无线自组网在大坝安全监测系统中的应用

白凤玲,陈 域,吴建森

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司,南京 210014;2.厦门四信物联网科技有限公司,福建 厦门 361000)

0 引言

我国地域广阔,分布着众多河流和水库大坝,这些大坝起到了保护人民生命财产安全的重要作用[1]。随着水库大坝运行时间的增长,水库大坝安全会出现各类问题,若不及时发现、解决,水库很容易成为病险水库,因此水库大坝安全监测显得极其重要[2]。然而,目前大部分水库大坝仍处于人工监测状态,已经安装的安全监测系统也多为技术相对落后的有线分布式结构,并且由于我国地形复杂,监测点分散在不同地理位置,导致监测系统存在干扰多、成本高、易损坏、安装和维护困难等问题。虽然部分水库大坝安装了无线系统,但由于技术限制,存在功耗过高或干扰信号衰减等缺点[3]。

针对以上问题,本文提出了一种基于无线自组网技术的监测方法,用于对大坝的渗流、渗压等进行有效监测。运用该方法设计一套实用性更强的大坝安全监测系统,使用该系统能够降低安装和维护成本,并避免由于干扰导致的数据监测问题,从而提高数据监测效率。

1 无线自组网概述

1.1 无线自组网技术的定义

无线自组网技术是一种基于无线通信的网络架构,其中网络节点可以自动组建、配置和管理网络,实现自组网络拓扑结构。它允许无线设备通过自动发现和动态路由连接来建立和维护通信链路,从而实现点对点或多对多的直接通信。无线自组网技术具备自适应性、灵活性和可靠性,能够在无需中央控制器的情况下,自动适应网络拓扑变化、提供冗余路径以增强网络可靠性,并且能够覆盖更广的区域范围。这种技术常用于构建大规模的无线传感器网络、移动自组网络等应用场景。

1.2 无线自组网技术的特点

无线自组网具备了多重功能,既可以充当路由器来进行数据包的转发和路由选择,也可以作为接入点提供信号覆盖,以便设备能够连接到网络。此外,每个网络节点都能够同时发送和接收通信信号,并且可以直接与其他节点进行通信,实现了点对点的直接通信[4]。

无线自组网中无线节点可以自动完成网络配置,实现设备的自动发现,并根据网络状况动态选择最佳的路由连接方式。这种特性消除了网络中的单点故障对业务的影响,并提供了冗余路径以增强网络的可靠性。而且无线自组网还可以覆盖更广阔的区域,满足大规模部署和高密度用户需求,提供更广泛的无线网络覆盖和服务。

无线自组网结构系统具备了信号避开障碍物干扰的能力,确保信号传输畅通无阻,消除了信号覆盖盲区。这意味着无线自组网可以通过智能信号路由和转发机制,使得信号能够绕过建筑物、墙壁等障碍物,以达到更广的覆盖范围,同时,提供更稳定和可靠的信号传输。这种特性使得用户在使用无线自组网系统时,不会受到障碍物的干扰,从而获得更好的网络连接质量和用户体验。这些特点都非常适合于水库大坝复杂的环境,有利于实现全方位的数据监测。

2 无线自组网在大坝安全监测中的有效应用

2.1 设计背景

我国拥有大量的水库,这些水库在灌溉农田、供水、发电等方面发挥着重要作用,取得了显著的社会和经济效益[5]。然而,随着经济的快速发展和人口的增加,我国也面临着一系列水资源管理和环境保护的挑战。我国中小型水库占水库数量的绝大部分,且多数位于偏远山林地区。为了加强水库大坝的安全管理,相关部门在近些年对存在病险隐患的水库进行了除险加固工作,有效改善了水库的安全隐患。但对于地理位置偏远、交通及通信不发达的中小水库还存在一些问题,所在地的水库管理人员无法实时观测到水库可能出现的险情,当设备损坏时难以修复,这都给水库的安全带来了较大隐患。为了解决这些问题,开展基于无线自组网技术的水库大坝安全监测非常有必要。

2.2 系统结构

系统整体结构如图1所示。

图1 大坝安全监测系统拓扑

2.3 系统组成

水库大坝自动监测系统主要由现场监测设备、无线数据采集仪、网关和监测中心等四个部分组成。

(1)现场监测设备。用于实时监测大坝和周围环境的各种参数,包括但不限于水位、压力、位移等。这些传感器可以安装在大坝结构内部和周边地质环境中,以获取准确的监测数据。

