衛(wèi)星定位系統(tǒng)(SPS)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)在水庫智能安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用探討

楊剛 李洪斌

摘 要：水庫大壩現(xiàn)有安全監(jiān)測方式主要以人工監(jiān)測為主兼有部分自動監(jiān)測，存在監(jiān)測技術(shù)方法落后，監(jiān)測數(shù)據(jù)精度不高、資料整編水平不高、風(fēng)險分析與判別不準(zhǔn)等問題，難以滿足安全管理要求，制約水庫安全運行。本文探討采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決水庫大壩變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集傳輸分析問題，提出大壩智能安全監(jiān)測解決方案，旨在提高水庫安全監(jiān)測能力水平。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星定位系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);水庫大壩;智能安全監(jiān)測

中圖分類號：TV697 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0019-02

1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)變形監(jiān)測方案

1.1 衛(wèi)星定位技術(shù)

衛(wèi)星定位有絕對定位和相對定位兩種方式，絕對定位的精度較低，一般用于導(dǎo)航定位?，F(xiàn)在衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國的GPS、歐洲“伽利略”GSNS、俄羅斯GLONASS和我國“北斗”BDS。目前采用集成北斗短報文通信功能和北斗/GPS無源定位功能雙模系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行通信和定位監(jiān)測，既解決了通信又提高了定位精度，設(shè)備可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強。

1.2 安全監(jiān)測應(yīng)用

在大壩位移監(jiān)測中應(yīng)采用相對定位，其原理是利用兩臺衛(wèi)星接收機分別安置在基準(zhǔn)點和觀測點，并同步觀測相同定位衛(wèi)星，利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實時相位差分即RTK技術(shù)，進(jìn)行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標(biāo)。監(jiān)控中心對接收機的模塊差分信號結(jié)果對大壩水平、垂直位移、轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算和安全分析。該技術(shù)在成熟的應(yīng)用方案中位移精度優(yōu)于1.0mm。相對傳統(tǒng)大壩變形安全監(jiān)測設(shè)備，衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行位移監(jiān)測，設(shè)備安裝簡單、方便、靈活，維護方便。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸方案

2.1 NB-IoT技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，其LoRa及NB-IoT在市場得到廣泛應(yīng)用。NB-IoT是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），具備四大特點：一是廣覆蓋，二是具備支撐海量連接的能力，三是更低功耗，四是更低的模塊成本。

2.2 LoRa技術(shù)

LoRa（Long Range）是一種新型的基于1GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該頻段為非授權(quán)頻段，故在使用時不需要額外收費，使用的LoRaWAN是一種異步通訊協(xié)議，該協(xié)議方式不僅在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)重疊、可伸縮性等方面具有獨特的特性，而且在耗電方面極為經(jīng)濟，大大增加了利用電池供電的設(shè)備的使用壽命。該技術(shù)是一種新型的擴頻技術(shù)，大大的改善了接收的靈敏度，其通信距離可達(dá)15公里，接收電流僅10mA，睡眠電流200nA。但LoRa需要自建網(wǎng)關(guān)，在通信距離短（半徑5公里范內(nèi)只需一個網(wǎng)關(guān)），在服務(wù)質(zhì)量（QoS）上略遜色于使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通訊方式。因此在需要節(jié)約成本、大量連接，而對QoS要求不高的情況下，LoRa無疑是最佳的選擇。自建LoRa網(wǎng)絡(luò)可獨立組網(wǎng)，不接入互聯(lián)網(wǎng)，采用加密技術(shù)傳輸，可有效保證數(shù)據(jù)安全。

NB-IoT和LORA比LTE和GPRS基站提升了增益，能覆蓋到地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達(dá)的地方。

3 水庫自動安全監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

水庫自動安全監(jiān)測系統(tǒng)要充分利用現(xiàn)代檢測技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)，通過相應(yīng)傳感器感知大壩的變形、滲流、應(yīng)力、水文、氣象等數(shù)據(jù)[1]?，F(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)測終端通過無線或有線的方式采集前端傳感器的信號并進(jìn)行預(yù)處理和存儲，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸體制要求，將相關(guān)參數(shù)報送信息中心，在大壩管理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計、整編、分析、預(yù)警等，提高大壩安全監(jiān)測的實時性、可靠性和精度，及時預(yù)報大壩承受能力和可能發(fā)生的事件。同時可通過先進(jìn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時觀測河道、庫區(qū)及涵閘等運行情況，為決策提供直觀的圖像信息，可使管理部門的有關(guān)人員實時動態(tài)的掌握水庫運行信息。

