基于物聯(lián)網(wǎng)的水工安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

丁小闖

（南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211106）

基于技術(shù)層面研究水利工程水工安全監(jiān)測(cè)工作，考慮過往使用人工開展安全監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足我國(guó)水利工程對(duì)水工建筑物理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的需求。因此，當(dāng)下需要針對(duì)水工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所用產(chǎn)品和技術(shù)過于落后的情況，從水利工程水工建筑數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作良性開展角度出發(fā)，最大程度地利用物聯(lián)網(wǎng)，推出水工在線監(jiān)測(cè)的新模式，加快監(jiān)測(cè)工作智能化建設(shè)的速度。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)開展水工安全在線監(jiān)測(cè)的思路

在水電站大壩投入使用后，需要清楚水電站大壩在不同時(shí)段的運(yùn)行情況。水工安全監(jiān)測(cè)是大壩運(yùn)行管理的重要內(nèi)容，直接影響到大壩運(yùn)行的穩(wěn)定性。在水工監(jiān)測(cè)中，統(tǒng)計(jì)水工數(shù)據(jù)，建立大壩與其他水工建筑物的分析模型，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)信息，比如滲流、應(yīng)力應(yīng)變、變形等，進(jìn)行深度分析，評(píng)估大壩的狀態(tài)，成為大壩安全維護(hù)工作的主要依據(jù)。水電站大壩如果處于非正常狀態(tài)，可能引發(fā)較大的事故。

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展的過程中，建立水工安全監(jiān)測(cè)，以信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)作為基礎(chǔ)，基于水利工程安全運(yùn)行需要，將監(jiān)測(cè)工作作為大壩運(yùn)行管理的主要工具，可以減輕監(jiān)測(cè)人員在水工安全監(jiān)督與控制方面的工作強(qiáng)度。在一般情況下，水工建筑物結(jié)構(gòu)形態(tài)的物理信息，會(huì)隨著時(shí)間推移發(fā)生一定的改變，如果不能發(fā)生改變，則難以獲得較為準(zhǔn)確的物理數(shù)據(jù)。需要每隔12小時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，即可滿足對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析，在水工在線監(jiān)測(cè)模式下，可以實(shí)現(xiàn)水工建筑物的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在大壩運(yùn)行中，使用周期線監(jiān)測(cè)方法，即可獲取安全監(jiān)測(cè)所需的數(shù)據(jù)，評(píng)估大壩在運(yùn)營(yíng)中的狀態(tài)。施工期，水工建筑物各類數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)較為重要，關(guān)系到后期建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維持。在該環(huán)節(jié)，水工建筑結(jié)構(gòu)、形態(tài)等參數(shù)的變化速度極快，同時(shí)在水工建筑發(fā)展與應(yīng)力調(diào)節(jié)方面，如果操作不當(dāng)，將會(huì)影響到水工建筑施工質(zhì)量，不能保證建筑質(zhì)量達(dá)到建設(shè)要求。在施工中如果水工建筑出現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常的情況，施工人員能通過分析監(jiān)測(cè)手段，及時(shí)察覺該問題[1]。

通過監(jiān)測(cè)技術(shù)可以快速發(fā)現(xiàn)施工中遺留的安全隱患，追根溯源處理根源性問題，否則將會(huì)影響到工程進(jìn)度，還可能引發(fā)較大的安全事故。在水工建筑施工與日常管理階段，需要做好水工建筑物監(jiān)測(cè)工作，了解結(jié)構(gòu)安全方面的數(shù)據(jù)，從而可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，全面、準(zhǔn)確地掌握施工環(huán)節(jié)水工建筑的工作情況，能夠做好建筑安全與質(zhì)量的控制工作。結(jié)合系統(tǒng)提供的反饋信息，成為工作人員分析的數(shù)據(jù)，結(jié)合施工進(jìn)度進(jìn)行控制。通過施工期在線監(jiān)測(cè)工作的開展，掌握建筑整體情況，給出較為合理的方式，落實(shí)安全管控任務(wù)。

在水泵安全監(jiān)測(cè)方面，施工期間需要清楚安全監(jiān)測(cè)的頻率以及監(jiān)測(cè)信息。過往監(jiān)測(cè)方法，由工作人員使用便攜式的讀數(shù)儀收集參數(shù)。在施工期如果未能根據(jù)建筑監(jiān)測(cè)需要建立監(jiān)測(cè)站，則難以匯聚傳感器和信號(hào)電纜，無法根據(jù)監(jiān)測(cè)需要設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不能獲取各區(qū)域建筑數(shù)據(jù)。當(dāng)下在人工收集數(shù)據(jù)的過程中，因工作人員數(shù)量有限，無法在短時(shí)間內(nèi)獲取大量的建筑信息。如果想要在規(guī)定時(shí)間完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)情況安排較多人員，同時(shí)每一名監(jiān)測(cè)人員必須在工作中承擔(dān)較重的工作任務(wù)。如果不能對(duì)工作進(jìn)行合理控制，將導(dǎo)致監(jiān)測(cè)工作進(jìn)展緩慢，無法滿足工程對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取需求，也無法快速對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。受到客觀條件的限制，水工安全監(jiān)測(cè)在施工中，無法隨著施工作業(yè)活動(dòng)的推進(jìn)，落實(shí)檢測(cè)任務(wù)。當(dāng)下水利樞紐工程的建設(shè)任務(wù)較為繁重且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，在通訊網(wǎng)絡(luò)線路未全面建設(shè)、電源設(shè)置不足的情況下，一般會(huì)采用臨時(shí)供電的方式。該方式存在供電不穩(wěn)的缺陷，停電斷電的情況時(shí)常發(fā)生，無法在該環(huán)節(jié)落實(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)[2]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)開展水工安全在線監(jiān)測(cè)的必要性

