無(wú)線自組網(wǎng)在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

白鳳玲,陳 域,吳建森

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,南京 210014;2.廈門(mén)四信物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司,福建 廈門(mén) 361000)

0 引言

我國(guó)地域廣闊,分布著眾多河流和水庫(kù)大壩,這些大壩起到了保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要作用[1]。隨著水庫(kù)大壩運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng),水庫(kù)大壩安全會(huì)出現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題,若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決,水庫(kù)很容易成為病險(xiǎn)水庫(kù),因此水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)顯得極其重要[2]。然而,目前大部分水庫(kù)大壩仍處于人工監(jiān)測(cè)狀態(tài),已經(jīng)安裝的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也多為技術(shù)相對(duì)落后的有線分布式結(jié)構(gòu),并且由于我國(guó)地形復(fù)雜,監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散在不同地理位置,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在干擾多、成本高、易損壞、安裝和維護(hù)困難等問(wèn)題。雖然部分水庫(kù)大壩安裝了無(wú)線系統(tǒng),但由于技術(shù)限制,存在功耗過(guò)高或干擾信號(hào)衰減等缺點(diǎn)[3]。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了一種基于無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法,用于對(duì)大壩的滲流、滲壓等進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)一套實(shí)用性更強(qiáng)的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),使用該系統(tǒng)能夠降低安裝和維護(hù)成本,并避免由于干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)問(wèn)題,從而提高數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)效率。

1 無(wú)線自組網(wǎng)概述

1.1 無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的定義

無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)是一種基于無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)組建、配置和管理網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它允許無(wú)線設(shè)備通過(guò)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)路由連接來(lái)建立和維護(hù)通信鏈路,從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多對(duì)多的直接通信。無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)具備自適應(yīng)性、靈活性和可靠性,能夠在無(wú)需中央控制器的情況下,自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓⑻峁┤哂嗦窂揭栽鰪?qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性,并且能夠覆蓋更廣的區(qū)域范圍。這種技術(shù)常用于構(gòu)建大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場(chǎng)景。

1.2 無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)

無(wú)線自組網(wǎng)具備了多重功能,既可以充當(dāng)路由器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇,也可以作為接入點(diǎn)提供信號(hào)覆蓋,以便設(shè)備能夠連接到網(wǎng)絡(luò)。此外,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能夠同時(shí)發(fā)送和接收通信信號(hào),并且可以直接與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接通信[4]。

無(wú)線自組網(wǎng)中無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)配置,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)發(fā)現(xiàn),并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)選擇最佳的路由連接方式。這種特性消除了網(wǎng)絡(luò)中的單點(diǎn)故障對(duì)業(yè)務(wù)的影響,并提供了冗余路徑以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。而且無(wú)線自組網(wǎng)還可以覆蓋更廣闊的區(qū)域,滿(mǎn)足大規(guī)模部署和高密度用戶(hù)需求,提供更廣泛的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)。

無(wú)線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具備了信號(hào)避開(kāi)障礙物干擾的能力,確保信號(hào)傳輸暢通無(wú)阻,消除了信號(hào)覆蓋盲區(qū)。這意味著無(wú)線自組網(wǎng)可以通過(guò)智能信號(hào)路由和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,使得信號(hào)能夠繞過(guò)建筑物、墻壁等障礙物,以達(dá)到更廣的覆蓋范圍,同時(shí),提供更穩(wěn)定和可靠的信號(hào)傳輸。這種特性使得用戶(hù)在使用無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)時(shí),不會(huì)受到障礙物的干擾,從而獲得更好的網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)。這些特點(diǎn)都非常適合于水庫(kù)大壩復(fù)雜的環(huán)境,有利于實(shí)現(xiàn)全方位的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

2 無(wú)線自組網(wǎng)在大壩安全監(jiān)測(cè)中的有效應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)背景

我國(guó)擁有大量的水庫(kù),這些水庫(kù)在灌溉農(nóng)田、供水、發(fā)電等方面發(fā)揮著重要作用,取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[5]。然而,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增加,我國(guó)也面臨著一系列水資源管理和環(huán)境保護(hù)的挑戰(zhàn)。我國(guó)中小型水庫(kù)占水庫(kù)數(shù)量的絕大部分,且多數(shù)位于偏遠(yuǎn)山林地區(qū)。為了加強(qiáng)水庫(kù)大壩的安全管理,相關(guān)部門(mén)在近些年對(duì)存在病險(xiǎn)隱患的水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固工作,有效改善了水庫(kù)的安全隱患。但對(duì)于地理位置偏遠(yuǎn)、交通及通信不發(fā)達(dá)的中小水庫(kù)還存在一些問(wèn)題,所在地的水庫(kù)管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)觀測(cè)到水庫(kù)可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情,當(dāng)設(shè)備損壞時(shí)難以修復(fù),這都給水庫(kù)的安全帶來(lái)了較大隱患。為了解決這些問(wèn)題,開(kāi)展基于無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)非常有必要。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2.3 系統(tǒng)組成

水庫(kù)大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀、網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測(cè)中心等四個(gè)部分組成。

