卫星定位系统(SPS)和物联网(IoT)技术在水库智能安全监测系统应用探讨
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摘 要：水库大坝现有安全监测方式主要以人工监测为主兼有部分自动监测，存在监测技术方法落后，监测数据精度不高、资料整编水平不高、风险分析与判别不准等问题，难以满足安全管理要求，制约水库安全运行。本文探讨采用卫星定位系统和物联网技术解决水库大坝变形监测及数据采集传输分析问题，提出大坝智能安全监测解决方案，旨在提高水库安全监测能力水平。
关键词：卫星定位系统;物联网技术;水库大坝;智能安全监测
中图分类号：TV697 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0019-02
1 卫星定位系统变形监测方案
1.1 卫星定位技术
卫星定位有绝对定位和相对定位两种方式，绝对定位的精度较低，一般用于导航定位。现在卫星定位系统有美国的GPS、欧洲“伽利略”GSNS、俄罗斯GLONASS和我国“北斗”BDS。目前采用集成北斗短报文通信功能和北斗/GPS无源定位功能双模系统设备进行通信和定位监测，既解决了通信又提高了定位精度，设备可靠性高、环境适应能力强。
1.2 安全监测应用
在大坝位移监测中应采用相对定位，其原理是利用两台卫星接收机分别安置在基准点和观测点，并同步观测相同定位卫星，利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即RTK技术，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。监控中心对接收机的模块差分信号结果对大坝水平、垂直位移、转角进行计算和安全分析。该技术在成熟的应用方案中位移精度优于1.0mm。相对传统大坝变形安全监测设备，卫星定位系统进行位移监测，设备安装简单、方便、灵活，维护方便。
2 物联网技术数据采集传输方案
2.1 NB-IoT技术
物联网技术日趋成熟，产业不断发展，其LoRa及NB-IoT在市场得到广泛应用。NB-IoT是基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），具备四大特点：一是广覆盖，二是具备支撑海量连接的能力，三是更低功耗，四是更低的模块成本。
2.2 LoRa技术
LoRa（Long Range）是一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术，该频段为非授权频段，故在使用时不需要额外收费，使用的LoRaWAN是一种异步通讯协议，该协议方式不仅在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有独特的特性，而且在耗电方面极为经济，大大增加了利用电池供电的设备的使用寿命。该技术是一种新型的扩频技术，大大的改善了接收的灵敏度，其通信距离可达15公里，接收电流仅10mA，睡眠电流200nA。但LoRa需要自建网关，在通信距离短（半径5公里范内只需一个网关），在服务质量（QoS）上略逊色于使用蜂窝网络的通讯方式。因此在需要节约成本、大量连接，而对QoS要求不高的情况下，LoRa无疑是最佳的选择。自建LoRa网络可独立组网，不接入互联网，采用加密技术传输，可有效保证数据安全。
NB-IoT和LORA比LTE和GPRS基站提升了增益，能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。
3 水库自动安全监测系统解决方案
水库自动安全监测系统要充分利用现代检测技术、通信技术、网络技术和计算机技术，通过相应传感器感知大坝的变形、渗流、应力、水文、气象等数据[1]。现场的远程监测终端通过无线或有线的方式采集前端传感器的信号并进行预处理和存储，根据系统数据传输体制要求，将相关参数报送信息中心，在大坝管理中心对数据进行处理、统计、整编、分析、预警等，提高大坝安全监测的实时性、可靠性和精度，及时预报大坝承受能力和可能发生的事件。同时可通过先进的视频监控系统实时观测河道、库区及涵闸等运行情况，为决策提供直观的图像信息，可使管理部门的有关人员实时动态的掌握水库运行信息。
3.1 自动安全监测系统建设目标和内容
完整的水库自动安全监测系统建设内容和目標包括：（1）信息自动采集系统。（2）网络通信系统。（3）决策支持系统。
3.2 系统组成
水库自动安全监测系统主要由5部分组成：（1）前端感知系统;（2）数据采集终端;（3）网络通信;（4）系统管理中心;（5）供电系统及防雷系统。
大坝安全监测系统宜采用分层分布开放式结构，运行方式为分散控制方式，可命令各个现地监测单元按设定时间自动进行巡测、存储数据，并向安全监测中心报送数据。库区通信要结合现在新的物联网技术如运营商新建的NB-iot、自建LORA网络、卫星通信，考虑5G通信技术。数据采集系统将各个监测站的监测数据采集，上传至管理中心进行数据的存储、处理和分析，并将原始数据和处理结果存入主数据库和备份数据库中。
3.2.1 前端感知系统
前端感知系统是掌握水库运行状态的重要的前端设备，要求能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测水库的物理量变化，特别水库大坝外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直及内部观测的渗压计、沉降计、测斜计、应变计、土压计等，根据实际需要及规范进行选择。