過往水利工程施工中，監(jiān)測(cè)工作主要以人力作業(yè)為主。然而，該方法會(huì)受到環(huán)境以及人為因素限制，使檢測(cè)工作不能與施工同步進(jìn)行，無法在施工中快速發(fā)現(xiàn)問題，導(dǎo)致問題堆積，在問題積累到一定程度后，可能引發(fā)嚴(yán)重的事故。在互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)后，水利工程施工環(huán)節(jié)開展安全監(jiān)測(cè)工作，建立滿足監(jiān)測(cè)需求的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)信息等技術(shù)，讓水工安全監(jiān)測(cè)通過系統(tǒng)程序以及監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行，加快工作的執(zhí)行速度。當(dāng)下水利工程行業(yè)基于水泵安全監(jiān)測(cè)情況以及監(jiān)測(cè)工作需要，收集平臺(tái)系統(tǒng)的建設(shè)方案，基于監(jiān)測(cè)需求，圍繞采集、傳輸、監(jiān)測(cè)、傳感與應(yīng)用平臺(tái)等方面進(jìn)行研究，提出監(jiān)測(cè)信息化方面的要求[3]。

在無線通訊、測(cè)量、傳感、云計(jì)算等技術(shù)快速發(fā)展的過程中，水利工程監(jiān)測(cè)人員可以基于單位建立的互聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)工程施工環(huán)節(jié)的情況，還可以在建筑投入使用后，持續(xù)收集水工建筑的數(shù)據(jù)，評(píng)估水工建筑在運(yùn)行中的表現(xiàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑的異常情況，通知工作者到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)并進(jìn)行處理。在水工建筑監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，依托互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，可以實(shí)時(shí)感知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)整理、分析與反饋等工作，從而得到水利樞紐工程在施工階段的大致信息，結(jié)合技術(shù)安全管控要求，對(duì)水工建筑參數(shù)進(jìn)行控制，防止水工建筑后期發(fā)生安全性問題。在施工環(huán)節(jié)，水工建筑物能否達(dá)到質(zhì)量管理要求，直接關(guān)系到建筑投入運(yùn)營(yíng)后是否擁有較高的可靠性[4]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)水工安全監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)

在水利工程建設(shè)項(xiàng)目中開展水工安全監(jiān)測(cè)工作，以互聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)水工建筑物理參數(shù)監(jiān)測(cè)需求，在現(xiàn)場(chǎng)安置遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水工建筑物理信息的遠(yuǎn)程觀測(cè)與采集。通過互聯(lián)網(wǎng)讓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)傳輸大壩、泵站等水工建筑物的物理形態(tài)數(shù)據(jù)，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、整理、傳輸與處理等工作，均能在程序模塊下自動(dòng)開展。在該檢測(cè)系統(tǒng)中還設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)識(shí)別等管理模塊，具備簡(jiǎn)單便捷、功耗低與遠(yuǎn)程管理的特點(diǎn)，可以使水工監(jiān)測(cè)更安全地開展。當(dāng)下水工在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用中，依托物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系各類監(jiān)測(cè)設(shè)備，按照水利工程施工單位對(duì)水工建筑監(jiān)測(cè)的要求，運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，掌握水工建筑在不同時(shí)段的物理數(shù)據(jù)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)、通訊技術(shù)等技術(shù)，研究建筑在應(yīng)用環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，為監(jiān)測(cè)工作良性運(yùn)行提供支撐，保證在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有的監(jiān)測(cè)設(shè)備均擁有低功耗特性，可以在一定程度上拓寬通信范圍，消除區(qū)域范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通訊的干擾因素，不會(huì)使終端設(shè)備于通訊中受到干擾。當(dāng)下在系統(tǒng)接入容量方面，通過互聯(lián)網(wǎng)、通訊技術(shù)可以增加系統(tǒng)接入容量，該項(xiàng)技術(shù)具備低功耗、覆蓋面廣的特點(diǎn)，同時(shí)速率低、架構(gòu)合理、功耗水平不高，還能在頻段選擇中，提高通訊信息服務(wù)的整體質(zhì)量。（如圖1）

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的施工期水工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2 便攜式的安全監(jiān)測(cè)智能終端裝置

