毛良明，沈省三，肖美蓉

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0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之后全球信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[1，2]。它把信息技術(shù)充分應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)、各個(gè)產(chǎn)業(yè)，通過(guò)安裝在各類(lèi)物體上的射頻識(shí)別電子標(biāo)簽RFID、二維碼、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等組成的智能傳感器，經(jīng)過(guò)接口與無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)互連，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物相互間智能化地獲取、傳輸與處理信息的網(wǎng)絡(luò)，其核心是智能傳感網(wǎng)技術(shù)。實(shí)質(zhì)上，物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)“三網(wǎng)”高效融合的產(chǎn)物，是信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)高效融合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)的精髓是感知，感知包括傳感器的信號(hào)采集、協(xié)同處理、智能組網(wǎng)、信息服務(wù)，以達(dá)到控制指揮的目的。大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)也是一門(mén)多種技術(shù)相融合的綜合技術(shù)，其中傳感器技術(shù)更是它的核心。因此，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)很大程度地改變了其現(xiàn)有的技術(shù)背景時(shí)，對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整并科學(xué)規(guī)劃未來(lái)發(fā)展方向就成了迫在眉睫的工作。

1 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)狀[3]

大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)是針對(duì)水庫(kù)大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、水文、氣象等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、整編、分析、預(yù)警的一項(xiàng)綜合技術(shù)，主要涵蓋了傳感器技術(shù)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、信息管理、數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容。傳感器技術(shù)是安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域最早投運(yùn)的傳統(tǒng)技術(shù)，時(shí)至今日，適用于大壩安全監(jiān)測(cè)的傳感器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，已有多種形式、不同類(lèi)型的傳感器得到廣泛應(yīng)用，既有傳統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)儀器如差動(dòng)電阻式系列儀器、振弦式系列儀器，也有新技術(shù)催生的新型傳感器如光纖光柵傳感器、CCD變形監(jiān)測(cè)儀器、真空激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測(cè)儀器、GPS變形監(jiān)測(cè)儀器等，甚至開(kāi)始嘗試無(wú)線(xiàn)通信的傳感器網(wǎng)絡(luò)。即便如此，目前技術(shù)條件下，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)所能支持的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化測(cè)量網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言還存在很大的差距，僅實(shí)現(xiàn)了特定區(qū)域被測(cè)儀器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)融合，即實(shí)現(xiàn)了局部“感知”功能，還不具備與因特網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全面無(wú)縫對(duì)接的功能。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的影響

因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了世界上計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、人與計(jì)算機(jī)、人與人之間的對(duì)話(huà)與交互；而物聯(lián)網(wǎng)則正在實(shí)現(xiàn)世界上物與物、人與物、人與自然之間的對(duì)話(huà)與交互。物聯(lián)網(wǎng)的精髓是感知，這和大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)有極大相關(guān)性，因?yàn)榇髩伟踩O(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)就是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)感知功能的實(shí)用技術(shù)。這就為安全監(jiān)測(cè)技術(shù)接軌物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了良好的技術(shù)背景。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還要求實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)的技術(shù)接軌，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在給大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)今后的發(fā)展提出了更高的要求。首先，必須在傳感器的設(shè)計(jì)制造方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使之微型化、無(wú)線(xiàn)化、電子標(biāo)簽化，在測(cè)量技術(shù)方面能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、微功耗，在信息處理方面能實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

3 大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的未來(lái)[4]

據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將形成RFID（電子標(biāo)簽）行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)、移動(dòng)支付產(chǎn)業(yè)、M2M（指機(jī)器與機(jī)器之間通信）產(chǎn)業(yè)和WSN（無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)）四個(gè)子領(lǐng)域。

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)WSN是涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶(hù)終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類(lèi)社會(huì)三元世界的連通。

作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的終極形態(tài)，WSN將是未來(lái)主要的信息感知手段，必然成為物聯(lián)網(wǎng)信息獲取的主要方式。目前國(guó)內(nèi)WSN還處于市場(chǎng)導(dǎo)入階段，由于傳感器技術(shù)是與大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)緊密相關(guān)的技術(shù)，同時(shí)也是其傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)，今后，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接軌的最佳切入點(diǎn)就應(yīng)該是WSN，這對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域而言是一個(gè)良好的發(fā)展機(jī)遇。但同時(shí)由于物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器技術(shù)提出了很高的技術(shù)要求，這促使大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展必然做出適應(yīng)性的技術(shù)調(diào)整。

