移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利工程安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

萬國勇，廖炳飛，于長(zhǎng)青，鐘志堅(jiān)

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。

目前，我國已建成各類水庫8.5萬多座（其中江西近11 000座），這些水庫在防洪、灌溉、供水、發(fā)電及改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮巨大作用，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益顯著，是我國防洪保安工程體系與水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，特別對(duì)發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、改善農(nóng)民生活生產(chǎn)條件、穩(wěn)定農(nóng)村社會(huì)秩序等起著不可替代的重要作用。但由于我國水庫多建于20世紀(jì)50～70年代，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，施工技術(shù)落后，缺少必要的工程質(zhì)量控制手段與措施，甚至為“三邊”或“三無”工程，大壩與附屬建筑物普遍存在滲流與結(jié)構(gòu)安全隱患，加上長(zhǎng)期以來工程運(yùn)行與維護(hù)經(jīng)費(fèi)不落實(shí)，管理粗放，老化失修嚴(yán)重，造成水庫病險(xiǎn)率高。水利工程安全關(guān)系到人民群眾的切身利益，對(duì)于加強(qiáng)水利工程安全監(jiān)測(cè)管理、保障周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)及安全意義重大。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展、移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展的又一產(chǎn)物。移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐漸滲透到人們的日常生活，并在家居生活、環(huán)境保護(hù)、工程安全等各個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。通過移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的水利工程安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，貫穿了水利工程安全監(jiān)視、預(yù)報(bào)、預(yù)警、決策、響應(yīng)等各個(gè)環(huán)節(jié)。

水利工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)水利工程建筑斷面上埋設(shè)的滲壓計(jì)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來監(jiān)控壩體、壩基的運(yùn)作情況。首先在水利工程建筑的各個(gè)斷面上的不同斷面里埋入深度不一的測(cè)壓管，再在測(cè)壓管內(nèi)埋設(shè)滲壓計(jì)，然后將所有滲壓計(jì)連接到安全監(jiān)測(cè)儀的滲壓計(jì)接口上，安全監(jiān)測(cè)儀會(huì)準(zhǔn)確記錄每個(gè)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)的溫度值和滲壓值，然后，安全監(jiān)測(cè)儀通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）模塊將記錄的滲壓值和溫度值上傳至水利工程安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，平臺(tái)根據(jù)滲壓計(jì)的滲壓值和水深的轉(zhuǎn)換關(guān)系將滲壓值轉(zhuǎn)換成水深值，再依據(jù)大壩的基礎(chǔ)信息結(jié)合水深值和溫度值，最終以一個(gè)二維的大壩斷面圖形式展示在網(wǎng)頁端，為水利工程安全管理人員提供透明的水利工程安全監(jiān)測(cè)信息。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)層次，分別是基礎(chǔ)設(shè)施層、共享服務(wù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖1所示。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層包括NB-IoT無線通信模塊、安全監(jiān)測(cè)儀、滲壓計(jì)。三者之間通過有線連接在一起，安全監(jiān)測(cè)儀接收并存儲(chǔ)滲壓計(jì)采集上來的溫度數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)，然后，安全監(jiān)測(cè)儀再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT無線通信模塊，NB-IoT無線通信模塊最終將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)再傳送至共享服務(wù)層的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器上。

1.2 共享服務(wù)層

共享服務(wù)層一是負(fù)責(zé)接收并存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施層傳送上來的數(shù)據(jù)，二是對(duì)用戶訪問層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，依托數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)為上層提供服務(wù)，同時(shí)為業(yè)務(wù)應(yīng)用層和基礎(chǔ)設(shè)施層之間通信傳遞信息。

1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層為系統(tǒng)用戶提供系統(tǒng)訪問服務(wù)，將基礎(chǔ)設(shè)施層采集的數(shù)據(jù)以斷面圖的方式展示給用戶，用戶可以通過手機(jī)APP終端或?yàn)g覽器客戶端訪問系統(tǒng)。

