)應構建成數(shù)據(jù)庫。對大壩采用和實施物聯(lián)網(wǎng)可生成可靠儀器的數(shù)據(jù)庫，可據(jù)此對大壩安全做出更準確的評估。

物聯(lián)網(wǎng)是物理對象的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中包含電子器件、軟件和傳感器，通過廠商、用戶及其他連網(wǎng)設備間的數(shù)據(jù)交換服務，用戶可實時、準確地獲取數(shù)據(jù)?？煽康臄?shù)據(jù)可令用戶在正確的時間采取正確的行為，特別是在緊急工況或自然災害發(fā)生時，有時也可用于預測。

筆者旨在介紹物聯(lián)網(wǎng)在特定大壩安全管理系統(tǒng)中的應用可能性。目標是通過云和無線傳感網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）的使用來優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所有的數(shù)據(jù)處理都將轉移到云端，以釋放計算機的資源。無線傳感網(wǎng)絡將提供更可靠的數(shù)據(jù)。

2 文獻綜述

2.1 大壩安全管理

大壩安全觀測是保證大壩安全的重要手段之一。這是大壩管理工作中非常重要、不可或缺的內容。計算機軟件在大壩安全監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用。許多大壩業(yè)主均開發(fā)了用于大壩安全管理監(jiān)察的信息系統(tǒng)，以優(yōu)化數(shù)據(jù)的管理和分析。中國東部地區(qū)的福建省電力有限公司擁有27座不同類型的大壩：混凝土壩、土壩、拱壩和土石壩。這些大壩都分布在遙遠的鄉(xiāng)村地區(qū)，很難管理所有大壩的安全信息。因此，開發(fā)一個信息系統(tǒng)來遠程控制監(jiān)測系統(tǒng)、收集和傳輸大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)就顯得十分重要，這樣就能處理、分析和評估所有的信息，就能高效地對大壩安全狀態(tài)做出決策。所幸，行業(yè)中的參與各方已成功地聯(lián)合開發(fā)出了遠程信息系統(tǒng)，并已應用到福建省電力公司的壩群上，公司員工可利用系統(tǒng)來對觀測數(shù)據(jù)進行分析和評估。

最近，因大壩老化、地震和天氣反常變化等原因，大壩受損及失事的案例在增加。因此，在國家層面的災害管理中，大壩安全也越來越重要。全世界范圍看，有許多組織負責大壩安全事務，比如：國際大壩委員會（International Commission on Large Dams，ICOLD）、大壩安全和大壩安防委員會（Committee on Dam Safety and Dam Security，CODSS）、美國大壩安全官員聯(lián)合會（Association of State Dam Safety Officials，ASDSO）、大壩安全聯(lián)委會（Interagency Committee on Dam Safety，ICODS）、美國國家大壩安全審查委員會（National Dam Safety Review Board，NDSRB）、國際大壩安全組織（Dam Safety Interest Group，DSIG）。韓國水資源公司（(Korea Water Resource Corporation，Kwater）目前運營和管理著30座大壩，公司開發(fā)了大壩安全管理系統(tǒng)——KDSMS，用于對大壩安全進行穩(wěn)定、高效的管理。KDSMS系統(tǒng)中包含大壩和水庫數(shù)據(jù)、水文信息系統(tǒng)、控制區(qū)域的管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)、儀器和觀測系統(tǒng)（包括地震監(jiān)測）、完善研究的系統(tǒng)以及公司的安防和信息系統(tǒng)。

為有效掌控大壩的全生命周期，基于原型觀測，對大壩安全進行實時診斷和合理評估是非常重要的。大壩安全智能早期預警系統(tǒng)（Intelligent Early-Warning System of Dam Safety，IEWSDS）的開發(fā)是實現(xiàn)這一目標非常重要的方法。蘇懷智等人認為大壩是有生命力和智能的系統(tǒng)，他們建立了安全大壩的仿生模型，其中包括觀測系統(tǒng)（神經）、中央處理單元（大腦）和決策制定工具（身體）。用上述的模型和系統(tǒng)工程，蘇懷智等人設計了大壩安全智能早期預警系統(tǒng)。系統(tǒng)中，執(zhí)行分析推理的智能機器是中央處理單元，它能進行數(shù)據(jù)分析并應用大壩安全診斷和評估的演算法。因其固有的非線性和動態(tài)特性，該系統(tǒng)采用了基于波浪網(wǎng)絡的組合模型來對大壩性態(tài)進行近似和預測。大壩的安全狀態(tài)是動態(tài)變化的，即性態(tài)定性和定量的變化。蘇懷智等人在論文中提出了擴展的評估方法。應用效果顯示，仿生模型是可能的，能為關鍵技術運營提出建議。系統(tǒng)能為改進大壩安全管理提供技術支持，以延長大壩壽命，從而避免事故發(fā)生。