3.1 自動安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容

完整的水庫自動安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容和目標(biāo)包括：（1）信息自動采集系統(tǒng)。（2）網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。（3）決策支持系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)組成

水庫自動安全監(jiān)測系統(tǒng)主要由5部分組成：（1）前端感知系統(tǒng);（2）數(shù)據(jù)采集終端;（3）網(wǎng)絡(luò)通信;（4）系統(tǒng)管理中心;（5）供電系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)。

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)宜采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)，運行方式為分散控制方式，可命令各個現(xiàn)地監(jiān)測單元按設(shè)定時間自動進(jìn)行巡測、存儲數(shù)據(jù)，并向安全監(jiān)測中心報送數(shù)據(jù)。庫區(qū)通信要結(jié)合現(xiàn)在新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如運營商新建的NB-iot、自建LORA網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信，考慮5G通信技術(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各個監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，上傳至管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析，并將原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果存入主數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)庫中。

3.2.1 前端感知系統(tǒng)

前端感知系統(tǒng)是掌握水庫運行狀態(tài)的重要的前端設(shè)備，要求能夠在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠的檢測水庫的物理量變化，特別水庫大壩外部觀測的靜力水準(zhǔn)、正倒錘、激光準(zhǔn)直及內(nèi)部觀測的滲壓計、沉降計、測斜計、應(yīng)變計、土壓計等，根據(jù)實際需要及規(guī)范進(jìn)行選擇。

前端感知系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容大體可概括為以下5個方面：（1）變形觀測：包括水平位移、垂直位移（沉陷）、裂縫、土石壩內(nèi)部分層固結(jié)混凝土壩擾曲、傾斜、結(jié)構(gòu)縫變化等觀測;（2）滲流觀測：包括壩體及壩基滲漏量、水質(zhì)分析，土石壩壩體浸潤線及壩基測壓管水位，混凝土壩壩基揚壓力及壩體滲壓力等觀測;（3）結(jié)構(gòu)內(nèi)部觀測：混凝土溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、填土壓力、土體內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙壓力等;（4）環(huán)境量等工作條件觀測：上下游水位、冰凍、岸坡地下水位、氣溫、壩前水深、壩體溫度、壩前淤積、壩區(qū)地震活動等;（5）庫區(qū)巡視檢查;（6）其他觀測。

此外，根據(jù)需要還可以進(jìn)行過水建筑物的水力學(xué)觀測、庫壩區(qū)地形變化、危巖、滑坡監(jiān)測、壩體地震反應(yīng)等。并依據(jù)除險加固設(shè)計的新防滲設(shè)施、新增建筑物、大壩加高涉及的新關(guān)注點，作為新增監(jiān)測項目進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集終端單元

數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備應(yīng)具備以下基本功能：模擬量數(shù)據(jù)采集;開關(guān)量數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)保存;數(shù)據(jù)保持;數(shù)據(jù)傳送。

上述數(shù)據(jù)保持是指數(shù)據(jù)的不可破壞性，即使遇到數(shù)據(jù)采集終端掉電，數(shù)據(jù)采集終端被破壞等情況時，數(shù)據(jù)也不會丟失。數(shù)據(jù)傳送應(yīng)受到權(quán)限控制，一旦權(quán)限許可，數(shù)據(jù)采集終端才會按一定格式向計算機或其它通信設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。除了具備以上功能外，還應(yīng)具備超標(biāo)自動報警;允許遠(yuǎn)程設(shè)置、修改參數(shù)，以及遠(yuǎn)程控制功能等。

數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備上電后應(yīng)自動尋找網(wǎng)絡(luò)，保證通訊自動保持在線，斷線自動連接?？筛鶕?jù)設(shè)定的上報周期上報系統(tǒng)存儲的各種測量數(shù)據(jù)，實時響應(yīng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息中心人工請求的各種命令，并及時回傳相應(yīng)數(shù)據(jù)。具有快速、準(zhǔn)確、維護方便、覆蓋面廣、性能可靠等諸多特點。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)通信