前端感知系统监测的内容大体可概括为以下5个方面：（1）变形观测：包括水平位移、垂直位移（沉陷）、裂缝、土石坝内部分层固结混凝土坝扰曲、倾斜、结构缝变化等观测;（2）渗流观测：包括坝体及坝基渗漏量、水质分析，土石坝坝体浸润线及坝基测压管水位，混凝土坝坝基扬压力及坝体渗压力等观测;（3）结构内部观测：混凝土温度、应变、应力、钢筋应力、填土压力、土体内应力、应变、孔隙压力等;（4）环境量等工作条件观测：上下游水位、冰冻、岸坡地下水位、气温、坝前水深、坝体温度、坝前淤积、坝区地震活动等;（5）库区巡视检查;（6）其他观测。
此外，根据需要还可以进行过水建筑物的水力学观测、库坝区地形变化、危岩、滑坡监测、坝体地震反应等。并依据除险加固设计的新防渗设施、新增建筑物、大坝加高涉及的新关注点，作为新增监测项目进行相应的设计。 3.2.2 数据采集终端单元
数据采集终端设备应具备以下基本功能：模拟量数据采集;开关量数据采集;数据保存;数据保持;数据传送。
上述数据保持是指数据的不可破坏性，即使遇到数据采集终端掉电，数据采集终端被破坏等情况时，数据也不会丢失。数据传送应受到权限控制，一旦权限许可，数据采集终端才会按一定格式向计算机或其它通信设备传送数据。除了具备以上功能外，还应具备超标自动报警;允许远程设置、修改参数，以及远程控制功能等。
數据采集终端设备上电后应自动寻找网络，保证通讯自动保持在线，断线自动连接。可根据设定的上报周期上报系统存储的各种测量数据，实时响应数据系统信息中心人工请求的各种命令，并及时回传相应数据。具有快速、准确、维护方便、覆盖面广、性能可靠等诸多特点。
3.2.3 网络通信
库区网络通信包括数据采集传输网络，控制系统通信专网，视频通信网络。数据采集传输网络采用NB-iot、 LORA物联网技术和卫星通信等现代通信技术。在水库大坝廊道内的监测设备以及传统通信不能覆盖的区域内的监测设备都可采用进行NB-iot、LORA物联网通信;大坝变形监测可采用卫星定位系统进行自动监测和通信。（1）控制系统通信专网，考虑水库闸门和闸阀等重要设备控制的安全性，建议采用光纤专线进行监控。其他控制设备在专线不能到过的地方可采用NB-iot、LORA物联网加密传输监控信号，以保证控制系统的安全性和可靠性。（2）视频通信网络因传输数据量大，结合视频点地域分布，可考虑采用光纤通信、无线WIFI、4G通信或5G通信。
3.2.4 系统管理中心
大坝管理中心安装硬件设备和软件系统，硬件设备主要由数据库服务器、工作站、打印机、网络设备、通讯设备、后备电源、大屏幕等组成;软件系统包括综合管理平台、数据库系统、通信管理系统、应用软件系统。管理中心是用户接口，最终完成如下功能：（1）监测数据采集功能：系统应按运行要求，对所有接入系统中的各类监测仪器进行一定方式的自动化测量，储存所测数据，并传送到中央控制装置集中储存或处理。（2）数据通讯功能：中央控制装置与所有测控装置，中央控制装置与数据管理主机均具有双向通讯功能。（3）系统外数据通讯功能。系统应具有远程通信接口，可以上网与各级管理部门的信息系统之间实现远程通讯，实现互联互通和数据共享。（4）数据管理功能：中央控制装置集中储存系统内的所有监测数据，分别按系统测点排列及时间序排列，可以对数据进行初步处理，供运行人员浏览、检查、绘图、打印。中央控制装置和信息管理系统联机运行时，可将监测数据输入信息管理系统的监测数据库以供入库存档和进一步分析处理。（5）系统自检功能：系统应具有自检能力，当系统中硬件设备或通讯线路发生故障时在中央控制装置或信息管理主机显示器上显示故障信息，以便及时维修。
3.2.5 供电系统及防雷系统
对于监测系统中的远程数据采集终端，应全部采用低功耗设计。每个单元自带蓄电池，当外部电源中断时，数据和参数也不丢失，可以靠本身电池自动上电，能维持自身约10天以上正常运行[2]。对于传感器及其它监测设备，需提供外部供电系统。根据水库的实际供电情况，就近引设电源或采用太阳能供电系统。现场设备工作于野外，根据系统具体情况将从接闪器、引下线、侧击雷防护、屏蔽、等电位连接、浪涌保护器安装、接地装置等现场情况入手，结合GB50057《建筑物防雷设计规范》和GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》进行防过电压设计。
3.3 视频监测系统
水库网络视频监控系统可以实时直观的观测水库各种变化及涵闸的运行情况，为领导决策提供了直观的图像信息，同时改善了观测、测量工作人员的工作环境，减少工作人员，真正做到无人值守、少人值班。
水库网络视频监控系统可实现以下主要功能：（1）实现库区24小时日常巡查录像。（2）汛期可实时观察水库的水位变化及汛情变化，如水位达到警戒线，或大坝出现其他汛期险情，就地值守人员及管理中心可立即观察到实时图像信息。（3）水库重点区域的防范，随时查看闸门、大坝的正常工作和稳固程度。（4）水库水面、水岸情况的实时远端监控。（5）水库气象情况的实时观测。
4 结语
水库大坝智能安全监测系统建设应采用新的现代通信技术，如卫星定位系统和物联网技术解决大坝变形监测及数据采集传输分析问题。实现安全监测智能化，提高大坝安全监测系统能力水平，满足安全管理要求，为水库安全运行提供稳定、高效、科学的辅助决策。
参考文献
[1] SL268-2001，大坝安全自动监测系统设备基本技术条件[S].
[2] 王士军.水库大坝安全监测自动化技术[J].中国水利，2018（20）：56-57+60.
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