對采礦業(yè)來說，尾礦的處理非常重要，因為處理金屬礦石會產生大量的尾礦。過去幾年中，尾礦壩和尾礦發(fā)生過災難性的事故，造成了巨大的損失并導致多人喪生。為提高尾礦壩的安全性，引進了控制和預警系統(tǒng)，即尾礦壩監(jiān)測和預警系統(tǒng)（TailingsDamMonitoringandPre-AlarmSystem，TDMPAS），用以監(jiān)測尾礦壩。該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術的使用，可實時監(jiān)測浸潤線、水位和大壩變形。尾礦壩監(jiān)測和預警系統(tǒng)可幫助礦站的工程師對大壩實行7×24 h不間斷的監(jiān)測，并能在任意氣候條件下收到從遙遠的地址傳來的預警信息。尾礦壩監(jiān)測和預警系統(tǒng)已在幾個礦站中得到應用，結果顯示，其對尾礦壩物理工況的監(jiān)測是必要的。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的應用

關于物聯(lián)網(wǎng)在觀測系統(tǒng)中的應用，已發(fā)表了許多論著，比如，在文獻《溪洛渡拱壩基于ZigBee技術的實時定位系統(tǒng)》中，作者的主題是定位系統(tǒng)，基于實時ZigBee技術，對大壩建設現(xiàn)場的安全管理提供快捷的支持。該系統(tǒng)基于利用無線傳感器的跟蹤技術，由一組服務器來運行軟件，對采集數(shù)據(jù)進行處理，直觀地、實時地監(jiān)測現(xiàn)場工況，并與其他系統(tǒng)（如ERP、CRM系統(tǒng)等）進行遠程通信。小功率的跟蹤技術是基于ZigBee技術的網(wǎng)絡硬件，使用指紋軟件技術。員工實時觀測系統(tǒng)已在溪洛渡拱壩的建設現(xiàn)場得到成功應用。

物聯(lián)網(wǎng)的應用和發(fā)展與智能電網(wǎng)的建設緊密相關。一般通過使用無線通信和觀測技術，所有電子器件都可在物聯(lián)網(wǎng)中相互連接，以使智能電網(wǎng)變成實時可交互的電網(wǎng)。在文獻《物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應用》一文中，作者總結了該領域的現(xiàn)狀、分析了當前的架構和特點，以及實施應用物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術。作者還對物聯(lián)網(wǎng)在資產管理及智能電網(wǎng)自動抄表系統(tǒng)中的應用進行了分析和討論，并對物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應用前景給出了答案。

運行中的尾礦池對礦區(qū)來說是非常重要的生產區(qū)域，直接影響著人民生命和財產安全，也影響著生產安全。為構建尾礦池安全監(jiān)控系統(tǒng)，GIS技術的使用不僅能科學有效地管理尾礦池的數(shù)據(jù)和信息，還能充分發(fā)揮電腦可存儲海量數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。GIS空間查詢和分析的交互式操作促成了準確和方便的搜索管理以及數(shù)據(jù)的修改和統(tǒng)計。在壩體浸潤線高度、水槽內水位、干燥岸坡參數(shù)、壩體變形和偏差等項目的觀測中，可快速獲取如水位波動等信息，這對及時預測壩體穩(wěn)定性非常重要，因此，該系統(tǒng)的應用可實現(xiàn)對尾礦池的安全管理以及對危險的早期預警。

最近，人們非常關注氣候變化以及社會對環(huán)境的控制和管理，因此，綜合信息系統(tǒng)（Integrated Information System，IIS）也越來越重要。文獻《基于物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域環(huán)境監(jiān)控及管理綜合系統(tǒng)》介紹了新的綜合信息系統(tǒng)，其中結合了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、地理信息科學（遠程傳感器、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)）和電子信息科技，用于對生存環(huán)境進行監(jiān)測和管理。文中還列舉了區(qū)域氣候變化和環(huán)境影響的案例研究。為收集感知層面的數(shù)據(jù)和其他信息，使用了多種傳感器和網(wǎng)絡服務技術。在網(wǎng)絡層面，利用了兩種網(wǎng)絡（專用網(wǎng)絡和公用網(wǎng)絡）來訪問和傳輸大數(shù)據(jù)及其他信息。該案例分析的結果顯示，過去55年中，新疆的氣溫有明顯的升高趨勢，自20世紀80年代早期以來，降雨量也有明顯的增加趨勢。除環(huán)境指標和氣象要素之間的關系外，水資源的可利用率對地區(qū)的陸地生態(tài)環(huán)境來說也是一個決定性因素。該研究顯示，綜合信息系統(tǒng)在研究過程中發(fā)揮了巨大的作用，不僅僅是利用物聯(lián)網(wǎng)收集數(shù)據(jù)，還有利用基于云平臺和電子信息科技的網(wǎng)絡服務技術及應用等，因此，仍可對高效的評估和監(jiān)測進行改進優(yōu)化。

3 大壩安全的管理和監(jiān)測

在塞爾維亞的相關文獻中，作者介紹了塞爾維亞國內大壩的現(xiàn)狀。隨著時間的推移，傳感器或停止運行，或不能提供準確的數(shù)值，有必要對其進行替換或采用新的現(xiàn)代化的傳感器。