2 基礎(chǔ)設(shè)施層設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的水利工程安全監(jiān)測(cè)中，研究認(rèn)為地下（壩內(nèi)）滲流的存在將對(duì)熱環(huán)境產(chǎn)生明顯的影響，水的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱與巖石不同，巖土中如果有滲水，其熱學(xué)參數(shù)必然會(huì)改變，如果地下水不流動(dòng)，這種影響就比較??；而流動(dòng)的地下水會(huì)產(chǎn)生冷卻的效果，因?yàn)榈販叵鄬?duì)較低的部位有可能存在流動(dòng)的地下水，由此，溫度分布圖像可以幫助發(fā)現(xiàn)滲流較嚴(yán)重的部位，同時(shí)，通過長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)掌握了埋設(shè)的各支溫度計(jì)的正常變化規(guī)律后，當(dāng)溫度測(cè)值一旦偏離正常值時(shí)，就可以認(rèn)為有滲流異常的特征而加以注意和研究。常規(guī)的水利工程安全需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有兩個(gè)：一個(gè)是巖土滲壓，一個(gè)是巖土溫度。巖土滲壓值采集采用的是壓力傳感器，巖土溫度值采集采用的是溫度傳感器。

2.1 NB-IoT無線通信模塊

NB-IoT無線通信模塊采用的是上海移遠(yuǎn)公司的BC35-G模塊。BC35-G模塊是一款高性能、低功耗的多頻段NB-IoT無線通信模塊，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28*頻段。其尺寸僅為23.6mm×19.9mm×2.2mm，能最大限度地滿足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，同時(shí)有效地幫助客戶減小產(chǎn)品尺寸并優(yōu)化產(chǎn)品成本。BC35-G在設(shè)計(jì)上兼容移遠(yuǎn)通信GSM/GPRS系列的M35模塊，方便快速、靈活的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和升級(jí)。

2.2 硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)施層的硬件設(shè)備包括NB-IoT無線通信模塊，安全監(jiān)測(cè)儀、溫度傳感器和壓力傳感器（如圖2）。

供電模塊為整個(gè)采集裝置供電，滲壓計(jì)的壓力傳感器連接在安全監(jiān)測(cè)儀的振弦信號(hào)傳輸端，溫度傳感器連接在安全監(jiān)測(cè)儀的模擬量信號(hào)傳輸端，NB-IoT無線通信模塊BC35-G和安全監(jiān)測(cè)儀都自帶TTL電平通信，兩者用導(dǎo)線連接上數(shù)據(jù)傳輸端口便可直接通信。NB-IoT無線通信模塊負(fù)責(zé)安全監(jiān)測(cè)儀和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，安全監(jiān)測(cè)儀負(fù)責(zé)讀取滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，再發(fā)送至BC35-G模塊上，BC35-G模塊再將數(shù)據(jù)傳送給共享服務(wù)層的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。NB-IoT無線通信模塊在基礎(chǔ)設(shè)施層和共享服務(wù)層之間充當(dāng)通信橋梁的作用。

安全監(jiān)測(cè)儀負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施層的正常工作，具有主動(dòng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、上報(bào)數(shù)據(jù)、與共享服務(wù)層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等功能，同時(shí)控制著整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施層的供電工作。

滲壓計(jì)是基礎(chǔ)設(shè)施層的終端設(shè)備，是系統(tǒng)的基本單元，其內(nèi)部集成了壓力傳感器和溫度傳感器。巖土滲壓監(jiān)測(cè)最常用的壓力傳感器是以拉緊的金屬鋼弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)被測(cè)水壓荷載作用在振弦傳感器上，將引起彈性膜板的變形，其變形帶動(dòng)振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。振動(dòng)頻率的平方（頻率模數(shù)）正比于作用在膜片上的壓力，電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至安全監(jiān)測(cè)儀上，即可測(cè)出水荷載的壓力值（即滲壓值）。根據(jù)這一特性原理，即可通過一定的物理（機(jī)械）結(jié)構(gòu)制作出測(cè)量不同種類物理量的傳感器（如：應(yīng)變傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等），從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理量與頻率值之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量當(dāng)前頻率值R1的變化量來計(jì)算出被測(cè)物理量的改變量。根據(jù)滲壓計(jì)測(cè)量的頻率和水深的轉(zhuǎn)換公式。如下：

