衛星定位系統(SPS)和物聯網(IoT)技術在水庫智能安全監測系統應用探討

楊剛 李洪斌

摘 要：水庫大壩現有安全監測方式主要以人工監測為主兼有部分自動監測，存在監測技術方法落后，監測數據精度不高、資料整編水平不高、風險分析與判別不準等問題，難以滿足安全管理要求，制約水庫安全運行。本文探討采用衛星定位系統和物聯網技術解決水庫大壩變形監測及數據采集傳輸分析問題，提出大壩智能安全監測解決方案，旨在提高水庫安全監測能力水平。

關鍵詞：衛星定位系統;物聯網技術;水庫大壩;智能安全監測

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

1 衛星定位系統變形監測方案

1.1 衛星定位技術

衛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，一般用于導航定位。現在衛星定位系統有美國的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設備進行通信和定位監測，既解決了通信又提高了定位精度，設備可靠性高、環境適應能力強。

1.2 安全監測應用

在大壩位移監測中應采用相對定位，其原理是利用兩臺衛星接收機分別安置在基準點和觀測點，并同步觀測相同定位衛星，利用接收導航衛星載波相位進行實時相位差分即RTK技術，進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標。監控中心對接收機的模塊差分信號結果對大壩水平、垂直位移、轉角進行計算和安全分析。該技術在成熟的應用方案中位移精度優于1.0mm。相對傳統大壩變形安全監測設備，衛星定位系統進行位移監測，設備安裝簡單、方便、靈活，維護方便。

2 物聯網技術數據采集傳輸方案

2.1 NB-IoT技術

物聯網技術日趨成熟，產業不斷發展，其LoRa及NB-IoT在市場得到廣泛應用。NB-IoT是基于蜂窩的窄帶物聯網（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

LoRa（Long Range）是一種新型的基于1GHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術，該頻段為非授權頻段，故在使用時不需要額外收費，使用的LoRaWAN是一種異步通訊協議，該協議方式不僅在處理干擾、網絡重疊、可伸縮性等方面具有獨特的特性，而且在耗電方面極為經濟，大大增加了利用電池供電的設備的使用壽命。該技術是一種新型的擴頻技術，大大的改善了接收的靈敏度，其通信距離可達15公里，接收電流僅10mA，睡眠電流200nA。但LoRa需要自建網關，在通信距離短（半徑5公里范內只需一個網關），在服務質量（QoS）上略遜色于使用蜂窩網絡的通訊方式。因此在需要節約成本、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網絡可獨立組網，不接入互聯網，采用加密技術傳輸，可有效保證數據安全。

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的地方。

3 水庫自動安全監測系統解決方案

水庫自動安全監測系統要充分利用現代檢測技術、通信技術、網絡技術和計算機技術，通過相應傳感器感知大壩的變形、滲流、應力、水文、氣象等數據[1]。現場的遠程監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行預處理和存儲，根據系統數據傳輸體制要求，將相關參數報送信息中心，在大壩管理中心對數據進行處理、統計、整編、分析、預警等，提高大壩安全監測的實時性、可靠性和精度，及時預報大壩承受能力和可能發生的事件。同時可通過先進的視頻監控系統實時觀測河道、庫區及涵閘等運行情況，為決策提供直觀的圖像信息，可使管理部門的有關人員實時動態的掌握水庫運行信息。

3.1 自動安全監測系統建設目標和內容

完整的水庫自動安全監測系統建設內容和目標包括：（1）信息自動采集系統。（2）網絡通信系統。（3）決策支持系統。

3.2 系統組成

水庫自動安全監測系統主要由5部分組成：（1）前端感知系統;（2）數據采集終端;（3）網絡通信;（4）系統管理中心;（5）供電系統及防雷系統。

大壩安全監測系統宜采用分層分布開放式結構，運行方式為分散控制方式，可命令各個現地監測單元按設定時間自動進行巡測、存儲數據，并向安全監測中心報送數據。庫區通信要結合現在新的物聯網技術如運營商新建的NB-iot、自建LORA網絡、衛星通信，考慮5G通信技術。數據采集系統將各個監測站的監測數據采集，上傳至管理中心進行數據的存儲、處理和分析，并將原始數據和處理結果存入主數據庫和備份數據庫中。

3.2.1 前端感知系統

前端感知系統是掌握水庫運行狀態的重要的前端設備，要求能夠在惡劣環境下長期穩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、正倒錘、激光準直及內部觀測的滲壓計、沉降計、測斜計、應變計、土壓計等，根據實際需要及規范進行選擇。

前端感知系統監測的內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、土石壩內部分層固結混凝土壩擾曲、傾斜、結構縫變化等觀測;（2）滲流觀測：包括壩體及壩基滲漏量、水質分析，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）結構內部觀測：混凝土溫度、應變、應力、鋼筋應力、填土壓力、土體內應力、應變、孔隙壓力等;（4）環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、壩區地震活動等;（5）庫區巡視檢查;（6）其他觀測。