3.1 傳感器產(chǎn)品向高精度、高可靠性發(fā)展

精度是傳感器的關(guān)鍵指標(biāo)，是精確實(shí)現(xiàn)信息感知的技術(shù)保證。無(wú)論大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)還是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)信息來(lái)源精確性、準(zhǔn)確性的要求均非常高。信息來(lái)源一個(gè)非常重要的渠道就是傳感器的信息感知，因此對(duì)傳感器精度提出了較高要求，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的必然要求。隨著精密制造技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)、精密加工制造、合理編排生產(chǎn)工藝等手段，為實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性提供了技術(shù)保障手段。當(dāng)然傳感器產(chǎn)品的高精度、高可靠性也是大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)多年來(lái)一直追求的目標(biāo)，在當(dāng)前的技術(shù)手段或是未來(lái)的技術(shù)手段能確保實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的時(shí)候，必然推動(dòng)大壩安全監(jiān)測(cè)傳感器產(chǎn)品向高精度、高可靠性方向發(fā)展。

3.2 傳感器產(chǎn)品向小型化、微型化發(fā)展

大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的被測(cè)對(duì)象主要是大尺度的結(jié)構(gòu)體，目前情況下，由于客觀(guān)存在特殊性使用要求原因，行業(yè)內(nèi)使用的傳感器結(jié)構(gòu)尺寸均比較大。但隨著微電子技術(shù)、微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)如MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步，有些類(lèi)型的傳感器產(chǎn)品（如溫度傳感器）已經(jīng)具備向小型化、甚至微型化發(fā)展的條件，今后傳感器產(chǎn)品向小型化、微型化發(fā)展是技術(shù)進(jìn)步的必然趨勢(shì)。在實(shí)現(xiàn)了小型化、微型化的目標(biāo)之后，大壩安全監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用領(lǐng)域也可以突破現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的局限性，實(shí)現(xiàn)向其它行業(yè)領(lǐng)域的推廣滲透。其實(shí)國(guó)外已經(jīng)有這樣的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品問(wèn)世，日立制作所與YRP泛在網(wǎng)絡(luò)化研究所于2004年11月24日宣布開(kāi)發(fā)出了全球體積最小（2.3 cm×2.0 cm×1.5 cm）的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端。該終端集成了內(nèi)置電池、測(cè)量電路、傳感單元、射頻電路等功能電路，可以實(shí)現(xiàn)溫度、亮度、紅外線(xiàn)、加速度等各種傳感功能，擬應(yīng)用于智能樓宇的安全管理方面。

3.3 傳感器技術(shù)向微功耗及無(wú)源化發(fā)展

傳感器是一種換能裝置，目前的技術(shù)條件下，一般都需要實(shí)現(xiàn)非電量向電量的轉(zhuǎn)化，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信的工作過(guò)程中均離不開(kāi)電源。而大壩安全監(jiān)測(cè)專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用環(huán)境一般是在野外空曠的工程應(yīng)用環(huán)境，不容易實(shí)現(xiàn)常態(tài)電源供應(yīng)條件。目前常用的辦法是敷設(shè)遠(yuǎn)距離的電源電纜、電池供電、太陽(yáng)能電池供電等，這勢(shì)必增加了施工難度、設(shè)備投資成本、設(shè)備維護(hù)成本等。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)測(cè)量電路、通信電路的微功耗，使用集成在新型傳感器中的一塊內(nèi)置電池以支持傳感器長(zhǎng)期或終身工作，這將是傳感器技術(shù)必然的發(fā)展方向。前面提及的日立制作所與YRP泛在網(wǎng)絡(luò)化研究所開(kāi)發(fā)的全球體積最小的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端，采用內(nèi)置150 mAh的市售鋰電池，能支持該傳感器網(wǎng)絡(luò)終端連續(xù)工作一年半時(shí)間。若傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的功耗降低到最小極限值，甚至可能實(shí)現(xiàn)無(wú)源化的發(fā)展目標(biāo)。

