物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在小型水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用模式

許孝臣 ，楊 瓊 ，戴春華 ，魏海云 ，葉 輝 ，鄭漢種

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司， 浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

根據(jù)1954 — 2003年的統(tǒng)計(jì)資料，我國(guó)己潰壩3484座，其中大型水庫(kù)2座，中型水庫(kù)126座，?。?）型水庫(kù)674座，?。?）型水庫(kù)2682座[1]?？梢?jiàn)小型水庫(kù)破壞占了96%。小型水庫(kù)缺乏必要的監(jiān)測(cè)設(shè)施、缺乏專業(yè)管理人員，大壩安全隱患得不到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理，發(fā)生安全事故的可能性更大。隨著近幾年經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水利工程安全越來(lái)越受到社會(huì)各界人士的關(guān)注，小型水庫(kù)失事造成的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失變得越來(lái)越大。小型水庫(kù)失事概率高、缺乏專業(yè)管理技術(shù)人員、管理設(shè)施短缺、病險(xiǎn)水庫(kù)多、失事影響大，因此小型水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)更有必要且監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平要求更高。

截至2015年年底，浙江省共建成小（2）型以上水庫(kù)4334座，其中大型水庫(kù)33座，中型水庫(kù)156座，小型水庫(kù)4145座。小型水庫(kù)占到95%以上，近年來(lái)新建的小型水庫(kù)多數(shù)都建設(shè)有監(jiān)測(cè)設(shè)施，部分重要的小型水庫(kù)建立了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，但老水庫(kù)往往缺乏監(jiān)測(cè)設(shè)施，并且相當(dāng)數(shù)量的水庫(kù)存在安全隱患。浙江省小型水庫(kù)多，管理力量不足，監(jiān)測(cè)手段沒(méi)有或落后，自動(dòng)化需求程度急迫。

小型水庫(kù)往往地處偏遠(yuǎn)地帶，沒(méi)有電力供應(yīng)或不穩(wěn)定，需要大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低功耗、自發(fā)電等特性，而現(xiàn)狀的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)。近幾年發(fā)展起來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有測(cè)量技術(shù)數(shù)字化和微功耗的特點(diǎn)[2]，由于改變了傳統(tǒng)的信息采集和傳輸方式，適合在小型水庫(kù)中應(yīng)用。

2016年以來(lái)，隨著浙江省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作的開(kāi)展，水利工程的管理也將從重建輕管向建管并重轉(zhuǎn)移?！墩憬⌒⌒退畮?kù)運(yùn)行管理規(guī)程（試行）》（2016.02）中明確規(guī)定，資料整理每2 ～ 3 a進(jìn)行1次，資料分析每5 ～10 a必須進(jìn)行1次。對(duì)水庫(kù)的日常大壩安全監(jiān)測(cè)的管理提出了更高的要求。

綜上所述，小型水庫(kù)開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程大壩安全監(jiān)測(cè)既是現(xiàn)實(shí)需求，也是水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的要求，十分有必要開(kāi)展。

2 研究現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)最早于2000年在美國(guó)提出。2009年8月，無(wú)錫市建立了“感知中國(guó)”研究中心，中國(guó)科學(xué)院、運(yùn)營(yíng)商、多所大學(xué)在無(wú)錫建立了物聯(lián)網(wǎng)研究院。物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器產(chǎn)品已率先在上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)中得到應(yīng)用。濟(jì)南園博園應(yīng)用ZigBee無(wú)線路燈照明節(jié)能環(huán)保技術(shù)達(dá)成無(wú)線路燈控制系統(tǒng)。

近年來(lái)，水利工程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、水利信息化、智慧水利發(fā)展較快，全國(guó)首個(gè)“水利部物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范基地”于2012年在無(wú)錫成立（感知太湖、智慧水利的物聯(lián)網(wǎng)示范工程）。2015年水利部印發(fā)《水利信息化資源整合共享頂層設(shè)計(jì)》。2016年水利部審議通過(guò)《全國(guó)水利信息化“十三五”規(guī)劃》：強(qiáng)化信息化對(duì)水利各業(yè)務(wù)的服務(wù)與支撐，加強(qiáng)水利信息基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)。2018年十九大中提到以智慧水利建設(shè)為重點(diǎn)，強(qiáng)化水利創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)?？梢?jiàn)水利信息化及智慧水利是水利的重點(diǎn)發(fā)展方向，而大壩監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)智慧水利最重要的體現(xiàn)方式。

