基于水下觀測(cè)網(wǎng)的大壩安全警戒系統(tǒng)

季勝?gòu)?qiáng) 張鋒 張志峰 謝凱 杜宗印

摘要：針對(duì)大壩水下防御、水質(zhì)狀況監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)基于水下觀測(cè)網(wǎng)的大壩安全警戒系統(tǒng)。安全警戒系統(tǒng)通過(guò)岸基站供電，利用光電復(fù)合纜將電能傳輸至水下節(jié)點(diǎn)接駁盒進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，對(duì)水下攝像系統(tǒng)、三維成像聲納系統(tǒng)等終端設(shè)備提供電能供給。水下終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過(guò)水下節(jié)點(diǎn)接駁盒轉(zhuǎn)換至光信號(hào)利用光電復(fù)合纜傳輸至岸基站并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)岸基監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)水下終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩水下?tīng)顟B(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：大壩;接駁盒;攝像;三維成像聲納;水質(zhì)監(jiān)測(cè)

引言

隨著大壩建設(shè)的日益發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成水利工程的重要組成部分，在防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)等方面得到了充分的發(fā)展，并發(fā)揮著巨大的作用。同時(shí)，大壩的安全尤為重要，稍有不慎則會(huì)給國(guó)家及人民帶來(lái)難以預(yù)料的災(zāi)難。大壩的安全分為兩個(gè)方面，一方面為大壩本體的安全，主要與大壩的設(shè)計(jì)、選址、建造等因素有關(guān)，另一方面是外界環(huán)境因素對(duì)大壩造成的危害[1]。針對(duì)影響大壩安全的外界環(huán)境因素，主要通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視頻、水下三維成像聲納等技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，確保大壩安全。

現(xiàn)代科技的發(fā)展和前沿科技的大規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)致水下攻擊具有相當(dāng)?shù)碾[蔽性與廣泛的應(yīng)用，針對(duì)大壩水下防御、水文水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，依托水下立體防護(hù)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行關(guān)鍵水域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立基于水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的大壩安全警戒系統(tǒng)，使大壩防御體系多樣化、立體化，進(jìn)而提高大壩安全，保障民眾生命及財(cái)產(chǎn)安全[2]。

1.水下觀測(cè)網(wǎng)安防警戒系統(tǒng)

水下觀測(cè)網(wǎng)來(lái)源于本世紀(jì)初提出的海底觀測(cè)網(wǎng)概念[2][3]，后者已經(jīng)成為海洋監(jiān)測(cè)的一種新型觀測(cè)方法。水下觀測(cè)網(wǎng)是通過(guò)一條水下光電復(fù)合纜，向水下觀測(cè)節(jié)點(diǎn)提供相對(duì)充足的電能和較大的數(shù)據(jù)容量。由于其長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、原位以及可持續(xù)觀測(cè)的特點(diǎn)，也將成為重要的水下安防警戒手段。

基于水下觀測(cè)網(wǎng)的安防警戒系統(tǒng)以水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接駁盒平臺(tái)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展接口搭載各類(lèi)傳感器，如水下攝像、水下三維成像聲納系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器等，對(duì)大壩所在水域的進(jìn)行立體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

基于水下觀測(cè)網(wǎng)的大壩安全警戒系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖1所示，該系統(tǒng)由岸基站、水下節(jié)點(diǎn)接駁盒、光電復(fù)合纜、攝像系統(tǒng)、主被動(dòng)聲納、多參數(shù)水質(zhì)分析儀和電磁場(chǎng)傳感器組成。主要監(jiān)測(cè)大壩所在水域的水質(zhì)狀況，大壩附近有無(wú)可疑物，大壩自身是否出現(xiàn)裂痕等?？紤]到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，電能傳輸采用直流恒壓的方式進(jìn)行。

2.1岸基遠(yuǎn)程監(jiān)控和電能管理系統(tǒng)

岸基站是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“大腦”中樞，岸基主要由運(yùn)行管理系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及指揮控制系統(tǒng)組成。其主要功能是管理整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水下觀測(cè)的遠(yuǎn)程供電、觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集、接收、存儲(chǔ)及管理分配，并最終實(shí)現(xiàn)與用戶終端的信息交互。

基于水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的大壩安全警戒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以記錄監(jiān)測(cè)對(duì)象完整的數(shù)據(jù)變化過(guò)程，并且借助于光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)時(shí)得到數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的任何需要這些數(shù)據(jù)的部門(mén)，非網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)可通過(guò)無(wú)線基站、GSM（GPRS）、CDMA等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸[4]。

2.2電能和通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)