圖2 采集裝置的硬件組成圖

式中：H1為當(dāng)前滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水深值，m；0.101 97是壓力轉(zhuǎn)換成水深的轉(zhuǎn)換系數(shù)；G-是頻率換算成壓力的系數(shù)；R1為當(dāng)前頻率值，Hz；R0是基準(zhǔn)頻率值，Hz；K是溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)；T1-是當(dāng)前溫度，℃；T0-是基準(zhǔn)溫度，℃。

根據(jù)實(shí)測(cè)水深可以計(jì)算得到實(shí)際水位，如下：

式中：H是實(shí)際水位，m；H1是滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水深，m；H2是滲壓計(jì)的埋設(shè)高層，m。

溫度傳感器采用的是正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）：熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。測(cè)量時(shí)將熱敏電阻Rt與一個(gè)高精度且已知阻值的電阻R1串聯(lián)在一起，給串聯(lián)的電阻加上額定電壓Vref，安全監(jiān)測(cè)儀的VIN+和VIN-測(cè)量引腳接在R1電阻兩端，測(cè)量得到電阻R1兩端的電壓值V1，詳細(xì)操作如圖3所示。利用熱敏電阻的分壓特性，計(jì)算出熱敏電阻的當(dāng)前阻值Rt，如下：

式中：Rt為熱敏電阻的當(dāng)前阻值，Ω；Vref為額定電壓，V；V1為電阻R1兩端的電壓值，V；R1是已知阻值的高精度電阻，Ω。

圖3 熱敏電阻差分測(cè)量原理圖

計(jì)算得出熱敏電阻的當(dāng)前阻值Rt，再根據(jù)熱敏電阻與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前巖土層的實(shí)際溫度值T1，如下：

式中：T1為當(dāng)前巖土層的實(shí)際溫度值，℃；T2為熱敏電阻阻值為標(biāo)稱電阻時(shí)的溫度值，℃；Rt為熱敏電阻當(dāng)前電阻值，Ω；R為熱敏電阻的標(biāo)稱電阻（出廠自帶的），Ω；B為熱敏電阻關(guān)鍵參數(shù)（出廠自帶）。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)接收服務(wù)

數(shù)據(jù)接收服務(wù)主要功能是接入服務(wù)，即與NB-IoT無線通信模塊的網(wǎng)絡(luò)通信，接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并將安全監(jiān)測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

接收服務(wù)是一個(gè)前后臺(tái)都可以操作的服務(wù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口信息，并實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫。當(dāng)安全監(jiān)測(cè)儀通過NB-IoT無線通信模塊和數(shù)據(jù)接收服務(wù)建立連接時(shí)，接收服務(wù)會(huì)解析當(dāng)前安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中提前錄入的水利工程建筑物的基礎(chǔ)信息中的測(cè)站編碼，將二者關(guān)聯(lián)起來，并以表格的形式將這些信息綜合的展示出來，實(shí)際應(yīng)用效果如圖4所示（其中測(cè)站編碼、報(bào)文類型、報(bào)文時(shí)間、數(shù)據(jù)、電壓是安全監(jiān)測(cè)儀上報(bào)的數(shù)據(jù)；測(cè)站編碼、測(cè)站名稱、測(cè)站地址、測(cè)站類型都是水利工程建筑物的基礎(chǔ)信息）。

3.2 數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中主要包括兩類數(shù)據(jù)，一是水利工程建筑物的基礎(chǔ)信息，二是安全監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。

水利工程建物筑的基礎(chǔ)信息主要是測(cè)站名稱、測(cè)站地址、測(cè)點(diǎn)編號(hào)、樁號(hào)、壩軸距、管口高程、管底高層、監(jiān)管人員信息、技術(shù)維護(hù)人員信息等，施工人員可以在用戶訪問層的Web客戶端上將這些基礎(chǔ)信息完善好，Web客戶端可以根據(jù)這些水利工程建筑物的基礎(chǔ)信息形象的將大壩的斷面圖描繪出來，監(jiān)管人員信息、技術(shù)維護(hù)人員信息用于滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)出現(xiàn)異常時(shí)的消息推送。