雖然塞爾維亞大壩的維護系統(tǒng)沒有做到與時俱進，也不是在所有大壩上都配備完整，但大壩沒有出現(xiàn)過重大的災難或嚴重的問題，這主要歸功于優(yōu)良的設計和建設期間高質量的施工等因素。

雖然事實是各工程目前為止尚未出現(xiàn)會影響其安全性和穩(wěn)定性、或會影響其正常功能發(fā)揮的嚴重損毀，但必須時刻保持警惕，特別是對老化大壩，可以預見到會出現(xiàn)各種各樣的問題，這已經在某些建筑物上發(fā)生過，后面會講到。

從監(jiān)測和控制設施的狀況角度講，專業(yè)的監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的，大多數(shù)大壩都已經配備了這些監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常都是設施修建時就投入了使用，并且都未進行過重大的更新改造，也未進行過進一步的開發(fā)。通常，技術上講，這些系統(tǒng)已經過時了，所以老舊儀器失效以及大壩安全監(jiān)測所需的數(shù)據(jù)缺失情況并不少見。因此，就監(jiān)測項目和頻率來說，大壩監(jiān)測系統(tǒng)已不完善。過去幾年中，塞爾維亞開始對監(jiān)測系統(tǒng)進行重建。

未來十年，很明顯，在監(jiān)測系統(tǒng)的重建方面也會有許多重大的舉措。對大多數(shù)已建大壩而言，需要建立現(xiàn)代化的、多功能的和優(yōu)化的系統(tǒng)用于專業(yè)監(jiān)測，其形式是用自動遙測系統(tǒng)來收集數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)連續(xù)的自動化測量以及在給定的時間間隔內進行測量數(shù)據(jù)的存儲。

未來，隨著采集到的數(shù)據(jù)量的增加，將為更詳細地分析設施運行期間的工況和性態(tài)創(chuàng)造條件，這是大壩安全管理概念中的必要組成部分，可以準確確定大壩性態(tài)的發(fā)展趨勢，也可及早發(fā)現(xiàn)大壩工況中存在的潛在異常。這就是對現(xiàn)代化的大壩安全控制系統(tǒng)的發(fā)展和應用所設定的良好假設的案例。

塞爾維亞的許多大壩，其監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)被評估為局部滿意。這意味著基于所有可獲取的觀測結果，可以對設施工況做出評估，但有必要采取措施改進監(jiān)測狀況。采用全新的監(jiān)測系統(tǒng)，可得到關于系統(tǒng)狀態(tài)更準確的評估結論。

最近幾年，通過在大壩安全管理中采用先進的信息技術和軟件系統(tǒng)，對技術監(jiān)控系統(tǒng)采取了升級優(yōu)化措施。由于信息技術和軟件系統(tǒng)是技術監(jiān)控系統(tǒng)的必要條件，因此，在塞爾維亞，應在大壩安全領域采取分階段的實施。目前，完整的系統(tǒng)已經在位于弗拉涅附近的Prvonek土石壩上得到應用，另外，在高重力壩Djerdap一級和二級大壩上，系統(tǒng)的實施正在進程中。

先進的專業(yè)測量系統(tǒng)通常包括以下功能：數(shù)據(jù)的自動化采集、校驗、存檔，以及對專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中獲取的所有相關數(shù)據(jù)的訪問。系統(tǒng)的核心是用于專業(yè)測量的信息系統(tǒng)，其用途是為測量數(shù)據(jù)的收集、管理和處理提供技術支持。其目的是將整個專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)整合在一個地方，有較高可靠性，可簡單、交互及快速地訪問所有數(shù)據(jù)。

建立大壩安全管理系統(tǒng)意味著已出現(xiàn)了先進的專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)以及專業(yè)監(jiān)控的信息系統(tǒng)?；谙冗M的專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，作為可靠數(shù)據(jù)的來源，可基于物理量開發(fā)一系列統(tǒng)計和數(shù)學模型，同時以下一些數(shù)學參數(shù)用于大壩安全的狀態(tài)監(jiān)測和分析。

建立大壩安全管理系統(tǒng)的用途如下：

（1）跟蹤和監(jiān)測大壩性態(tài)，包括連續(xù)監(jiān)測、測量和確定測量值是否符合預期；

（2）查驗大壩安全，可以是首次的、定期的或額外非常規(guī)的，可確定設施工況和設施安全度。

性態(tài)監(jiān)測和跟蹤的基礎是已建立的統(tǒng)計模型，而統(tǒng)計模型的基礎是輸入的測量數(shù)據(jù)，其中包含變量的預期值。若測量值在預期的允許范圍內波動，則可得出結論，系統(tǒng)無重大變化。在現(xiàn)代化的自動化系統(tǒng)中，每天都會進行這一流程，若根據(jù)測量得出結論，設施性態(tài)和預期相差較大，系統(tǒng)還可以起到預警的作用。預警是一個信號，意味著應進行特種安全檢查。