3.4 傳感器產(chǎn)品向智能化發(fā)展

隨著大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)自動(dòng)化程度的逐漸提高，傳感器的功能必將突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個(gè)單一的模擬信號(hào)（如0～10 mV），而是經(jīng)過(guò)微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào)，有的甚至帶有控制功能，智能傳感器因此成為未來(lái)發(fā)展的必然需求。智能傳感器體現(xiàn)了人們不再滿(mǎn)足于傳感器最原始的探測(cè)信息功能的強(qiáng)烈愿望，未來(lái)的智能傳感器將能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)優(yōu)化等多項(xiàng)功能，形成可直接使用的有效信息，而不是原始數(shù)據(jù)或中間結(jié)果。

目前大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)傳感器智能的技術(shù)手段基本上是把傳統(tǒng)意義的傳感器與帶數(shù)字總線(xiàn)接口的微處理器再加上信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行組合而形成一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)，從功能來(lái)看基本上實(shí)現(xiàn)了智能化的技術(shù)要求，但相對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而言，這樣的技術(shù)現(xiàn)狀在體積、功耗、可靠性、兼容性等技術(shù)指標(biāo)方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，無(wú)法真正滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)要求。今后在傳感器的智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段方面還需要繼續(xù)努力，應(yīng)該通過(guò)微電子技術(shù)把智能傳感器系統(tǒng)集成到一塊芯片上，在實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低功耗、小體積、低成本、標(biāo)準(zhǔn)化和高可靠性。

3.5 傳感器技術(shù)向無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想是要把世界上的萬(wàn)事萬(wàn)物建立智能化的網(wǎng)絡(luò)鏈接，實(shí)現(xiàn)物與物之間信息交流的功能。所以，傳感器技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，特別是實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的必然要求。

受物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動(dòng)，傳統(tǒng)的傳感器正逐步實(shí)現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化，正經(jīng)歷著一個(gè)從傳統(tǒng)傳感器（Dumb Sensor）→智能傳感器（Smart Sensor）→嵌入式Web傳感器（Embedded Web Sen?sor）的內(nèi)涵不斷豐富的發(fā)展過(guò)程。

大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)目前正在實(shí)施的也是這樣一個(gè)技術(shù)發(fā)展歷程，目前的技術(shù)手段已經(jīng)能可靠保證某一個(gè)特定項(xiàng)目指向的所有傳感器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和管理。盡管在功能上還存在巨大的差距，但與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的應(yīng)用性研究也已經(jīng)開(kāi)始并得到局部應(yīng)用。由于存在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的特殊性要求，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)的發(fā)展一直持謹(jǐn)慎的態(tài)度，但有些嘗試還是在進(jìn)行中，特別是本世紀(jì)初英國(guó)SOIL公司無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，無(wú)疑是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域一種應(yīng)用性實(shí)踐?，F(xiàn)在由于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)逐步走向成熟，更是加快了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)技術(shù)在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用性研究步伐，已有不少業(yè)內(nèi)的制造企業(yè)推出了相關(guān)產(chǎn)品。盡管目前的產(chǎn)品在實(shí)際使用中還存在不少設(shè)計(jì)缺陷，但這是一個(gè)良好的開(kāi)端。

4 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)是當(dāng)今時(shí)代技術(shù)進(jìn)步的必然產(chǎn)物，現(xiàn)有的諸多實(shí)用技術(shù)一定會(huì)因?yàn)樗某霈F(xiàn)而發(fā)生變化。由于存在與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密相關(guān)的傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)一定能從物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中得到技術(shù)進(jìn)步。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了很高的技術(shù)要求，如何實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的接軌是大壩安全監(jiān)測(cè)行業(yè)所有從業(yè)者必須努力去解決的問(wèn)題，相信在真正完成這一使命的同時(shí)，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的明天會(huì)更好?！?/p>

[1]楊永志，高建華.試論物聯(lián)網(wǎng)及其在我國(guó)的科學(xué)發(fā)展[J].中國(guó)流通經(jīng)濟(jì)，2009，（2）：46-49.

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[3]沈海堯，王玉潔，呂永寧.水電站大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的現(xiàn)狀與展望[J].大壩與安全,2007，（5）：15-17.

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