1、系統(tǒng)概述
水利大壩結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜性強(qiáng)，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維不確定性大，加之部分中小型水庫(kù)大壩缺少安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，如果發(fā)生意外變形，失事后造成的災(zāi)難也是極其嚴(yán)重的。因此對(duì)大壩的表面位移、水平位移、滲壓力、水庫(kù)水位、降雨量、視頻等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警是非常必要的。利用智能感知技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法，建設(shè)水庫(kù)大壩實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以為大壩提供安全評(píng)估，保證大壩的安全運(yùn)行，全面提升水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。
2、系統(tǒng)組成
整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示五個(gè)部分組成，如圖1所示：
（1）數(shù)據(jù)感知：GNSS、沉降儀、孔隙水壓計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、水位計(jì)、裂縫計(jì)、測(cè)斜儀、降雨（雪）、視頻等參數(shù)；
（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：包括數(shù)據(jù)采集器、供電系統(tǒng)、避雷裝置、結(jié)構(gòu)件；
（3）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：數(shù)據(jù)可通過(guò)4G模塊、天通一號(hào)衛(wèi)星模塊、北斗短報(bào)文模塊、Lora模塊等多種傳輸方式；
（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算：包括網(wǎng)關(guān)、防火墻、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和數(shù)據(jù)運(yùn)算服務(wù)；
（5）數(shù)據(jù)展示：現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)全彩LED大屏顯示數(shù)據(jù)、圖片與視頻，遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示、曲線顯示、報(bào)表分析；
圖1 系統(tǒng)組成
3、系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配置靈活：系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)可任意組合，根據(jù)需要增減傳感器種類和傳感器數(shù)量，兼容多種傳輸方式，供電系統(tǒng)根據(jù)需求配置，多個(gè)采集器可級(jí)聯(lián)使用；
（2）多種通訊模式，數(shù)據(jù)傳輸：可采用4G模塊、衛(wèi)星模塊、loar、有限等多種數(shù)據(jù)傳輸方式，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠傳輸；
（3）低功耗設(shè)計(jì)，多種供電方式：觀測(cè)站采市電、太陽(yáng)能/蓄電池以及市電+太陽(yáng)能三種供電方式，保證系統(tǒng)在無(wú)電地區(qū)常年穩(wěn)定工作；
（4）四種展示形式，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢：可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)采集器自帶的觸摸屏查看數(shù)據(jù)，LED大屏幕展示數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)瀏覽數(shù)據(jù)，手機(jī)APP隨時(shí)隨地下載數(shù)據(jù)；
（5）工業(yè)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠：采用了防雷、抗電磁干擾電路設(shè)計(jì)，安裝避雷裝置確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；
4、硬件技術(shù)參數(shù)
（1） 數(shù)據(jù)采集器
電源：7V-15V 輸入；
工作溫度：工業(yè)級(jí)-40~80℃；
處理器：ARM7 核心，32/16 位處理器，頻率 12M~44MHz，16 位 ADC；
通道容量：18 路模擬通道（采集電壓、電流、電阻）、8 路數(shù)字通道（開關(guān)量、頻率）、3 路 RS232、2 路 RS485；
（2） 傳感器
見(jiàn) 5.1。
（3） 數(shù)據(jù)傳輸
4G 模塊：12V 供電，支持電信、移動(dòng)、聯(lián)通以及國(guó)外多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)間隔小于 1s；
天通物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星模塊：12V 供電，支持天通一號(hào)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)間隔 1s；
北斗終端：12V 供電，支持北斗衛(wèi)星傳輸，數(shù)據(jù)間隔 1min；
（4） 供電系統(tǒng)