通過檢查設施在一系列場景中的性態(tài)，對大壩安全進行檢查，以確定設施工況以及安全度。從大壩安全角度出發(fā)，各種工況都有其合理性。這種安全檢查通常是在規(guī)定期限到期后定期進行，或是專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)及統(tǒng)計模型顯示設施性態(tài)和預期差距較大時，會進行額外非常規(guī)的安全檢查。

考慮到在對復雜的實物對象進行狀態(tài)分析時，對其材料的同質性和真實特性，不可能像先前假定一樣完全確定，另一方面，對設施狀態(tài)的許多不同指標一直在進行測量，為確定所有參數(shù)的當前狀態(tài)，有必要建立對實際測值的解讀機制。實踐中，基于對相關物理量的測量，對系統(tǒng)物理參數(shù)進行了校驗（例如彈性模數(shù)、滲透系數(shù)等），這樣，計算結果就更適用于測量值。以此方式，才能識別出發(fā)生變化的區(qū)域。

只有采用先進的模型，才能進行安全分析，基于各種分析，就能制定決策該采取何種措施來提高大壩安全。大壩安全管理反映在支持大壩安全管理的系統(tǒng)使用中，且將在大壩整個生命周期中延續(xù)。

3.1 支持大壩安全管理的軟件系統(tǒng)

文獻《基于線性回歸和遺傳算法的大壩性態(tài)模擬自適應系統(tǒng)》中，基于服務導向式架構（serviceoriented architecture，SOA）的原則，支持大壩安全管理的軟件系統(tǒng)已得到了實現(xiàn)，不僅可實時使用數(shù)據(jù)，還可與其他信息系統(tǒng)進行互聯(lián)和擴展。為構建該系統(tǒng)，許多可利用的商業(yè)化技術，如SQL數(shù)據(jù)庫、.NET框架、ADO.NET被用來連接數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡服務。系統(tǒng)架構如圖1所示。

軟件系統(tǒng)包括以下組成部分：（1）專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)接口；（2）各統(tǒng)計分析模塊；（3）表面滲漏模擬數(shù)字模塊；（4）應力應變分析數(shù)字模塊；（5）數(shù)據(jù)解讀數(shù)字模塊。

這些應用是系統(tǒng)的必要組成部分，用戶能查看當前的測量（實時測量）和當時大壩狀態(tài)的評估結果。詳情可參考文獻《大壩安全管理信息系統(tǒng)》。

圖1 大壩安全管理軟件系統(tǒng)的構架Fig.1 Structure of the software system for managing dam safety

4 監(jiān)控網(wǎng)絡中實現(xiàn)與傳感器通信的數(shù)據(jù)采集模塊

大壩配備了各種各樣的儀器，如雨量計、水位計、流量計等。為改善對大壩的觀測，有必要將這些設備都放入一個單一網(wǎng)絡中，并允許其相互通信。由于不同類型儀器的巨大數(shù)量，其間的通信問題非常關鍵，可通過傳感器模型語言和無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）加以實現(xiàn)。

4.1 傳感器模型語言

其目的是，通過使用標準網(wǎng)絡服務技術和模式，使所有傳感器都可被檢測出來且可訪問。若傳感器的互聯(lián)可與網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分層，則標準的擴展標記語言編碼方案可用于元數(shù)據(jù)描述傳感器、傳感器平臺、傳感器任務接口和由傳感器得出數(shù)據(jù)。傳感器可通過推送其控制接口的擴展標記語言描述來實現(xiàn)直接通信，因此可以接收實時或存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)、確定傳感器的方位、辨別其監(jiān)測能力特征，甚至可以要求進行特定的監(jiān)測任務。

傳感器網(wǎng)絡接入（Sensor Web Enablement，SWE）標準是公開標準，它基于公開和廣泛接受的互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡以及對空間位置的標準，也是與位于重要位置的傳感器、驅動器和處理器通信的基本標準。它是物聯(lián)網(wǎng)的關鍵使能器。

通過給予描述傳感器（或其他網(wǎng)上處理組件）的能力和連接來自這些組件的實時數(shù)值，傳感器模型語言（Sensor Model Language，SensorML）2.0為物聯(lián)網(wǎng)（IoT和WoT，即Internet of Things和Web of Things）提供了標準編碼和支持。傳感器模型語言是核心組件，提供了傳感器檢測、處理和地理注冊的必要傳感器信息。

http：//www.sensorml.com/sensorML-2.0/examples /iot Simple.html，該網(wǎng)頁上的案例描述了一傳感器及其簡單的數(shù)據(jù)流，其中含溫度數(shù)據(jù)。它是簡單傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的結合。這些數(shù)據(jù)可通過統(tǒng)一資源定位器（Uniform Resource Locator，URL）來訪問。訪問統(tǒng)一資源定位器，其返回的是最新的數(shù)據(jù)，或開啟實時數(shù)據(jù)的超文本標記語言（Hypertext Markup Language，HTML）流。