如圖5所示，圖（a）是添加的水利工程建筑物的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；圖（b）是依據(jù)添加好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描繪出的水利工程建筑物的其中一個(gè)斷面圖，其中深色區(qū)域是代表水淹區(qū)域（結(jié)合水位數(shù)據(jù)來表示的，水位數(shù)據(jù)是水雨情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)上傳得來的），中間虛線是壩軸線，壩軸線右邊依次過去的不同長(zhǎng)度的線條代表的是埋入水利建筑內(nèi)的測(cè)壓管（滲壓計(jì)最終就是埋放在這些測(cè)壓管里面）。

圖4 接收服務(wù)平臺(tái)

圖5 水利工程建筑基礎(chǔ)信息

3.3 用戶訪問層

基礎(chǔ)設(shè)施層監(jiān)測(cè)得到的是抽象的數(shù)據(jù)，借助窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）將數(shù)據(jù)傳送到接收服務(wù)層，接收服務(wù)層再將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，然后，用戶訪問層將存入數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和水利建筑物完美的結(jié)合起來并展示給用戶。

如圖6所示，整個(gè)深色區(qū)域就是水利建筑物的其中一個(gè)斷面的浸潤線圖，浸潤線是結(jié)合水位計(jì)測(cè)的水位值（水雨情測(cè)站上報(bào)，在此不做詳述）和滲壓計(jì)測(cè)量的水位值以一個(gè)二維坐標(biāo)描繪出來的。其中縱軸是高度（單位是m），橫軸是寬度（單位是m）；深色覆蓋部分代表浸潤區(qū)域；底層淺色梯形圖代表的是水利工程建筑物的一個(gè)斷面，底層淺色梯形圖（水利工程建筑物）中間的虛線是壩軸線、實(shí)線是測(cè)壓管。左側(cè)深色底層無淺色圖重疊區(qū)域代表水淹區(qū)域，上層圖片（深色）和底層圖片（淺色）切面建筑最高處相交的點(diǎn)就是當(dāng)前水位值，右側(cè)的測(cè)壓管和上層圖片（深色）相交處的點(diǎn)處就是該測(cè)壓管內(nèi)的滲壓計(jì)測(cè)量得到的水位值（加上了埋設(shè)高程），上層圖形（深色）和底層圖形（淺色）重疊的區(qū)域代表的是水利工程建筑物的浸潤區(qū)域；同時(shí)各個(gè)測(cè)壓管中滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)的水位和溫度數(shù)據(jù)都在浸潤圖形的下部以表格形式展示出來。不同的水利工程建筑物的切面浸潤線可以通過切換樁號(hào)來查看。

圖6 水利工程建筑物浸潤線

整個(gè)用戶訪問層所展示的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過過濾篩選出來的，排除異常數(shù)據(jù)的干擾，保證了最終展示數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)任意一個(gè)測(cè)壓管監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)報(bào)異常時(shí)，用戶訪問層會(huì)將異常情況分兩部分反饋，一是在平臺(tái)上反饋給相應(yīng)的水管員和技術(shù)維修人員，當(dāng)水管員和技術(shù)維修人員登入Web平臺(tái)時(shí)，異常信息會(huì)以彈窗形式推送給水管員和技術(shù)維修人員。二是以短信的形式告知給水管員和技術(shù)維修人員，用戶訪問層會(huì)根據(jù)用戶提前預(yù)留的聯(lián)系方式，將異常情況編輯成短信內(nèi)容發(fā)送至水管員和技術(shù)維修人員的手機(jī)上，確保水利工程安全監(jiān)測(cè)盡最大可能做到無死角。

4 結(jié)語

本文把窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)應(yīng)用于水利工程安全監(jiān)測(cè)管理過程之中，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了水利工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有靈活部署等特點(diǎn)，特別適用于對(duì)于一般性的自然災(zāi)害事件起到提前監(jiān)測(cè)預(yù)警的作用，使事件應(yīng)急處理更加規(guī)范化、高效化，將有效的降低突發(fā)事件造成的傷害和損失。整個(gè)系統(tǒng)目前運(yùn)行良好。