太陽(yáng)能供電：確保連續(xù)陰雨天系統(tǒng)工作7天以上，太陽(yáng)能板12V/50W,12V/80W,12/120等，電池(12V/40Ah，12V/65Ah，12V/120Ah等)，充放電控制器（12V/6A,,12V/8A，12V/10A 等）；
市電：AC220V 轉(zhuǎn) 12V/5A,AC220V 轉(zhuǎn) 12V/10A 等；
太陽(yáng)能+市電：以上兩種方式組合
（5） 屏幕
全彩 LED 屏幕：可根據(jù)客戶定制任意尺寸屏幕，UI 界面可定定制化設(shè)計(jì)，可圖形化展示文字、圖片，視頻；
單紅 LED 屏幕：可定制任意尺寸屏幕，顯示文字信息；
5、監(jiān)測(cè)參數(shù)與監(jiān)測(cè)方法
圖2 監(jiān)測(cè)方式
圖3 監(jiān)測(cè)參數(shù)
5.1表面位移 壩體表面位置及變化速率(平面位移和垂直沉降)，確定大壩整體位移和變形的情況是確定壩體安全性的重要指標(biāo)。表面位移常用的監(jiān)測(cè)采用GNSS和沉降儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
（1）GNSS測(cè)量 GNSS采用北斗、GPS、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)高精度定位解算，可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精確定位，可對(duì)壩體實(shí)現(xiàn)高精度的位移形變監(jiān)測(cè)。圖4 GNSS監(jiān)測(cè)示意圖
工作原理 各北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收北斗信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器北斗數(shù)據(jù)處理軟件解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析模塊獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比而獲得該監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量。技術(shù)參數(shù)（2）沉降儀 液壓式沉降儀是用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)構(gòu)筑物內(nèi)外部的沉降，廣泛適用大壩、橋梁、邊坡、地基、公路路堤、工民用建筑等，以及回填土體的內(nèi)、外部沉降變形的監(jiān)測(cè)。液壓式沉降儀分辨率高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快，輸出信號(hào)為 RS485 數(shù)字量，同步測(cè)量埋設(shè)點(diǎn)的溫度。圖5 沉降示意圖
工作原理 當(dāng)傳感器和儲(chǔ)液罐之間的高差產(chǎn)生變化時(shí)，傳感器感應(yīng)膜上的壓力同時(shí)產(chǎn)生變化，壓力使感應(yīng)膜的全橋硅片發(fā)生形變，形變轉(zhuǎn)化的電信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至采集裝置，即可測(cè)出觀測(cè)點(diǎn)的沉降變化量。傳感器與儲(chǔ)液罐由通液管相通，傳感器所受的壓力與到儲(chǔ)液罐液面的高度有關(guān)。儲(chǔ)液罐自帶硅壓傳感器，測(cè)量?jī)?chǔ)液罐內(nèi)液位的變化量，用以修正測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值。技術(shù)參數(shù)（3）拉線位移傳感器 拉線位移傳感器用于野外環(huán)境的主要用于地表位移監(jiān)測(cè)。壩體位移是大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容。 工作原理 將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的、成線性比例的電信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生位移時(shí)，拉動(dòng)與其相連接的傳感器繩索，繩索帶動(dòng)傳感器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)位移反向移動(dòng)時(shí)，傳感器內(nèi)部的自動(dòng)回旋裝置將自動(dòng)收回繩索，并在繩索伸收過(guò)程中保持其張力不變；從而輸出一個(gè)與繩索移動(dòng)量成正比例的電信號(hào)。圖6 水平位移監(jiān)測(cè)示意圖
5.2 內(nèi)部變形
串聯(lián)式固定測(cè)斜儀主要用于長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)大壩、深基坑、邊坡、地基、建筑橋梁、船泊平臺(tái)等水平位移及傾角。通過(guò)鉆孔方式，將測(cè)斜探頭通過(guò)連桿方式埋入地下，測(cè)建船泊,平臺(tái),筑物和橋梁則直接將探頭固定在被測(cè)點(diǎn)上,當(dāng)基坑、邊坡、地基,橋梁和建筑物產(chǎn)生形變或船泊平臺(tái)傾斜時(shí)，測(cè)斜探頭隨之傾斜，可精確測(cè)出水平位移量或傾角，在鉆孔內(nèi)安裝多只測(cè)斜儀可以更加準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)建筑物的變形情況。本儀器通過(guò)大量工程檢驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便，適合各種環(huán)境，是目前專用的測(cè)斜儀器。
圖7 內(nèi)部形變監(jiān)測(cè)示意圖
技術(shù)參數(shù)
5.3 浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)