基于物聯(lián)網(wǎng)模式的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)智能系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)“嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)”“射頻識(shí)別技術(shù)”、有線（無(wú)線）數(shù)據(jù)通信技術(shù)、“電子與信息技術(shù)”、水工技術(shù)等[3]，構(gòu)建一個(gè)大壩安全監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。所以，傳感器技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，特別是實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的必然要求。如周干武[4]等構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的土石壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土石壩大壩變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變以及環(huán)境氣象等各種因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集和控制。付學(xué)奎[5]等以現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，消除了異構(gòu)數(shù)據(jù)，打通所有相關(guān)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)路徑；將智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用在水利水電工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，有效提高了水利水電工程安全要素的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平。魏永強(qiáng)[6]等針對(duì)當(dāng)前大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備化“網(wǎng)絡(luò)化智能化程度低”“系統(tǒng)穩(wěn)定性差”、數(shù)據(jù)傳輸滯后和數(shù)據(jù)丟失等缺陷，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)模式的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)智能機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

目前基于物聯(lián)網(wǎng)的大壩安全監(jiān)測(cè)多是基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，更進(jìn)一步的對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，并進(jìn)行預(yù)警。但還缺乏采集設(shè)備的反饋、控制和智能化管理。如過(guò)去監(jiān)測(cè)一般以固定時(shí)間間隔進(jìn)行自動(dòng)采集，如果時(shí)間采集間隔過(guò)低，則容易造成內(nèi)存占有過(guò)大，增加采用設(shè)備使用頻率，降低適用壽命，多數(shù)數(shù)據(jù)為無(wú)用數(shù)據(jù)，如果采集時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，則容易錯(cuò)過(guò)數(shù)據(jù)極值，錯(cuò)失發(fā)現(xiàn)隱患時(shí)機(jī)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整采集頻率（如水位升高增加監(jiān)測(cè)頻次），既能保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，又不至于采集數(shù)據(jù)過(guò)多。

目前物聯(lián)網(wǎng)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)僅在大中型工程中進(jìn)行應(yīng)用，小型工程還缺乏相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有測(cè)量數(shù)字化和微功耗的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)小型水庫(kù)地處偏遠(yuǎn)、無(wú)穩(wěn)定電力供應(yīng)的特點(diǎn)，開(kāi)展本項(xiàng)研究可以實(shí)現(xiàn)小型水庫(kù)的無(wú)人值守、智能管理，為小型水庫(kù)的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

3 實(shí)現(xiàn)形式

3.1 系統(tǒng)集成

小型水庫(kù)大部分為土石壩，土石壩的破壞形式一般有3種：洪水漫頂、滲透破壞（管涌、流土和接觸滲漏等）和壩坡失穩(wěn)。

《浙江省小型水庫(kù)運(yùn)行管理規(guī)程（試行）》中要求，土石壩必設(shè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有環(huán)境量監(jiān)測(cè)、表面變形監(jiān)測(cè)和滲流量監(jiān)測(cè)。

結(jié)合大壩發(fā)生破壞的形式，小型水庫(kù)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有庫(kù)水位監(jiān)測(cè)、滲流量監(jiān)測(cè)和沉降監(jiān)測(cè)，有條件的可增加滲壓監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)，具體水庫(kù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)圖1。其中庫(kù)水位監(jiān)測(cè)可以提前發(fā)現(xiàn)洪水漫頂情況；滲透破壞首先表現(xiàn)出來(lái)的是滲流量的增加，因此監(jiān)測(cè)滲流量可提前發(fā)現(xiàn)滲流破壞現(xiàn)象；邊坡失穩(wěn)必然會(huì)導(dǎo)致大壩發(fā)生不正常的變形，可通過(guò)沉降監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)提前感知。另外重力壩、拱壩、面板堆石壩等混凝土結(jié)構(gòu)防滲的壩型，受溫度影響較大，還應(yīng)增加溫度監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

圖1 水庫(kù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目圖

由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)對(duì)所有測(cè)量控制單元進(jìn)行控制，并采集所有MCU的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。綜合應(yīng)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、有線（無(wú)線）數(shù)據(jù)通信技術(shù)、電子與信息技術(shù)、水工技術(shù)等，構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的小型水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。小型水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成采用分層、開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)型式。系統(tǒng)由3層網(wǎng)絡(luò)組成。底層為感知層，即ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層，包括感知影響大壩安全的水位、滲流、變形等因子；中間為網(wǎng)絡(luò)層，即WiFi/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸層；上層為應(yīng)用層，即大壩安全監(jiān)測(cè)云中心。