在施工過程中使用基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，設(shè)計(jì)便于攜帶的智能終端裝置，將其作為安全監(jiān)測(cè)的終端。在工程施工期間，監(jiān)測(cè)斷面處于動(dòng)態(tài)變化的情況，無法根據(jù)施工中出現(xiàn)的變化，確定測(cè)站的位置，也難以在當(dāng)下消除因電源不穩(wěn)定對(duì)監(jiān)測(cè)形成的影響。因此，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過程中，需要針對(duì)電源不穩(wěn)定、無固定監(jiān)測(cè)站的實(shí)際情況，重新考慮監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)置。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置存在功耗高、集成度低、體積大等問題，難以在施工中良好地應(yīng)用相關(guān)設(shè)備，監(jiān)測(cè)水工建筑物的物理數(shù)據(jù)。在水利工程項(xiàng)目實(shí)施期間，需要基于項(xiàng)目特征，圍繞泵站、閘門等關(guān)鍵部位調(diào)整檢測(cè)方式。對(duì)于此類監(jiān)測(cè)對(duì)象，將其作為斷面監(jiān)測(cè)的最小單元，設(shè)有8通道的智能監(jiān)測(cè)終端裝置，配合通訊技術(shù)監(jiān)測(cè)泵站、閘門等裝置。在監(jiān)測(cè)中，可以使用互聯(lián)網(wǎng)、通訊技術(shù)進(jìn)行斷面監(jiān)測(cè)。所用的便攜設(shè)備內(nèi)部集成度高，電池是裝置運(yùn)行的供電源。便攜裝置的形狀小巧，擁有防塵、防水的功能，可以在各施工斷面直接部署，隨斷面改變移動(dòng)，可以得到較為全面的數(shù)據(jù)。

在施工中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要收集數(shù)據(jù)，還需要在系統(tǒng)配置的程序下，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與分析。在安全監(jiān)測(cè)、智能終端設(shè)置方面，根據(jù)工作需要確定泵站周邊可設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置，安置一定數(shù)量的通訊網(wǎng)關(guān)，收集便攜式終端數(shù)據(jù)，還會(huì)在數(shù)據(jù)收集后，將數(shù)據(jù)上傳云端。由此提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性以及應(yīng)用的便捷程度，便于施工單位對(duì)各類活動(dòng)進(jìn)行有效管控[5]。

4 物聯(lián)網(wǎng)水工安全監(jiān)測(cè)工作的優(yōu)化建議

4.1 構(gòu)建施工期水工安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)

按照水利工程對(duì)安全監(jiān)測(cè)工作的需求，以互聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)，建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將水閘、泵站作為無線采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

在監(jiān)測(cè)活動(dòng)中，通訊網(wǎng)關(guān)的設(shè)置需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)通訊條件，給出較為合理的方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)與網(wǎng)關(guān)的無縫對(duì)接，組建監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)。在施工活動(dòng)中，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)督，利用物聯(lián)網(wǎng)便于系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)，完成采集器數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。在水工建筑物監(jiān)測(cè)中，建立數(shù)據(jù)管理平臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，解決過往在線監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)站位置不固定、供電不穩(wěn)定等問題，可以提高工作的便利性，還可以減少監(jiān)測(cè)成本。

4.2 實(shí)現(xiàn)施工期水工安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化

基于水工建筑物監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)工作系統(tǒng)，考慮水利工程對(duì)水工建筑檢測(cè)方面的需要，設(shè)置無線采集器，減小采集器的體積，為監(jiān)測(cè)工作便捷進(jìn)行提供條件。利用互聯(lián)網(wǎng)無線通訊，從而可以在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，因?yàn)槠渚邆浞缐m、防水的能力，可以隨著施工面的轉(zhuǎn)移，不會(huì)對(duì)施工主體形成影響。另外，隨著對(duì)工程不斷的監(jiān)督，可以快速回傳數(shù)據(jù)。與過往人工監(jiān)測(cè)的方式相比，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可以隨著工作的開展調(diào)整監(jiān)測(cè)頻度。在監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行中，還需要不斷提高在線監(jiān)測(cè)的能力，以監(jiān)測(cè)工作需求為導(dǎo)向，優(yōu)化系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)加密監(jiān)測(cè)。做好系統(tǒng)安全防范工作，保證信息在傳輸中的安全性。此外，還需要調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)頻度，準(zhǔn)確捕捉水工建筑信息，通過數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)回傳，提高數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析的同步性，對(duì)不同部位開展精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與分析。即便在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)條件，依然可以通過自動(dòng)化檢測(cè)使工作快速進(jìn)行，減輕人員觀測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以提高數(shù)據(jù)分析的處理速度，便于施工單位掌握水工建筑情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題并進(jìn)行調(diào)整[6]。

5 結(jié)語

通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑存在的異常狀況，對(duì)建筑進(jìn)行調(diào)控，不會(huì)影響大壩運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。當(dāng)下，基于物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，通過設(shè)備與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，還能通過參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)高密度控制，掌握水工建筑在各時(shí)段的狀態(tài)，利于各時(shí)段管理工作的實(shí)施。