堤防结构检测系统研究

李颖　樊勇　刘心悦　司博章　放健荣

摘 要：对堤防工程进行结构检测可以有效排查安全隐患，降低堤防事故风险。本文采用物联网技术，对堤防隐患进行实时监测，以及时准确地发现潜在问题。通过数据采集、数据分析、图形报表等功能模块，软件平台能有效地对传感器监测到的问题进行报警，使堤防管理的隐患可知，数据保存有据可查，便于监管。

关键词：堤防;物联网;结构检测;管理系统

中图分类号：TV698.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）23-0088-03

Study on Dike Structure Detection System

LI Ying1 FAN Yong1 LIU Xinyue1 SI Bozhang1 FANG Jianrong2

（1.Timeloit，Beijing 100012;2.The Hang Seng University of Hong Kong，Hong Kong 999077）

Abstract： Structural testing of dike projects can effectively check for potential safety hazards and reduce the risk of dike accidents. In this paper， IOT technology was used to monitor the hidden dangers of dikes in real time so that potential problems can be discovered in a timely and accurate manner. Through the data acquisition， data analysis， graphical report and other functional modules， the software platform could effectively display and detect the problems detected by the alarm sensor， so as to understand the hidden dangers of the dike management， could store data and check， it was easy to supervise.

Keywords： dike;IOT;structure detection;management system

隨着时代与社会的发展，基于物联网技术的新一代信息技术趋于成熟。在水利工程的维护和管理中，隐患排查尤为重要，一旦排查不及时、不仔细，潜在问题没有得到及时和准确处理，引发的后果将是灾难性的。基于无线传输技术的前端数据采集设备以及在云端部署的信息处理系统及分析平台，能在很大程度上降低水利工程风险，减少损失。在新技术的引领下，优良的监测系统和智能化管理平台能使堤防结构变化更准确更及时地被监察到，防患于未然。

1 堤防检测发展现状

堤防在我国有着悠久的历史，起到防御洪水灾害，保障人民生命财产安全的作用。我国部分堤防工程建筑年代较早，基本采用了逐年加高加厚的方式进行加固，施工质量较差。再加上人类活动导致的地方水情变化，使得岸段堤防及围垦工程安全保障存在安全隐患。由于堤防为隐蔽工程，早期堤防质量检测方法沿用传统开挖检查和钻孔取样试验的常规技术，这类检测通常范围有限，只能以点带面，很难及时、全面掌握堤防沿线的质量情况，检测过程不可避免对堤防造成一定损害[1]。

随着科技的进步，探查掌握提防的质量情况往往会组合多种物探技术，总体来说，关于堤防工程安全与防护的相关科研工作已经取得了一定的成果，但堤防工程防御预警能力、信息化管理水平还有待提高，还需要在全国范围内进行堤防管理智能化、网格化、数字化建设。

目前，以物联网技术为主要内容的新一代信息技术正在蓬勃发展，在诸多行业形成了稳定的系统应用，通过引进物联网、互联网等先进技术，堤防监测正逐渐向自动化、数字化迈进。目前，大型水利管理单位已经建成了数字化程控管理系统，利用电脑、数据传送、终端处理等设备，通过运用云计算达到数字化管理，全过程避免人为干预带来的误差。

2 系统描述

2.1 整体系统

系统通过前端硬件对堤防状态进行实时监测，再通过无线的方式将数据上传至系统平台，平台通过对数据的整合、分析，将处理后的数据结果反馈给监督管理单位，监督管理单位再合理安排人力对堤防工程进行维护。本系统弥补了监督管理单位人员安排与实际问题不匹配的问题，减少了堤防中潜伏的隐患对后期使用造成的影响，把堤防潜在风险降到最低，也把对人民和财产的潜在损失降到最低。监测系统拓扑图如图1所示。

2.2 硬件的基本配置

2.2.1 环境分析。水利工程在建设中的隐患很容易对后期使用造成影响，因此，要对水利工程的建设进行完善，对原有的水利工程要进行检修，尤其是汛期来临之前，要进行必要的检查，以排除容易引发洪灾的隐患。这就需要一定的技术支持来维护堤防功能结构完整，充分发挥防洪排涝，抗风浪和风暴潮的作用。

2.2.2 基本设计。考虑到堤防的用途广泛，加上堤防安全随时影响人民和财产的安全，因此利用硬件实时监察堤防结构是非常必要的。现时的硬件系统包括沉降标点、水位标点、水压力计、渗压计、钢筋计、应变计、无应力计、水位计以及流量计。这些不同的硬件会收集不同类别的数据。例如，固定测斜计用于长期监测岩土地基深层水平位移，能根据倾角大小精确测出水平位移量[ΔX]、[ΔY]，从而做出预报。