(2)无线数据采集仪。即水库监测终端,内置LoRa无线传输模块,该终端的主要功能是接收现场传感器所采集到的数据,并通过内置的LoRa通信模块将这些数据传输给网关。无线数据采集仪具备自动组网功能,即在上电后能够自动建立通信网络,无需人员干预。这样的设计可以方便快捷地部署监测系统,减少了人工配置的工作量。此外,每个无线数据采集仪都独立运行,它们之间通过无线通信进行数据传输,互相之间没有依赖关系,对于监测点的增加或删除,并不会影响其他监测点的正常工作。

(3)网关。网关负责接收来自无线数据采集仪的数据,并将这些数据传送给监测中心或相关部门。它作为数据的转发器和中转站,确保数据能够顺利地从现场传输到指定的目标。为了提高系统的可靠性,监控现场附近的两台网关可以互为备份,确保数据的稳定传输和监测系统的连续运行。

(4)监测中心。监测中心负责收集、分析和处理无线自组网中的各种信息和数据。它可以监测网络拓扑结构、设备状态、通信质量、数据情况等,并根据这些信息做出相应的决策和优化。

2.4 LoRa功耗和通信

最常用的物联网无线传输技术有Wi-Fi、蓝牙、Cat.16等,Wi-Fi和蓝牙技术的功耗低但传输距离近,Cat.16传输距离远但功耗高。为了减少传输损耗,本监测系统采用了LoRa技术进行远距离通信,按照每半小时采集上报一次的频率,设备每小时的功耗为0.333 mA,根据电池19 000 mA容量,使用率为77 %,产品能使用5年,这意味着在相同电池容量下,LoRa设备可以持续运行更长时间。对于需要长时间运行且难以定期更换电池的大坝安全监测,LoRa的低功耗特性非常有利[6]。

监测系统中部署多个LoRa网关覆盖同一区域,当一个网关发生故障或无法正常工作时,其他网关可以接管通信任务,这种方式可以提供冗余备份,确保设备的数据能够被及时接收。再将设备的数据同时发送到多个目标服务器或云平台,当某个服务器或平台发生故障时,可以从其他备份中恢复数据,避免数据丢失,实现了多重容灾备份机制。

LoRa技术可以通过功率放大器延伸通信距离。该技术在曾溪水库开展的测试结果如表1所示,在无障碍物遮挡的情况下,网关和节点的数据接收成功率为100 %;将功率放大器安装在振弦采集仪上,网关和节点处于超级不可视对角线且距离为400 m的位置,数据接收率从80 %提升至了100 %。通过功率放大器的接入,可以将LoRa设备的传输距离延伸到更广的覆盖范围内,克服障碍物干扰,实现更远的通信距离。

表1 不同节点位置的数据接收率

2.5 系统平台设计

大坝安全监测平台主要用于监控和管理无线传感器网络,以实现对水库大坝的控制和安全管理。系统利用多个传感器采集水库大坝的渗流、渗压、水位等数据信息,并将这些实时数据通过无线信号传输给计算机。大坝安全监测平台对数据进行分析处理,并以图表的形式展示,以便水库管理人员随时了解水库大坝的安全情况。当水库大坝存在安全威胁时,传感器采集到的数据会超过预先设置的警戒值。平台会对采集到的数据进行自动分析和处理,并在发现安全隐患时及时发出警报,以便水库管理人员能够迅速采取措施来解决问题。

大坝安全监测平台是基于现有的基础数据、监测感知能力和工程安全运行管理经验构建的。该平台针对大坝的重点关注部位,可以进行多源数据的分析处理,并实时评估大坝的结构状态。同时,利用物联网、传感器和数据统计分析等技术,实时监测水库大坝的渗压水位、渗流情况等。系统会根据各个监测点的数据结果生成渗压水位、渗流量等指标,并绘制分析过程线、断面浸润线及相关性曲线,以便进行更详细的数据分析和评估。此外,结合工程安全分析专业模型库和工程运行安全知识库,实现了大坝在线结构性态仿真和安全诊断分析。通过实时监控、分析和预警,确保大坝的安全。

3 结语

水库大坝是水利工程的重要组成部分,承载着大量水资源,为人们的生产和生活提供了重要保障。本文介绍了无线自组网在大坝安全监测系统中的应用。通过利用无线自组网技术,自适应网络拓扑变化、提供冗余路径以增强网络可靠性,并且能够覆盖更广的区域范围,有效监测大坝的渗流、渗压等参数,并设计一套实用性强的大坝安全监测平台。这种方法可以降低安装维护成本,提高数据监测效率,保障大坝运行的安全,在未来发展中,将继续改进优化,切实发挥无线自组网技术的潜在价值,以期在大坝安全监测中得到越来越广泛的应用。