作者提議使用網(wǎng)絡服務器，通過上述的統(tǒng)一資源定位器來訪問傳感器數(shù)據(jù)。另外，為獲取實時數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡服務器的作用還包括傳輸和在中央數(shù)據(jù)庫中存儲這些數(shù)據(jù)。終端用戶通過上文所述的軟件來調用網(wǎng)絡服務器。網(wǎng)絡服務器適用于所有類型的傳感器。

4.2 無線傳感器網(wǎng)絡

科技的不斷進步、采用嵌入式無線發(fā)送器的低成本科技、低功耗且強大的芯片組促成了無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛使用和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡的規(guī)?？砂〝?shù)十到數(shù)百個節(jié)點，可與現(xiàn)有的有線測量和控制系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。

無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡集群架構充分利用了多跳和集群，實現(xiàn)了更低能耗。無線傳感器網(wǎng)絡包括許多智能節(jié)點、網(wǎng)關或匯聚節(jié)點以及一個計算機管理中心。

傳感器數(shù)據(jù)在智能節(jié)點間共享，然后被傳送到分布式的或集中式系統(tǒng)中進行分析，這可在云上或本地完成。

應用于大壩上的無線傳感器網(wǎng)絡是自我組建的無線網(wǎng)絡，其拓撲結構是動態(tài)變化的，包括傳感器節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點。傳感器節(jié)點收集大壩數(shù)據(jù)，如水位、變形、應力、滲漏、氣溫、降雨、滲流和大壩斷面的位移，這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關節(jié)點轉移到數(shù)據(jù)庫服務器中。

大壩無線傳感器網(wǎng)絡中使用的傳感器有別于普通傳感器，它是智能傳感器，不僅可以感知測試物理量的變化并輸出對應的變化信息，還能與其他傳感器互相通信。智能傳感器包括幾個部分，比如敏感元件、嵌入式處理器、存儲和供電電源。

大壩無線傳感器網(wǎng)絡中使用的智能傳感器對測量大壩可靠性來說非常重要，因為無論任何時候，均可以得到關于設備功能的信息。

大壩無線傳感器網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡Fig.2 Wireless Sensor Network(WSN)

整個網(wǎng)絡分為幾個集群，每個集群都是一個監(jiān)測區(qū)域。每個集群中的無線傳感節(jié)點可相互通信，并通過多跳將數(shù)據(jù)傳入網(wǎng)關。網(wǎng)關也可互相通信，并將數(shù)據(jù)傳入?yún)R聚點。

4.3 通信服務

信息系統(tǒng)可為系統(tǒng)外的用戶提供數(shù)據(jù)，但信息系統(tǒng)中不包括自動測量，有必要為測量系統(tǒng)的通信提供專門服務。因對測量系統(tǒng)的可靠性有特定要求，因此不建議對數(shù)據(jù)進行直接訪問。這些服務可執(zhí)行本地數(shù)據(jù)的收集、處理和校驗后的發(fā)送。

在服務通信的結構中，數(shù)據(jù)采集模塊直接與測量系統(tǒng)相連，并發(fā)揮著核心作用。模塊從各處收集數(shù)據(jù)，將它們轉換成標準格式，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理和校驗服務。通過該模塊，根據(jù)需要通信的測量系統(tǒng)的數(shù)量和類型，參與服務的組件為數(shù)據(jù)采集的軟件組件，可分為：與被動式傳感器通信的組件、與主動式傳感器通信的組件、與被動式數(shù)據(jù)記錄器通信的組件、與主動式數(shù)據(jù)記錄器通信的組件以及文件信息組件。

這些組件必須采用合適的接口模塊用于數(shù)據(jù)采集。一種類型的組件數(shù)量僅受計算資源的限制，而各種組件的數(shù)量則由測量系統(tǒng)的配置指定。后者意味著為實現(xiàn)某個目標而開展的服務不一定包含所有的組件，可在擴展配置時增加組件。

圖3 與測量系統(tǒng)的通信服務Fig.3 Communication services with measurement systems

5 傳感器故障的檢測以及后續(xù)的工作

在大壩監(jiān)測儀器的整個生命周期中，單個傳感器的作廢風險自然是在不斷增大的，因此，進行大壩安全評估時應不考慮來自這些傳感器的測量值。其結果是，為了在監(jiān)測和大壩安全管理中應用物聯(lián)網(wǎng)，就需要采用自適應算法來檢測傳感器故障。算法應準時就缺失了哪個測值給出信號，即關于設施的安全決策是在缺失了哪個傳感器的條件下做出的。

適用于在物聯(lián)網(wǎng)中應用的檢測傳感器故障的算法，其表明了建模模擬大壩性態(tài)的自適應系統(tǒng)和跟監(jiān)測網(wǎng)絡中的傳感器通信的采集模塊間的連接。