除此之外，其他监察堤防的硬件还包括渗水压力计。堤防结构的一个大风险是渗水，渗水的原因可能是洪水量大，长时间超出堤防的警戒水位，亦或是在兴建时受技术与经济条件限制，填土质量差，碾压密实度不足，影响堤防的稳固性。对于这种情况，除了需要渗水压力计外，还需要土壤压力计的辅助，测量被测结构物的内部压力。为了全面地监察堤防的不同结构，必须配合不同硬件的运用，这样才能使监察工作更高效，从而更准确地监察堤防的结构变化。堤防断面硬件模块图如图2所示。

2.3 软件的支援及配合

在前端硬件收集堤防结构的不同数据后，如固定测斜仪收集了准确的水平位移量，然后再通过软件分析做出预报，实时更新堤防结构的资料，当存在问题时，就能提供最快捷的应对方法，以维修及保养堤防的结构缺陷。以下是对功能及技术的描述。

2.3.1 通信与采集。该软件可以灵活设置各种测量方式、测量参数，方便地获得各种测量数据，进行模块故障诊断。在数据采集过程中，可以及时进行数据检验，并对越线数据进行报警，发生预警情况时，可以通过定制的报警方案进行报警，如语音、手机短信、电子邮件等。

此外，其还便于配置和添加系统中使用的测量仪器和测量模块，轻松扩充系统。多协议模块组网，新老测量模块采用的通道协议不同，但可以共同存在于一个测量系统中，同样便于系统的扩充。通过分布式测量，进行简单设置就可以构造多个采集计算机的复杂分布式测量系统。系统中可以容纳多个采集计算机，系统中的其他计算机可以自动找到提供采集服务的计算机进行远程采集。此外，还支持多个通信路径到达测量模块的连接方式，系统会自动找到可以连通模块的通信线路，为高可靠性测量提供保证。同时，支持IEC104电力远动通信控制协议，可将大坝系统集成到整个电力自动化系统中。

2.3.2 数据管理。其主要是录入人工监测数据，导入其他来源的监测数据。监测成果计算，包括应变计组的应變平衡及应变力计算;监测成果检验评判，及时发现异常结果;监测数据和成果保存到数据库;监测数据和成果的查阅、编辑、删除、备份等;监测成果的误差处理和整编规划;监测数据转换成Excel等通用格式。

2.3.3 报表制作。制作高度复杂和格式多变的报表;可制作年、季、月、旬、周、日报表，可以输出单点测值、多点测值和相对取值，取值方式丰富;提供各种取值方式，方便日常监管。

2.3.4 图形制作。监测数据分析图形的绘制，包括过程线图、分布图、相关图、方块图和浸润线图等，各种图形都可随意定制，设置和生成，简便快捷，可供选用的外观风格丰富;图形坐标的范围、比例可根据绘图数据自动确定，可依需要手动设定和更改;图形具有无级放大功能;具有多种可供选用的线条线型、数据点标记，字体、颜色等也可随意设置。

2.3.5 文档管理。文档管理主要包括大坝安全册管理，人工巡查记录及评判结果管理，设计、施工、运行的文件、图纸、报告及其他图文声像资料管理。监测及观测记录顺序归档，日期信息也应注明天气情况，观测数据录入经检查无误后分类归档，必要时附检查文字说明。存储安全，同时方便整理。

2.3.6 系统维护。系统维护主要是备份、恢复系统架构信息，能及时将系统恢复到正确的设置状态，还能轻松实现系统的功能添加、扩充;备份、恢复系统数据;创建自动化任务;把日常许多重复的事务组织在一起，定制成自动任务交付执行，减轻日常工作负担，快速检查浏览系统问题;快速发现系统通信、配置、计算等错误;可查阅和维护系统运行日志。

3 未来展望

以物联网泛在接入技术为支撑，利用监测系统及软件平台的相互配合，由前端感知设备、现役监测站和监控中心三部分组成的综合提防结构检测系统，将对堤防的全面管理带来更大的效益。因此，利用具有前瞻性、实用性的管理平台，实现对运营数据的决策分析就显得尤为重要。

在未来的堤防维护管理中，基于物联网技术的运维管理平台能大大提升堤防监测数据的准确性，避免堤防结构和机械性能因受到人为、天灾或自然变化的影响而出现损失。

4 结语

我国拥有相当数量的水利工程，一旦发现可能危及工程和人身财产安全的灾害预兆，采取有效措施防洪和防灾，能确保工程和人员、财产安全，因此，通过先进的物联网系统对堤防进行保护势在必行。此外，系统的部署应做到全面规划，合理布局，预防为主，综合治理，强化管理。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.堤防工程设计规范：GB 50286—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.