此外，根據需要還可以進行過水建筑物的水力學觀測、庫壩區地形變化、危巖、滑坡監測、壩體地震反應等。并依據除險加固設計的新防滲設施、新增建筑物、大壩加高涉及的新關注點，作為新增監測項目進行相應的設計。

3.2.2 數據采集終端單元

數據采集終端設備應具備以下基本功能：模擬量數據采集;開關量數據采集;數據保存;數據保持;數據傳送。

上述數據保持是指數據的不可破壞性，即使遇到數據采集終端掉電，數據采集終端被破壞等情況時，數據也不會丟失。數據傳送應受到權限控制，一旦權限許可，數據采集終端才會按一定格式向計算機或其它通信設備傳送數據。除了具備以上功能外，還應具備超標自動報警;允許遠程設置、修改參數，以及遠程控制功能等。

數據采集終端設備上電后應自動尋找網絡，保證通訊自動保持在線，斷線自動連接。可根據設定的上報周期上報系統存儲的各種測量數據，實時響應數據系統信息中心人工請求的各種命令，并及時回傳相應數據。具有快速、準確、維護方便、覆蓋面廣、性能可靠等諸多特點。

3.2.3 網絡通信

庫區網絡通信包括數據采集傳輸網絡，控制系統通信專網，視頻通信網絡。數據采集傳輸網絡采用NB-iot、 LORA物聯網技術和衛星通信等現代通信技術。在水庫大壩廊道內的監測設備以及傳統通信不能覆蓋的區域內的監測設備都可采用進行NB-iot、LORA物聯網通信;大壩變形監測可采用衛星定位系統進行自動監測和通信。（1）控制系統通信專網，考慮水庫閘門和閘閥等重要設備控制的安全性，建議采用光纖專線進行監控。其他控制設備在專線不能到過的地方可采用NB-iot、LORA物聯網加密傳輸監控信號，以保證控制系統的安全性和可靠性。（2）視頻通信網絡因傳輸數據量大，結合視頻點地域分布，可考慮采用光纖通信、無線WIFI、4G通信或5G通信。

3.2.4 系統管理中心

大壩管理中心安裝硬件設備和軟件系統，硬件設備主要由數據庫服務器、工作站、打印機、網絡設備、通訊設備、后備電源、大屏幕等組成;軟件系統包括綜合管理平臺、數據庫系統、通信管理系統、應用軟件系統。管理中心是用戶接口，最終完成如下功能：（1）監測數據采集功能：系統應按運行要求，對所有接入系統中的各類監測儀器進行一定方式的自動化測量，儲存所測數據，并傳送到中央控制裝置集中儲存或處理。（2）數據通訊功能：中央控制裝置與所有測控裝置，中央控制裝置與數據管理主機均具有雙向通訊功能。（3）系統外數據通訊功能。系統應具有遠程通信接口，可以上網與各級管理部門的信息系統之間實現遠程通訊，實現互聯互通和數據共享。（4）數據管理功能：中央控制裝置集中儲存系統內的所有監測數據，分別按系統測點排列及時間序排列，可以對數據進行初步處理，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聯機運行時，可將監測數據輸入信息管理系統的監測數據庫以供入庫存檔和進一步分析處理。（5）系統自檢功能：系統應具有自檢能力，當系統中硬件設備或通訊線路發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 供電系統及防雷系統

對于監測系統中的遠程數據采集終端，應全部采用低功耗設計。每個單元自帶蓄電池，當外部電源中斷時，數據和參數也不丟失，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測設備，需提供外部供電系統。根據水庫的實際供電情況，就近引設電源或采用太陽能供電系統。現場設備工作于野外，根據系統具體情況將從接閃器、引下線、側擊雷防護、屏蔽、等電位連接、浪涌保護器安裝、接地裝置等現場情況入手，結合GB50057《建筑物防雷設計規范》和GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》進行防過電壓設計。

3.3 視頻監測系統

水庫網絡視頻監控系統可以實時直觀的觀測水庫各種變化及涵閘的運行情況，為領導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境，減少工作人員，真正做到無人值守、少人值班。

水庫網絡視頻監控系統可實現以下主要功能：（1）實現庫區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，如水位達到警戒線，或大壩出現其他汛期險情，就地值守人員及管理中心可立即觀察到實時圖像信息。（3）水庫重點區域的防范，隨時查看閘門、大壩的正常工作和穩固程度。（4）水庫水面、水岸情況的實時遠端監控。（5）水庫氣象情況的實時觀測。

4 結語

水庫大壩智能安全監測系統建設應采用新的現代通信技術，如衛星定位系統和物聯網技術解決大壩變形監測及數據采集傳輸分析問題。實現安全監測智能化，提高大壩安全監測系統能力水平，滿足安全管理要求，為水庫安全運行提供穩定、高效、科學的輔助決策。

參考文獻

[1] SL268-2001，大壩安全自動監測系統設備基本技術條件[S].

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