1、系統(tǒng)概述
水利大壩結構、運行環(huán)境復雜性強，設計、施工、運維不確定性大，加之部分中小型水庫大壩缺少安全監(jiān)測設備，如果發(fā)生意外變形，失事后造成的災難也是極其嚴重的。因此對大壩的表面位移、水平位移、滲壓力、水庫水位、降雨量、視頻等參數(shù)進行實時監(jiān)測和預警是非常必要的。利用智能感知技術、數(shù)據(jù)采集技術、無線通訊技術、云計算、大數(shù)據(jù)技術和深度學習算法，建設水庫大壩實時動態(tài)監(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以為大壩提供安全評估，保證大壩的安全運行，全面提升水庫大壩監(jiān)測預警能力。
2、系統(tǒng)組成
整個系統(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、滲壓計、應變計、水位計、裂縫計、測斜儀、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、結構件；
（3）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：數(shù)據(jù)可通過4G模塊、天通一號衛(wèi)星模塊、北斗短報文模塊、Lora模塊等多種傳輸方式；
（4）數(shù)據(jù)存儲與計算：包括網關、防火墻、數(shù)據(jù)存儲服務器和數(shù)據(jù)運算服務；
（5）數(shù)據(jù)展示：現(xiàn)場通過全彩LED大屏顯示數(shù)據(jù)、圖片與視頻，遠程大數(shù)據(jù)平臺可以對數(shù)據(jù)進行實時展示、曲線顯示、報表分析；圖1 系統(tǒng)組成
3、系統(tǒng)特點
（1）模塊化設計，系統(tǒng)配置靈活：系統(tǒng)采用模塊化設計可任意組合，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，多個采集器可級聯(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）低功耗設計，多種供電方式：觀測站采市電、太陽能/蓄電池以及市電+太陽能三種供電方式，保證系統(tǒng)在無電地區(qū)常年穩(wěn)定工作；
（4）四種展示形式，數(shù)據(jù)實時查詢：可在現(xiàn)場通過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)網大數(shù)據(jù)平臺瀏覽數(shù)據(jù)，手機APP隨時隨地下載數(shù)據(jù)；
（5）工業(yè)化設計，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠：采用了防雷、抗電磁干擾電路設計，安裝避雷裝置確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；
4、硬件技術參數(shù)
（1） 數(shù)據(jù)采集器
電源：7V-15V 輸入；
工作溫度：工業(yè)級-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（開關量、頻率）、3 路 RS232、2 路 RS485；
（2） 傳感器
見 5.1。
（3） 數(shù)據(jù)傳輸
4G 模塊：12V 供電，支持電信、移動、聯(lián)通以及國外多個網絡，數(shù)據(jù)間隔小于 1s；
天通物聯(lián)網衛(wèi)星模塊：12V 供電，支持天通一號衛(wèi)星網絡，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)
太陽能供電：確保連續(xù)陰雨天系統(tǒng)工作7天以上，太陽能板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 12V/5A,AC220V 轉 12V/10A 等；
太陽能+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 界面可定定制化設計，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)測參數(shù)與監(jiān)測方法
圖2 監(jiān)測方式
圖3 監(jiān)測參數(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。表面位移常用的監(jiān)測采用GNSS和沉降儀進行監(jiān)測。
（1）GNSS測量 GNSS采用北斗、GPS、GLONASS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)，通過高精度定位解算，可實現(xiàn)毫米級精確定位，可對壩體實現(xiàn)高精度的位移形變監(jiān)測。圖4 GNSS監(jiān)測示意圖
工作原理 各北斗監(jiān)測點與參考點接收機實時接收北斗信號，并通過數(shù)據(jù)通訊網絡實時發(fā)送到控制中心，控制中心服務器北斗數(shù)據(jù)處理軟件解算出各監(jiān)測點三維坐標，數(shù)據(jù)分析模塊獲取各監(jiān)測點三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監(jiān)測點變化量。技術參數(shù)（2）沉降儀 液壓式沉降儀是用于長期監(jiān)測構筑物內外部的沉降，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、外部沉降變形的監(jiān)測。液壓式沉降儀分辨率高、穩(wěn)定性好、響應速度快，輸出信號為 RS485 數(shù)字量，同步測量埋設點的溫度。圖5 沉降示意圖