建模模擬大壩性態(tài)的方法有幾種，最早的模型基于統(tǒng)計和數(shù)值方法的應用。隨著人工智能技術的發(fā)展，現(xiàn)在可以采用新的技術，如人工神經網(wǎng)絡、遺傳算法、自適應神經模糊系統(tǒng)。對在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，最合適的是可提供實時結果的自適應模型。文獻《基于線性回歸和遺傳算法的大壩性態(tài)模擬自適應系統(tǒng)》中有一個案例。它是一個組合系統(tǒng)，綜合了統(tǒng)計模型和遺傳算法，因此可模擬大壩的預期性態(tài)。該系統(tǒng)的基礎是線性回歸模型，其對輸入?yún)?shù)的變化非常敏感。因為這個原因，將自適應部分添加到了系統(tǒng)中，其中，遺傳算法是其基礎。按照遺傳算法理論，線性回歸模型被視為優(yōu)化問題，每個回歸模型都是眾多數(shù)據(jù)中的一個實體?；诳色@取的測量值，回歸量的產生創(chuàng)建了一系列相應的可加以應用的功能。這意味著若某些信息缺失，則主模型中總有替代，所以大壩安全監(jiān)測不會因此不作為。

同時，若缺失了數(shù)據(jù)，通過傳感器通信模塊，可以從網(wǎng)絡中的該傳感器獲取信息。信息被接收，系統(tǒng)應及時提醒傳感器部分故障。若傳感器整組數(shù)據(jù)缺失（該傳感器執(zhí)行的所有測量），則系統(tǒng)宣布該傳感器完全失效。

回歸模型的結果是一些參數(shù)，基于這些參數(shù)進行當前大壩狀態(tài)評估，若參數(shù)偏離了預期值，則做出預警。有了這一信息，另外也很重要的是應給出系統(tǒng)中可應用的測值的信息以及傳感器的狀態(tài)，因為如前文所述，回歸模型是基于系統(tǒng)中可應用的測值形成的。若測值不完整，則可能會影響回歸模型所得結果的可信度。因此，要對大壩的真實狀態(tài)做出正確決策，傳感器的工況是非常重要的因素。

未來的發(fā)展方向是收集到的數(shù)據(jù)在先進的數(shù)值模型（如有限元法等）中的應用及云計算的實施。

5.1 有限元法

為建模模擬大壩的應力-變形和反濾現(xiàn)象，使用了有限元法。有限元法可構建建筑物和周圍圍巖的物理模型。為使該模型適合大壩的真實模型，有必要重現(xiàn)大壩運行期發(fā)生的特定現(xiàn)象?；趯I(yè)監(jiān)控結果，對材料參數(shù)進行校驗，且有限元法可給出關于大壩真實模型的信息，為了預測未來運營過程中可能出現(xiàn)的某一不利工況，可利用該信息幫助進一步監(jiān)測建筑物的性態(tài)。

圖4為一拱壩模型的案例。

要利用現(xiàn)階段模型進行安全分析，則應開發(fā)測量數(shù)據(jù)解讀的數(shù)值模塊?；趤碜詫I(yè)監(jiān)測信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，該模塊應能解讀測量數(shù)據(jù)，即確定有限元模型參數(shù)的最新數(shù)值。該模塊的核心包括解讀測量數(shù)據(jù)要求的優(yōu)化算法和與數(shù)值模塊的自動通信。構成有限元模型所用的各材料模型的最新參數(shù)描述了施工建設的真實狀態(tài)。

圖4 拱壩的有限元模型Fig.4 FEM Arch dam

5.2 遙感技術中的大數(shù)據(jù)和云技術

物聯(lián)網(wǎng)是一個概念，將周圍所有的對象都包含進來，作為網(wǎng)絡的一部分。物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍非常大，包括許多種智能設備，如智能電話、數(shù)碼相機、智能雨量計、外部溫度傳感器和其他各種類型的傳感器。當所有設備都實現(xiàn)互聯(lián)時，就可提供更智能的流程和服務，可應用在各領域中。將大壩上數(shù)量龐大的設備和傳感器連接到網(wǎng)絡中后，就可提供多種服務，并產生了大量數(shù)據(jù)（大數(shù)據(jù)）。云計算是一種按需訪問配置好的各種來源（預算、網(wǎng)絡、服務器、存儲、應用程序、服務、軟件等）的存儲庫的模型，可以很容易提供這類基礎設施、應用程序和軟件?；谠萍夹g平臺，可幫助串聯(lián)周圍的事物，因此可在任何時間、任何地點對其進行訪問。云是訪問物聯(lián)網(wǎng)的前端。與各設備（如傳感器）相互配合的各種應用程序特別要求有大容量存儲器以存儲大數(shù)據(jù)、有強大的計算能力以進行實時數(shù)據(jù)處理以及高速的網(wǎng)絡來支持高速的數(shù)據(jù)吞吐。

6 概念案例

實際工作的主要目標是大壩安全。電腦資源有限，應盡量少承擔任務。這些運行的執(zhí)行都應轉移到服務器上進行。另外，有必要提高大壩安全系統(tǒng)的可靠性水平。塞爾維亞最新建的Prvonek大壩配備了現(xiàn)代化的傳感器，這些創(chuàng)新的系統(tǒng)也將在Prvonek大壩上得到應用。

