尹光景（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

尹光景（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司）

隨著水利工程建設(shè)的不斷增加，使得大壩的安全性備受人們的關(guān)注，并且加強(qiáng)了對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測(cè)主要是利用有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛的應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測(cè)，發(fā)揮著重要的作用，文中對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，及其在大壩安全監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用，做了簡(jiǎn)單的論述。

無(wú)線傳感器；大壩；安全監(jiān)測(cè)；具體應(yīng)用

大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要是水庫(kù)水位、壩體滲流、壩基滲流等，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析，能夠極大程度時(shí)提高大壩安全監(jiān)測(cè)工作的效率，同時(shí)還能夠提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，減少大壩安全監(jiān)測(cè)工作成本。大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，極大程度上提高了監(jiān)測(cè)的實(shí)用性與可靠性。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)即WSN，由靜止傳感器或者移動(dòng)傳感器組成，組成方式為自組織與多跳方式，其將感知、采集的協(xié)作地?cái)?shù)據(jù)，以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)部的被感知對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是由各個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，包括傳感器節(jié)點(diǎn)（EndDevice）、管理節(jié)點(diǎn)（Coordinator）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Router）。

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊構(gòu)成

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成模塊主要包括：傳感單元、通信單元、處理單元、電源等，具體構(gòu)成如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)采取的是自組織方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，利用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)均具備數(shù)據(jù)采集與融合轉(zhuǎn)發(fā)的功能。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)先是處理數(shù)據(jù)信息，再以接力傳送的方法，將數(shù)據(jù)信息傳送給基站，最后利用基站，以衛(wèi)星傳輸或者互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，傳送給用戶(hù)。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)組成模塊示意圖

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大壩安全監(jiān)測(cè)中主要應(yīng)用的技術(shù)

2.1 全球衛(wèi)星定位技術(shù)

水庫(kù)大壩通常是建立在山區(qū)，位置較為偏僻，且建設(shè)面積較大，基于此大壩安全監(jiān)測(cè)常常采用衛(wèi)星定位技術(shù)，以此滿(mǎn)足不同大壩的安全監(jiān)測(cè)需求。常用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括：GPS、GLONASS、北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）是上述衛(wèi)星定位系統(tǒng)的總稱(chēng)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)是基于空間距離交會(huì)原理，采取偽距測(cè)量法、絕對(duì)定位法、相對(duì)定位法、差分定位法等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。

2.2 近距離無(wú)線通訊技術(shù)

大壩安全監(jiān)測(cè)工作中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用技術(shù)為近距離無(wú)線通訊技術(shù)，包括ZigBee、433MHz，使用的是ISM免執(zhí)照頻段，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，才能夠建立無(wú)線鏈路，其睡眠喚醒時(shí)間較短，進(jìn)而減少了外界干擾，以及設(shè)備自身的功耗。其中ZigBee技術(shù)具有低功耗、強(qiáng)抗干擾功能，且具有較強(qiáng)的可靠性，容易布網(wǎng)。433MHz技術(shù)使用的是433MHz無(wú)線頻段。433MHz技術(shù)與ZigBee技術(shù)相比，其穿透性更強(qiáng)，且傳播的距離較遠(yuǎn)，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾瘦^慢。該技術(shù)應(yīng)用在檢測(cè)大壩形變方面，具有極大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 無(wú)線傳感器應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

大壩安全監(jiān)測(cè)工作中，應(yīng)用無(wú)線傳感器，能夠克服許多有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用困難。將其應(yīng)用于大壩監(jiān)測(cè)工作中，不需要花費(fèi)過(guò)多的施工時(shí)間，且施工成本較低，導(dǎo)線連接較為簡(jiǎn)單，可以節(jié)省導(dǎo)線安裝時(shí)間，省略部分工作程序。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，不需要使用導(dǎo)線來(lái)連接大壩與傳感器，因此降低了施工的成本。同時(shí)無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)的距離較遠(yuǎn)，且能夠安裝在危險(xiǎn)區(qū)域來(lái)監(jiān)測(cè)大壩的安全。通過(guò)布置無(wú)線節(jié)點(diǎn)，提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性與容錯(cuò)性。除此之外無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)安裝較為方便，且容易維護(hù)與拆卸，能夠集成多傳感器，實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)處理，降低數(shù)據(jù)損耗。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大壩安全監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于監(jiān)測(cè)大壩的坎肩坡