浸潤(rùn)線是水從土壩(或土堤)迎水面，經(jīng)過(guò)壩體向下游滲透所形成的自由水面和壩體橫剖面的相交線。浸潤(rùn)線是大壩安全的生命線，浸潤(rùn)線的高度直接關(guān)系到壩體穩(wěn)定及安全性狀，當(dāng)浸潤(rùn)線埋深為0m，可產(chǎn)生管涌，是直接導(dǎo)致潰壩的原因。因此，對(duì)于浸潤(rùn)線位置的監(jiān)測(cè)是水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。監(jiān)測(cè)時(shí)在壩體內(nèi)鉆孔埋設(shè)水位管，水位管內(nèi)放入孔隙水壓計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)壓管內(nèi)水位，繪制浸潤(rùn)面，判斷壩體內(nèi)水位的變化，結(jié)合理論分析，對(duì)壩體安全進(jìn)行評(píng)估。
圖8 浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)示意圖
5.4 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè) 混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)包括混凝土壩內(nèi)部及土石壩混凝土應(yīng)力面板等。混凝土面板應(yīng)力觀測(cè)的項(xiàng)目，包括面板混凝土應(yīng)變、無(wú)應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力和溫度。面板混凝土應(yīng)變觀測(cè)，各測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)儀器應(yīng)成組布置，并位于同面板平面平行的同一平面內(nèi)。一般布置二向儀器組?；炷翍?yīng)力監(jiān)測(cè)選用內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)。5.5 裂縫監(jiān)測(cè) 在混凝土硬化過(guò)程中，由于混凝土脫水，引起收縮，或者受溫度高低的溫差影響，引起脹縮不均勻而產(chǎn)生的裂縫。在土木工程質(zhì)量檢測(cè)中常使用測(cè)縫儀（測(cè)縫計(jì)）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)縫儀（測(cè)縫計(jì)）適用于長(zhǎng)期埋設(shè)在水工建筑物或其它混凝土建筑物內(nèi)或表面，測(cè)量結(jié)構(gòu)物伸縮縫或周邊縫的開合度（變形），并可同步測(cè)量埋設(shè)點(diǎn)的溫度。
圖9 裂縫監(jiān)測(cè)示意圖
技術(shù)參數(shù)
5.6 庫(kù)水位監(jiān)測(cè)
庫(kù)水位監(jiān)測(cè)主要用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)水位的變化狀況，特別是在汛期降雨、水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)可起到提前預(yù)警，防止災(zāi)害的發(fā)生，確保人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)可選擇滲壓計(jì)或投入式水位計(jì)，超聲波水位計(jì)等方法。
圖10 庫(kù)水位監(jiān)測(cè)示意圖
技術(shù)參數(shù)
5.7 降雨量監(jiān)測(cè)
降雨量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采用翻斗式雨量計(jì)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。雨水由承水器收集—經(jīng)過(guò)進(jìn)水閥—進(jìn)入貯水室—水位上升—浮子上升—傳感器讀取數(shù)據(jù)—微機(jī)控制電路輸出無(wú)源脈沖。
5.8 視頻監(jiān)測(cè)
視頻用于監(jiān)測(cè)閘門運(yùn)行狀態(tài)、水庫(kù)水雨情實(shí)況、大壩周邊環(huán)境等
6、大數(shù)據(jù)平臺(tái)
大數(shù)據(jù)平臺(tái)操作簡(jiǎn)潔，容易上手。支持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查看，處理，分析，評(píng)價(jià)，管理等需求。為每個(gè)客戶分配權(quán)限，安全可靠，用戶可登陸系統(tǒng)查看下載數(shù)據(jù)， 登錄界面如圖所示：
（1）地理信息系統(tǒng)
將監(jiān)測(cè)站采集的氣象、水質(zhì)、水文、環(huán)保、路面狀態(tài)等數(shù)據(jù)匯入系統(tǒng)。對(duì)數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)、顯示、管理。實(shí)現(xiàn)地理信息、數(shù)據(jù)、基本信息和進(jìn)行關(guān)聯(lián)，地理信息界面見(jiàn)圖：
（2）數(shù)據(jù)查詢與分析
以不同的索引查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及曲線，監(jiān)測(cè)結(jié)果可瀏覽和下載，支持?jǐn)?shù)據(jù)上傳功能，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示、列表顯示查詢界面如圖：
（3）遠(yuǎn)程視頻查看與控制
可遠(yuǎn)程通過(guò)視頻查看現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，調(diào)整攝像頭角度，選裝、鏡頭變焦。界面如圖所示：
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