圖5是Prvonek大壩上實施的系統(tǒng)示意圖。圖中展示了從測量儀器到終端用戶間的數(shù)據(jù)流動。測量數(shù)據(jù)暫時存儲在數(shù)據(jù)記錄器中，每個數(shù)據(jù)記錄器均有下載數(shù)據(jù)的軟件，安裝在采集服務器上。下載數(shù)據(jù)的格式是逗號分隔值（Comma Separated Values,CSV）。采集服務器將數(shù)據(jù)傳送到中央服務器，終端用戶應用特定的軟件進行數(shù)據(jù)分析。安裝在終端用戶電腦上的軟件使用電腦的資源，而不是服務器。若操作很復雜，則可能需要許多計算機資源。

圖5 Prvonek大壩系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流Fig.5 Current data flow on dam Prvonek

圖6是該系統(tǒng)的進一步優(yōu)化示意圖。來自采集服務器的所有數(shù)據(jù)都傳送到云端上的中央服務器中。所有的數(shù)據(jù)傳輸和處理都在云中完成。上述就是一個提取、轉換和加載過程（Extract,Transfer,Load,ETL）。所有操作均占用服務器資源。終端用戶的電腦僅在使用備份好的數(shù)據(jù)生成報告時工作，它有許多空閑資源可用于其他操作。

圖6 云和大數(shù)據(jù)模型Fig.6 Model for Cloud and big data

終端用戶可在任意時刻得到所有數(shù)據(jù)，也可在任意時間任意地點訪問數(shù)據(jù)。

可將所有監(jiān)測儀器均接入新系統(tǒng)，雨量計、水位計、流量計等。對所有類型的大壩，新系統(tǒng)都是有用的。采用圖2中的無線傳感器網(wǎng)絡結構可使傳感器系統(tǒng)更具可靠性、使數(shù)據(jù)更準確。無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點間可相互通信，將傳感器失效的數(shù)據(jù)及時通過網(wǎng)關傳遞給匯聚點，匯聚點再將數(shù)據(jù)傳遞到云服務器上。利用接收到的數(shù)據(jù)，數(shù)值計算軟件將生成大壩穩(wěn)定性的統(tǒng)計曲線。這種統(tǒng)計曲線必須在特定的限值范圍內。該曲線可基于來自不同監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)生成。最常用的儀器是測壓管、直角坐標儀、傾斜儀和溫度計：測壓管用于測量地表和地下水流的水位；直角坐標儀測量大壩位移；傾斜儀測量位移角度；溫度計測量溫度。若出現(xiàn)儀器失效，會由特定的算法自動生成將失效儀器排除在外的新的公式，并生成跟所有儀器都在完好工作時幾乎一樣的曲線。終端用戶可啟動軟件用于生成曲線。

所有收到的數(shù)據(jù)都存在云服務器上的數(shù)據(jù)庫中。新系統(tǒng)可為數(shù)據(jù)庫提供更具可靠性的數(shù)據(jù)，可進行更加準確的分析和報告。

7 結語

筆者就最新的技術給出了案例，包括物聯(lián)網(wǎng)、傳感器建模語言、無線傳感器網(wǎng)絡及大壩安全管理軟件。這些技術和軟件的結合使用改善了大壩的功能性。

傳感器技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術都在不斷進步，而對將信息系統(tǒng)與真實世界相連的各種方式的需求也在不斷增加。將豐富的市場環(huán)境中的各種技術連接起來，其結合為電站安全、行業(yè)控制、氣象學、地球物理勘測、洪水監(jiān)測、風險評估、追蹤、環(huán)境監(jiān)測、防護、物流及其他許多應用提供了新的解決方案。

物聯(lián)網(wǎng)是技術發(fā)展趨勢，通過將傳感器連接到因特網(wǎng)中，可使傳感器變智能，它可使傳感器間能相互通信。將物聯(lián)網(wǎng)應用到現(xiàn)代商業(yè)中可顯著優(yōu)化公司的運作。將物聯(lián)網(wǎng)應用在大壩上，可就失效的傳感器提供更有效的記錄，可極大地減小損毀發(fā)生的概率。根據(jù)所收集的失效傳感器的數(shù)據(jù)，建立可靠儀器的數(shù)據(jù)庫，直接反映大壩的可靠性。無線傳感器網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)的結合可極大地改善大壩的運行。所有的技術都會產生大量的數(shù)據(jù)，因此要求有較大的數(shù)據(jù)存儲空間。作為技術的一種形式，云的發(fā)展勢頭和物聯(lián)網(wǎng)一樣迅猛，可在網(wǎng)絡上存儲大量數(shù)據(jù)。通過云計算，終端用戶可隨時隨地訪問數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)處理都將在云端完成，可使系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集的運行更快更可靠。運用最新的技術，如大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)，將改善塞爾維亞大壩的運營，極大地降低失事的概率。