電能和通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由岸基供電電源、UPS不間斷電源、光電交換機(jī)和傳輸光電復(fù)合纜構(gòu)成。其中，岸基供電電源可提供400V/10A的恒壓電能供給，具備電源監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制能力;UPS不間斷電源可在市電斷電后，立刻切換為電池供電，為觀測(cè)系統(tǒng)提供短時(shí)間內(nèi)的持續(xù)恒定的電能供給;兩臺(tái)光電交換機(jī)分別位于岸基和節(jié)點(diǎn)接駁盒內(nèi)，通過(guò)光電復(fù)合纜內(nèi)的光纖單元進(jìn)行通訊網(wǎng)絡(luò)的搭建，主干纜帶寬可達(dá)1Gbps，傳感器通訊速率最大可達(dá)100Mbps。

水下光電復(fù)合纜是觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的“血管”，是系統(tǒng)能量及信號(hào)的傳輸路徑，為近距離海底專(zhuān)用光電復(fù)合纜，采用雙極導(dǎo)體、12根光纖傳輸光電信號(hào)，并且采用外層單層鎧裝方式防拖、防撞保護(hù)設(shè)計(jì)及高密度聚乙烯護(hù)套防腐蝕設(shè)計(jì)，保證光電復(fù)合纜海底使用的長(zhǎng)期安全及穩(wěn)定性。

2.3節(jié)點(diǎn)接駁盒

節(jié)點(diǎn)接駁盒主要具有四個(gè)功能：光電分離、電能變換、電能控制和通訊轉(zhuǎn)接。

光電分離：光電分離腔主要作用為對(duì)主干纜進(jìn)行光電分離，并將供電線路輸入至電能變換器，將千兆光纜輸入至通訊轉(zhuǎn)接系統(tǒng)。

電能變換：岸基站的AC/DC轉(zhuǎn)換器把市電220 VAC轉(zhuǎn)換成直流電壓375 VDC，通過(guò)光電復(fù)合纜傳輸?shù)礁魉鹿?jié)點(diǎn)。375 VDC不能直接為科學(xué)儀器供電，需要經(jīng)過(guò)一定的電壓變換，降低電壓等級(jí)至24 VDC和12 VDC來(lái)滿足不同的科學(xué)儀器的使能需求。

電能控制：電能控制的主要功能為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控、外部負(fù)載狀態(tài)監(jiān)控、故障判斷與隔離和時(shí)間同步。可以針對(duì)過(guò)流、過(guò)壓、短路、接地等故障進(jìn)行判斷和快速處理。同時(shí)當(dāng)監(jiān)測(cè)到節(jié)點(diǎn)的故障情況時(shí)候通過(guò)電能分配的方式進(jìn)行強(qiáng)制的故障隔離，以免影響其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。

通訊轉(zhuǎn)接：由于接駁接口是面對(duì)不同的信息傳輸協(xié)議，如串口RS232，RS485和以太網(wǎng)等[5]。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，作為水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心的節(jié)點(diǎn)接駁盒，需要對(duì)多種不同協(xié)議的傳輸信號(hào)進(jìn)行匯總和轉(zhuǎn)發(fā)，因此，需要對(duì)各種協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，不同協(xié)議的信息先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換匯總，在通過(guò)控制中心來(lái)完成信息的上傳下達(dá)[6]。

水下立體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)之一就是要收集和分析長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)，對(duì)于某些觀測(cè)到的數(shù)據(jù)而言，時(shí)間精度需要達(dá)到微秒乃至納秒的級(jí)別，從而達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下環(huán)境數(shù)據(jù)的目的。為了滿足海底觀測(cè)高精度的對(duì)時(shí)，通過(guò)岸基安裝時(shí)間服務(wù)器，在接駁盒采用軟硬件結(jié)合處理的方式實(shí)現(xiàn)接駁盒和岸基的時(shí)間同步，并為所有接駁接口提供高精度的PTP時(shí)間服務(wù)信號(hào)。

2.4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括水下攝像系統(tǒng)、三維成像聲納系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)分析儀和電磁場(chǎng)傳感器。其供電電源來(lái)自于節(jié)點(diǎn)接駁盒內(nèi)部，其采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)接駁盒內(nèi)的光電交換機(jī)和傳輸纜內(nèi)的光纖單元，實(shí)時(shí)傳輸至岸基遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

水下多點(diǎn)全方位攝像系統(tǒng)以獨(dú)特的水下封裝，將監(jiān)控?cái)z像頭安裝在水下，具有自動(dòng)對(duì)焦功能，對(duì)水下環(huán)境、泥沙沉淀物等進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。另外，在大壩自身的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行視頻監(jiān)控，保證大壩的完好性。