(1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩和周?chē)h(huán)境的各種參數(shù),包括但不限于水位、壓力、位移等。這些傳感器可以安裝在大壩結(jié)構(gòu)內(nèi)部和周邊地質(zhì)環(huán)境中,以獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(2)無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀。即水庫(kù)監(jiān)測(cè)終端,內(nèi)置LoRa無(wú)線傳輸模塊,該終端的主要功能是接收現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集到的數(shù)據(jù),并通過(guò)內(nèi)置的LoRa通信模塊將這些數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)。無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀具備自動(dòng)組網(wǎng)功能,即在上電后能夠自動(dòng)建立通信網(wǎng)絡(luò),無(wú)需人員干預(yù)。這樣的設(shè)計(jì)可以方便快捷地部署監(jiān)測(cè)系統(tǒng),減少了人工配置的工作量。此外,每個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀都獨(dú)立運(yùn)行,它們之間通過(guò)無(wú)線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,互相之間沒(méi)有依賴(lài)關(guān)系,對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增加或刪除,并不會(huì)影響其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的正常工作。

(3)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收來(lái)自無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測(cè)中心或相關(guān)部門(mén)。它作為數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)器和中轉(zhuǎn)站,確保數(shù)據(jù)能夠順利地從現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)街付ǖ哪繕?biāo)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)附近的兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)可以互為備份,確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

(4)監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心負(fù)責(zé)收集、分析和處理無(wú)線自組網(wǎng)中的各種信息和數(shù)據(jù)。它可以監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)、通信質(zhì)量、數(shù)據(jù)情況等,并根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的決策和優(yōu)化。

2.4 LoRa功耗和通信

最常用的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸技術(shù)有Wi-Fi、藍(lán)牙、Cat.16等,Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)的功耗低但傳輸距離近,Cat.16傳輸距離遠(yuǎn)但功耗高。為了減少傳輸損耗,本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了LoRa技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信,按照每半小時(shí)采集上報(bào)一次的頻率,設(shè)備每小時(shí)的功耗為0.333 mA,根據(jù)電池19 000 mA容量,使用率為77 %,產(chǎn)品能使用5年,這意味著在相同電池容量下,LoRa設(shè)備可以持續(xù)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且難以定期更換電池的大壩安全監(jiān)測(cè),LoRa的低功耗特性非常有利[6]。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中部署多個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)覆蓋同一區(qū)域,當(dāng)一個(gè)網(wǎng)關(guān)發(fā)生故障或無(wú)法正常工作時(shí),其他網(wǎng)關(guān)可以接管通信任務(wù),這種方式可以提供冗余備份,確保設(shè)備的數(shù)據(jù)能夠被及時(shí)接收。再將設(shè)備的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到多個(gè)目標(biāo)服務(wù)器或云平臺(tái),當(dāng)某個(gè)服務(wù)器或平臺(tái)發(fā)生故障時(shí),可以從其他備份中恢復(fù)數(shù)據(jù),避免數(shù)據(jù)丟失,實(shí)現(xiàn)了多重容災(zāi)備份機(jī)制。

LoRa技術(shù)可以通過(guò)功率放大器延伸通信距離。該技術(shù)在曾溪水庫(kù)開(kāi)展的測(cè)試結(jié)果如表1所示,在無(wú)障礙物遮擋的情況下,網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收成功率為100 %;將功率放大器安裝在振弦采集儀上,網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)處于超級(jí)不可視對(duì)角線且距離為400 m的位置,數(shù)據(jù)接收率從80 %提升至了100 %。通過(guò)功率放大器的接入,可以將LoRa設(shè)備的傳輸距離延伸到更廣的覆蓋范圍內(nèi),克服障礙物干擾,實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的通信距離。

表1 不同節(jié)點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)接收率

2.5 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要用于監(jiān)控和管理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)大壩的控制和安全管理。系統(tǒng)利用多個(gè)傳感器采集水庫(kù)大壩的滲流、滲壓、水位等數(shù)據(jù)信息,并將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)。大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,并以圖表的形式展示,以便水庫(kù)管理人員隨時(shí)了解水庫(kù)大壩的安全情況。當(dāng)水庫(kù)大壩存在安全威脅時(shí),傳感器采集到的數(shù)據(jù)會(huì)超過(guò)預(yù)先設(shè)置的警戒值。平臺(tái)會(huì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析和處理,并在發(fā)現(xiàn)安全隱患時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào),以便水庫(kù)管理人員能夠迅速采取措施來(lái)解決問(wèn)題。

大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)是基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)感知能力和工程安全運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建的。該平臺(tái)針對(duì)大壩的重點(diǎn)關(guān)注部位,可以進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的分析處理,并實(shí)時(shí)評(píng)估大壩的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。同時(shí),利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)大壩的滲壓水位、滲流情況等。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)果生成滲壓水位、滲流量等指標(biāo),并繪制分析過(guò)程線、斷面浸潤(rùn)線及相關(guān)性曲線,以便進(jìn)行更詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和評(píng)估。此外,結(jié)合工程安全分析專(zhuān)業(yè)模型庫(kù)和工程運(yùn)行安全知識(shí)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了大壩在線結(jié)構(gòu)性態(tài)仿真和安全診斷分析。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和預(yù)警,確保大壩的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)大壩是水利工程的重要組成部分,承載著大量水資源,為人們的生產(chǎn)和生活提供了重要保障。本文介紹了無(wú)線自組網(wǎng)在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)利用無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù),自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、提供冗余路徑以增?qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性,并且能夠覆蓋更廣的區(qū)域范圍,有效監(jiān)測(cè)大壩的滲流、滲壓等參數(shù),并設(shè)計(jì)一套實(shí)用性強(qiáng)的大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)。這種方法可以降低安裝維護(hù)成本,提高數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)效率,保障大壩運(yùn)行的安全,在未來(lái)發(fā)展中,將繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化,切實(shí)發(fā)揮無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的潛在價(jià)值,以期在大壩安全監(jiān)測(cè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。