大壩安全管理和監(jiān)測系統(tǒng)的實施以及新技術的應用可降低大壩重大失事的風險?！?/p>

文獻來源：ICOLD 2016論文集

翻譯：崔弘毅

校核：許傳桂

“十三五”期間四川推進“三江”水電基地建設

據(jù)中國能源網(wǎng)四川印發(fā)《四川省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》），對四川“十三五”期間能發(fā)展進行規(guī)劃安排。根據(jù)《規(guī)劃》，“十三五”期間四川推進“三江”水電基地建設，全面停止小型水電項目開發(fā)。

根據(jù)《規(guī)劃》，四川將穩(wěn)步推進水電開發(fā)，堅持以水電為主的能源開發(fā)方針，著力調整優(yōu)化水電開發(fā)結構。重點推進金沙江、雅礱江、大渡河“三江”水電基地建設，優(yōu)先建設龍頭水庫電站；嚴格控制中型水電項目核準，除具有季及以上調節(jié)能力的中型（單站裝機容量5萬kW及以上，30萬kW以下）水庫電站和以航運為主的航電項目外，其余中型水電項目暫停核準。

全面停止小型水電項目開發(fā)，除具有航運等綜合利用為主、兼顧發(fā)電的項目外，其余小型（單站裝機容量5萬kW以下）水電項目全面停止核準建設?！笆濉逼陂g新開工水電3 056.4萬kW，投產水電1 362萬kW，到2020年底水電裝機達到8 301萬kW，在建規(guī)模約4 010萬kW。

推進金沙江、雅礱江、大渡河水電基地建設，著力爭取國家對“三江”水電基地項目的支持，全面優(yōu)化水電設計、施工、管理，切實有效降低水電開發(fā)成本，同時推進配套送出線路規(guī)劃建設?！笆濉逼陂g新開工2 658.8萬kW，其中，金沙江基地“十三五”期間開工建設1 408.5萬kW，到2020年底建成1 349萬kW；雅礱江基地“十三五”期間開工建設734.5萬kW，到2020年底建成1 470萬kW；大渡河基地“十三五”期間開工建設515.8萬kW，到2020年底建成1 737萬kW。

金沙江水電基地主要項目：建成投產烏東德510/2萬kW、觀音巖60/2萬kW、金沙14萬kW。新開工白鶴灘1 600/2萬kW、葉巴灘224/2萬kW、巴塘75/2萬kW、拉哇200/2萬kW、崗托110/2萬kW、波羅96/2萬kW、昌波106/2萬kW、金沙56萬kW、銀江36萬kW、旭龍222/2萬kW。加快建設烏東德510/2萬kW、蘇洼龍120/2萬kW。

雅礱江水電基地重點項目：建成投產桐子林15萬kW。新開工牙根一級27萬kW、牙根二級108萬kW、楞古257.5萬kW、孟底溝240萬kW、卡拉102萬kW。加快建設兩河口300萬kW、楊房溝150萬kW。

大渡河水電基地重點項目：建成投產猴子巖170萬kW、長河壩260萬kW、沙坪二級34.8萬kW、黃金坪5萬kW。新開工硬梁包111.6萬kW、金川86萬kW、丹巴119.6萬kW、老鷹巖一級22萬kW、枕頭壩二級32.6萬kW、沙坪一級34萬kW、安寧38萬kW、巴底72萬kW。加快建設雙江口200萬kW。

“十三五”期間，四川將著力優(yōu)化水電結構，鼓勵發(fā)展具有季以上調節(jié)能力的水庫電站，增強水電豐枯調節(jié)能力?！笆濉逼陂g，新開工具有季以上調節(jié)能力水電站110.7萬kW，到2020年全省具有季以上調節(jié)能力水電站占水電裝機比重提高到38%。建設岷江中下游航電通道，建成投產犍為航電工程，新開工老木孔、東風巖、龍溪口航電工程?！笆濉遍_工建設規(guī)模115萬kW，2020年底建成57.2萬kW。

This paper discusses harnessing Internet of Things in monitoring and managing dams in Republic of Serbia.Large dams are of major importance,primarily because of their use for electricity,but risks which are associated with it should be greatly taken into account.There is a need to consolidate information related to dam facilities in order to use them for dam management in the Republic of Serbia. An information system has been developed based on the existing systems,allowing utilization of intelligent network sensors.The aim of the paper is to describe possibilities of the Internet of Things application within a specific system for dam safety management.In order to facilitate the inclusion of a large number of intelligent sensors,a new data acquisition module for communication with sensors in the monitoring network is defined.The system should provide on time alerting in case security parameters deviate from the expected values.

Internet of Things;cloud;dams;dam safety management;monitoring;Serbia

TV698.1

A

1671-1092（2017）02-0066-09

2017-02-12

Title:Using internet of things in monitoring and management of dams in Serbia//by Rastko Marta?,Nikola Milivojevi?,Vladimir Milivojevi?,Vuka?in?irovi?and Du?an Bara?//Institute for the Development of Water Resources"Jaroslav ?erni",Serbia