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，需要完成不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)儀器安裝工作，在安裝的過(guò)程中，要嚴(yán)格按照儀器與電纜圖紙的具體要求，來(lái)完成安裝工作，同時(shí)基于水電站實(shí)際檢測(cè)特點(diǎn)，仔細(xì)分析監(jiān)測(cè)工程各個(gè)部位，完成不同監(jiān)測(cè)工作?？布缙卤O(jiān)測(cè)工作需要設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備與儀器，以此確保監(jiān)測(cè)的安全性與完整性。例如：某水電站大壩的坎肩坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在大壩左右岸的壩肩坡位置處，設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面共計(jì)3個(gè)，安裝測(cè)斜孔共計(jì)3個(gè)，多點(diǎn)位移計(jì)共計(jì)6套，安裝錨桿測(cè)力計(jì)共10支，以及錨索測(cè)力計(jì)共計(jì)2臺(tái)，變形監(jiān)測(cè)墩共設(shè)置6個(gè)。

3.2 監(jiān)測(cè)大壩壩體

3.2.1 壩體監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容

應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)大壩壩體時(shí)，主要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目是：混凝土溫度、滲流與滲壓、大壩變形等。大壩壩體混凝土監(jiān)測(cè)工作，需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的具體要求，當(dāng)水電站工程設(shè)計(jì)出現(xiàn)變更時(shí)，與相關(guān)工程進(jìn)行溝通，埋設(shè)溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)大壩壩體問(wèn)題。大壩壩體監(jiān)測(cè)的主要部位是：大壩墊層、導(dǎo)流底孔、壩體、導(dǎo)流洞等。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，其主要檢測(cè)的項(xiàng)目為工作條件監(jiān)測(cè)、滲流檢測(cè)、變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變與溫度監(jiān)測(cè)等，同時(shí)還包括近壩區(qū)坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，以及水力學(xué)項(xiàng)目等。其中工作條件監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：監(jiān)測(cè)大壩的水位、氣溫與水溫、壩前淤積等。滲流監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容為：滲流量、混凝土壩揚(yáng)壓力、壩基滲水壓力等。變形監(jiān)測(cè)工作包括：水平位移、接縫、傾斜、混凝土壩體撓度等。應(yīng)力應(yīng)變與溫度監(jiān)測(cè)工作主要包括：混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變、混凝土溫度與壓力、鋼筋的應(yīng)力等。

3.2.2 大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)分析與設(shè)計(jì)需求，在設(shè)計(jì)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，采用433MHz無(wú)線通信，以及厘米級(jí)GPS定位，設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與GPS Base基準(zhǔn)站，以及中繼匯聚節(jié)點(diǎn)和控制機(jī)房。其中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集GPS位置信息，并且實(shí)時(shí)更新節(jié)點(diǎn)位置距離，將搜集的數(shù)據(jù)，傳輸至MCU，由其負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。GPS Base基準(zhǔn)站采用的是實(shí)時(shí)差分技術(shù)，通過(guò)無(wú)線通信方式，將收集的衛(wèi)星信息與基準(zhǔn)站信息，傳輸給GPS節(jié)點(diǎn)，由其負(fù)責(zé)對(duì)比與處理信息。

系統(tǒng)中的中繼匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，是基于大壩建設(shè)環(huán)境的特點(diǎn)，以及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨?，該?jié)點(diǎn)能夠接收多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)射給中心機(jī)房，具備數(shù)據(jù)信息匯聚功能。中心控制機(jī)房節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)收集定位數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)程序來(lái)計(jì)算與對(duì)比數(shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)出預(yù)警信息，做出相應(yīng)的處理?；诖髩伪O(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)位移信息，時(shí)刻監(jiān)測(cè)大壩安全，將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比分析，并且上報(bào)信息，能夠及時(shí)針對(duì)監(jiān)測(cè)到的安全問(wèn)題，采取有效的預(yù)防措施，進(jìn)而避免大壩出現(xiàn)更為嚴(yán)重的安全事故。

4 結(jié)束語(yǔ)

大壩安全直接影響著水電站的安全，因此需要加強(qiáng)大壩的安全監(jiān)測(cè)。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于此，能夠節(jié)省安全監(jiān)測(cè)的成本，提高安全監(jiān)測(cè)的效率，有效的避免大壩出現(xiàn)安全事故，極具推廣應(yīng)用價(jià)值，文中對(duì)無(wú)線傳感器概念，以及其主要應(yīng)用的技術(shù)與具體應(yīng)用，做了簡(jiǎn)單的論述，意在為推廣無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供助力。

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2095-2066（2016）33-0084-02

2016-11-12