庫區(qū)網(wǎng)絡(luò)通信包括數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)通信專網(wǎng)，視頻通信網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)采用NB-iot、 LORA物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和衛(wèi)星通信等現(xiàn)代通信技術(shù)。在水庫大壩廊道內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備以及傳統(tǒng)通信不能覆蓋的區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備都可采用進(jìn)行NB-iot、LORA物聯(lián)網(wǎng)通信;大壩變形監(jiān)測可采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行自動監(jiān)測和通信。（1）控制系統(tǒng)通信專網(wǎng)，考慮水庫閘門和閘閥等重要設(shè)備控制的安全性，建議采用光纖專線進(jìn)行監(jiān)控。其他控制設(shè)備在專線不能到過的地方可采用NB-iot、LORA物聯(lián)網(wǎng)加密傳輸監(jiān)控信號，以保證控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。（2）視頻通信網(wǎng)絡(luò)因傳輸數(shù)據(jù)量大，結(jié)合視頻點地域分布，可考慮采用光纖通信、無線WIFI、4G通信或5G通信。

3.2.4 系統(tǒng)管理中心

大壩管理中心安裝硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，硬件設(shè)備主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站、打印機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通訊設(shè)備、后備電源、大屏幕等組成;軟件系統(tǒng)包括綜合管理平臺、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通信管理系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)。管理中心是用戶接口，最終完成如下功能：（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能：系統(tǒng)應(yīng)按運行要求，對所有接入系統(tǒng)中的各類監(jiān)測儀器進(jìn)行一定方式的自動化測量，儲存所測數(shù)據(jù)，并傳送到中央控制裝置集中儲存或處理。（2）數(shù)據(jù)通訊功能：中央控制裝置與所有測控裝置，中央控制裝置與數(shù)據(jù)管理主機均具有雙向通訊功能。（3）系統(tǒng)外數(shù)據(jù)通訊功能。系統(tǒng)應(yīng)具有遠(yuǎn)程通信接口，可以上網(wǎng)與各級管理部門的信息系統(tǒng)之間實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，實現(xiàn)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。（4）數(shù)據(jù)管理功能：中央控制裝置集中儲存系統(tǒng)內(nèi)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別按系統(tǒng)測點排列及時間序排列，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，供運行人員瀏覽、檢查、繪圖、打印。中央控制裝置和信息管理系統(tǒng)聯(lián)機運行時，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入信息管理系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫以供入庫存檔和進(jìn)一步分析處理。（5）系統(tǒng)自檢功能：系統(tǒng)應(yīng)具有自檢能力，當(dāng)系統(tǒng)中硬件設(shè)備或通訊線路發(fā)生故障時在中央控制裝置或信息管理主機顯示器上顯示故障信息，以便及時維修。

3.2.5 供電系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)

對于監(jiān)測系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端，應(yīng)全部采用低功耗設(shè)計。每個單元自帶蓄電池，當(dāng)外部電源中斷時，數(shù)據(jù)和參數(shù)也不丟失，可以靠本身電池自動上電，能維持自身約10天以上正常運行[2]。對于傳感器及其它監(jiān)測設(shè)備，需提供外部供電系統(tǒng)。根據(jù)水庫的實際供電情況，就近引設(shè)電源或采用太陽能供電系統(tǒng)?，F(xiàn)場設(shè)備工作于野外，根據(jù)系統(tǒng)具體情況將從接閃器、引下線、側(cè)擊雷防護、屏蔽、等電位連接、浪涌保護器安裝、接地裝置等現(xiàn)場情況入手，結(jié)合GB50057《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行防過電壓設(shè)計。

3.3 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

水庫網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實時直觀的觀測水庫各種變化及涵閘的運行情況，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供了直觀的圖像信息，同時改善了觀測、測量工作人員的工作環(huán)境，減少工作人員，真正做到無人值守、少人值班。

水庫網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)以下主要功能：（1）實現(xiàn)庫區(qū)24小時日常巡查錄像。（2）汛期可實時觀察水庫的水位變化及汛情變化，如水位達(dá)到警戒線，或大壩出現(xiàn)其他汛期險情，就地值守人員及管理中心可立即觀察到實時圖像信息。（3）水庫重點區(qū)域的防范，隨時查看閘門、大壩的正常工作和穩(wěn)固程度。（4）水庫水面、水岸情況的實時遠(yuǎn)端監(jiān)控。（5）水庫氣象情況的實時觀測。

4 結(jié)語

水庫大壩智能安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)采用新的現(xiàn)代通信技術(shù)，如衛(wèi)星定位系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決大壩變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集傳輸分析問題。實現(xiàn)安全監(jiān)測智能化，提高大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)能力水平，滿足安全管理要求，為水庫安全運行提供穩(wěn)定、高效、科學(xué)的輔助決策。

參考文獻(xiàn)

[1] SL268-2001，大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件[S].

[2] 王士軍.水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)[J].中國水利，2018（20）：56-57+60.