三維成像聲納系統(tǒng)利用主/被動(dòng)探測(cè)聲納對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位，主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)為水下生物活動(dòng)、水下可疑目標(biāo)、武裝挖人[8]、潛水機(jī)械設(shè)備等。

電磁場(chǎng)傳感器[9]，探測(cè)水下的電磁場(chǎng)有無(wú)異常，判斷大壩附近有無(wú)可以金屬物

同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)安裝配備多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，用于流經(jīng)大壩的水質(zhì)狀況監(jiān)測(cè)和大壩水位監(jiān)測(cè)，保障水質(zhì)安全。最終，通過(guò)岸基中控臺(tái)對(duì)水下目標(biāo)和水質(zhì)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和顯示。監(jiān)測(cè)參數(shù)如表1所示。

2.5節(jié)點(diǎn)接駁盒防護(hù)平臺(tái)

水下接駁盒對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著能量及信號(hào)中繼、分配的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的“心臟”，節(jié)點(diǎn)接駁盒為長(zhǎng)期固定布置的主纜終端設(shè)備，必須具有一定的抗拖網(wǎng)、抗水流、防止大型水生生物咬嚼連接纜、防腐蝕、防生物附著等特性。同時(shí)，需要考慮到投放時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的水流拍擊，海流沖擊等動(dòng)態(tài)特性，以及由于海底地質(zhì)松軟產(chǎn)生下陷的可能。防護(hù)外框架設(shè)計(jì)采用金字塔形設(shè)計(jì)，可有效防沉降、防拖網(wǎng)、防止水流泥沙沖擊、水下地勢(shì)的傾斜及它物的拖拽等不良情況，并增加防腐措施，達(dá)到水下長(zhǎng)期使用的目的。

3.系統(tǒng)測(cè)試

穩(wěn)定性是一個(gè)系統(tǒng)的第一要素，水下系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求尤為苛刻?；谒掠^測(cè)網(wǎng)的安全警戒系統(tǒng)目前已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)的功能和可靠性進(jìn)行了一系列試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。

3.1實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

節(jié)點(diǎn)接駁盒的內(nèi)部設(shè)備及電路被集成在內(nèi)部框架中，基于散熱性能的考慮，內(nèi)部框架采用鋁合金材料，然后整個(gè)系統(tǒng)封裝進(jìn)鈦合金材料制成的密封腔[10]。該密封腔經(jīng)過(guò)高壓艙2.5MPa的壓力測(cè)試。

在水下觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部設(shè)備及電路封裝進(jìn)密封腔前、后，分別對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)供電測(cè)試，供電電壓375VDC，其中攝像頭和LED探照燈作為外部負(fù)載，驗(yàn)證系統(tǒng)的電能變換和通信功能以及可靠性。

封裝前的連續(xù)測(cè)試期間，利用熱成像儀不定時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)熱情況，檢測(cè)系統(tǒng)是否存在異常的發(fā)熱點(diǎn)，異常的發(fā)熱會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。水下觀測(cè)節(jié)點(diǎn)樣機(jī)需至少通過(guò)兩次24小時(shí)連續(xù)供電測(cè)試。

3.2 湖試

大壩安全警戒系統(tǒng)布放于南通應(yīng)急水源地。此次布放工作包括岸基站的建立、250m水下光電復(fù)合纜的敷設(shè)以及一個(gè)水下觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的布放。

節(jié)點(diǎn)接駁盒的布放深度大概為10m，離岸距離為150m。圖2為即將下水布放的節(jié)點(diǎn)接駁盒，該節(jié)點(diǎn)接駁盒包括水下攝像系統(tǒng)、三維成像聲納系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)分析儀和電磁場(chǎng)傳感器，所有設(shè)備安置在外框架中，整個(gè)系統(tǒng)重量為100Kg左右。

半年以來(lái)系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行，水質(zhì)和視頻數(shù)據(jù)一直穩(wěn)定傳輸并在上位機(jī)顯示存儲(chǔ)，如圖3所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于水下觀測(cè)網(wǎng)的大壩安全警戒系統(tǒng)。相比較傳統(tǒng)水質(zhì)采樣方式，纜系觀測(cè)網(wǎng)以長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)必將成為水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。為了適應(yīng)各種環(huán)境，用于水質(zhì)分析的纜系觀測(cè)網(wǎng)還有很多的工作要做。未來(lái)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)有的功能基礎(chǔ)上會(huì)變的更小、更輕，布放更為方便。同時(shí)需要建立相關(guān)硬件和軟件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)兼容各種各樣的科學(xué)儀器。

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