3.2 預(yù)測(cè)預(yù)警

預(yù)測(cè)預(yù)警的前提是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而觀測(cè)誤差在水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)中是客觀存在的，依據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理可分為3類(lèi)：偶然誤差、系統(tǒng)誤差和粗差。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)自校、回歸分析等手段，對(duì)粗差識(shí)別，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)剔除。

根據(jù)小型水庫(kù)的3種破壞形式，洪水越頂通過(guò)采集水庫(kù)水位數(shù)據(jù)，分析水位是否超過(guò)常水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位等，確定是否發(fā)生洪水越頂風(fēng)險(xiǎn)。利用統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)在設(shè)計(jì)水位、校核水位或給定上游水位下滲流壓力或滲流量，與安全允許值進(jìn)行比較。當(dāng)預(yù)測(cè)值大于安全允許值，利用統(tǒng)計(jì)模型反推滲流壓力水位在安全范圍內(nèi)的最小安全上游水位。邊坡穩(wěn)定分析采用實(shí)時(shí)采集的水位或滲壓水位，按照塊體極限平衡理論，采用Bishop法進(jìn)行計(jì)算，采用單純形法搜索最小安全系數(shù)，與規(guī)范值進(jìn)行比較確定邊坡穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。另外，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元逐步回歸分析和分離變量統(tǒng)計(jì)分析、位勢(shì)分析、相關(guān)性分析、滯后性分析、化引流量分析等。根據(jù)以上分析，最終給出大壩安全狀態(tài)評(píng)價(jià)。

3.3 智能管理實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更多的在于信息的互聯(lián)互通和智能控制。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可以在以下方面實(shí)現(xiàn)智能管理和控制：

（1）過(guò)去監(jiān)測(cè)一般以固定時(shí)間間隔進(jìn)行自動(dòng)采集，如果時(shí)間采集間隔過(guò)短，則容易造成內(nèi)存占有過(guò)大，增加采集設(shè)備使用頻率，降低使用壽命，多數(shù)數(shù)據(jù)為無(wú)用數(shù)據(jù)，如果采集時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，則容易錯(cuò)過(guò)數(shù)據(jù)極值，錯(cuò)失發(fā)現(xiàn)隱患時(shí)機(jī)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整采集頻率（如水位升高增加監(jiān)測(cè)頻次），既能保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，又不至于采集數(shù)據(jù)過(guò)多。因此系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析（見(jiàn)3.2節(jié)分析方法），根據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)時(shí)分析結(jié)果（洪水越頂風(fēng)險(xiǎn)、滲透破壞分析、邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)），可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)頻次，如果洪水、滲透、邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)超限將加密采集數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)粗差識(shí)別，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，對(duì)比儀器自檢結(jié)果，可以判斷儀器是否失效，進(jìn)而發(fā)出預(yù)警，提示更換儀器。

（3）每次數(shù)據(jù)采集前均首先進(jìn)行自檢，采集系統(tǒng)電源情況，電量不足給出報(bào)警，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)存情況，當(dāng)內(nèi)存不足影響采集效率時(shí)，自動(dòng)清空內(nèi)存。

（4）對(duì)面板堆石壩、重力壩、拱壩等混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的溫度應(yīng)力，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)破壞或降低使用壽命，因此根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩噴淋系統(tǒng)的控制，通過(guò)噴水降溫保證大壩安全。對(duì)大體積混凝土，尤其是拱壩，通常會(huì)建有通水降溫系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)壩體內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通水控制，保證大壩不產(chǎn)生溫度裂縫。

智能管理實(shí)現(xiàn)方式見(jiàn)圖2。

圖2 智能管理實(shí)現(xiàn)方式圖

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有測(cè)量技術(shù)數(shù)字化和微功耗的特點(diǎn)，適合在小型水庫(kù)中應(yīng)用。針對(duì)小型水庫(kù)的破壞形式，結(jié)合大壩安全監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，組成小型水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集分析和預(yù)警，并通過(guò)多種數(shù)據(jù)分析方法，分別確定水庫(kù)的洪水越頂風(fēng)險(xiǎn)、滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)和邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，最終判斷大壩安全運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)頻次、判斷儀器失效、電源內(nèi)存管理、通水降溫等智能控制。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小型水庫(kù)的無(wú)人值守，智能管理。