工作原理 當傳感器和儲液罐之間的高差產生變化時，傳感器感應膜上的壓力同時產生變化，壓力使感應膜的全橋硅片發(fā)生形變，形變轉化的電信號經電纜傳輸至采集裝置，即可測出觀測點的沉降變化量。傳感器與儲液罐由通液管相通，傳感器所受的壓力與到儲液罐液面的高度有關。儲液罐自帶硅壓傳感器，測量儲液罐內液位的變化量，用以修正測量點的測量值。技術參數(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。壩體位移是大壩自動監(jiān)測的重點內容。 工作原理 將機械位移量轉換成可計量的、成線性比例的電信號。當被測物體產生位移時，拉動與其相連接的傳感器繩索，繩索帶動傳感器傳動機構與編碼器同步轉動；當位移反向移動時，傳感器內部的自動回旋裝置將自動收回繩索，并在繩索伸收過程中保持其張力不變；從而輸出一個與繩索移動量成正比例的電信號。圖6 水平位移監(jiān)測示意圖
5.2 內部變形
串聯(lián)式固定測斜儀主要用于長期自動監(jiān)測大壩、深基坑、邊坡、地基、建筑橋梁、船泊平臺等水平位移及傾角。通過鉆孔方式，將測斜探頭通過連桿方式埋入地下，測建船泊,平臺,筑物和橋梁則直接將探頭固定在被測點上,當基坑、邊坡、地基,橋梁和建筑物產生形變或船泊平臺傾斜時，測斜探頭隨之傾斜，可精確測出水平位移量或傾角，在鉆孔內安裝多只測斜儀可以更加準確的監(jiān)測建筑物的變形情況。本儀器通過大量工程檢驗，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，操作簡便，適合各種環(huán)境，是目前專用的測斜儀器。
圖7 內部形變監(jiān)測示意圖
技術參數(shù)
5.3 浸潤線監(jiān)測
浸潤線是水從土壩(或土堤)迎水面，經過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。浸潤線是大壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關系到壩體穩(wěn)定及安全性狀，當浸潤線埋深為0m，可產生管涌，是直接導致潰壩的原因。因此，對于浸潤線位置的監(jiān)測是水庫安全監(jiān)測的重要內容之一。監(jiān)測時在壩體內鉆孔埋設水位管，水位管內放入孔隙水壓計，實時監(jiān)測測壓管內水位，繪制浸潤面，判斷壩體內水位的變化，結合理論分析，對壩體安全進行評估。
圖8 浸潤線監(jiān)測示意圖
5.4 應力應變監(jiān)測 混凝土應力監(jiān)測包括混凝土壩內部及土石壩混凝土應力面板等。混凝土面板應力觀測的項目，包括面板混凝土應變、無應力應變、鋼筋應力和溫度。面板混凝土應變觀測，各測點的觀測儀器應成組布置，并位于同面板平面平行的同一平面內。一般布置二向儀器組。混凝土應力監(jiān)測選用內埋式應變計。5.5 裂縫監(jiān)測 在混凝土硬化過程中，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生的裂縫。在土木工程質量檢測中常使用測縫儀（測縫計）進行監(jiān)測，測縫儀（測縫計）適用于長期埋設在水工建筑物或其它混凝土建筑物內或表面，測量結構物伸縮縫或周邊縫的開合度（變形），并可同步測量埋設點的溫度。
圖9 裂縫監(jiān)測示意圖
技術參數(shù)
5.6 庫水位監(jiān)測
庫水位監(jiān)測主要用來實時監(jiān)測水庫水位的變化狀況，特別是在汛期降雨、水庫水位監(jiān)測可起到提前預警，防止災害的發(fā)生，確保人員的生命財產安全。水庫水位監(jiān)測可選擇滲壓計或投入式水位計，超聲波水位計等方法。
圖10 庫水位監(jiān)測示意圖
技術參數(shù)
5.7 降雨量監(jiān)測
降雨量自動化監(jiān)測采用翻斗式雨量計傳感器進行監(jiān)測。雨水由承水器收集—經過進水閥—進入貯水室—水位上升—浮子上升—傳感器讀取數(shù)據(jù)—微機控制電路輸出無源脈沖。
5.8 視頻監(jiān)測
視頻用于監(jiān)測閘門運行狀態(tài)、水庫水雨情實況、大壩周邊環(huán)境等
6、大數(shù)據(jù)平臺
大數(shù)據(jù)平臺操作簡潔，容易上手。支持監(jiān)測數(shù)據(jù)的查看，處理，分析，評價，管理等需求。為每個客戶分配權限，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)測站采集的氣象、水質、水文、環(huán)保、路面狀態(tài)等數(shù)據(jù)匯入系統(tǒng)。對數(shù)據(jù)的分類存儲、顯示、管理。實現(xiàn)地理信息、數(shù)據(jù)、基本信息和進行關聯(lián)，地理信息界面見圖：
（2）數(shù)據(jù)查詢與分析
以不同的索引查看實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及曲線，監(jiān)測結果可瀏覽和下載，支持數(shù)據(jù)上傳功能，數(shù)據(jù)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示、列表顯示查詢界面如圖：
（3）遠程視頻查看與控制
可遠程通過視頻查看現(xiàn)場狀態(tài)，調整攝像頭角度，選裝、鏡頭變焦。界面如圖所示：
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