基于无线传感网络的水电站群大坝远程安全监测方法

朱 杰

(南京南瑞水利水电科技有限公司，江苏 南京 211100)

0 引言

水电站群大坝的实时监测是一项十分复杂且繁琐的工作，涉及较多的关联装置，对区域范围之内的工业、农业甚至人们的日常生活都会产生极大的影响。目前阶段，随着社会对水资源开发利用规模的扩大及需求的增长，大坝的覆盖面积以及供水区域也在不断扩展延伸，为确保大坝的应用稳定性，相关人员会对水电站群的大坝进行实时性的远程监控，初始的大坝远程安全监测多为单向，文献[1]和文献[2]，设定传统大数据大坝远程安全监测方法、传统远程红外大坝远程安全监测方法，这一类形式虽然能够实现预期的监测任务及目标，但是缺乏针对性与稳定性，再加上外部环境及特定因素的影响，导致最终得出的监测结果无法达到预期的标准[3]。不仅如此，当前的监测结构一般为单向的，效率较低，所部署的监测节点数量较少，这也是导致监测结果出现误差的重要因素之一[4]。为此提出对基于无线传感网络的水电站群大坝远程安全监测方法的设计与验证分析。所谓无线传感网络技术，主要指的是由数据获取网络、数据颁布网络和控制管理中心三部分组成定向识别技术，多是由传感器、通信模块以及处理单元所组成，节点会将数据、信息传输到处理中心之中，以待后续使用。将该项技术与水电站群大坝远程安全监测工作进行融合，一定程度上可以进一步扩大当前的监测范围，逐步形成更加灵活、多变的识别监测结构，加深对大坝的远距离识别与监测[5]。此外，在无线传感网络的辅助下，观测数据、监测信息的汇总处理效率也明显提高，智能化监测模型慢慢取代传统监测模型，凸显自身的监测特性，为后续相关技术的发展与创新提供参考依据[6]。

1 设计大坝远程无线传感网络安全监测方法

1.1 基础监测数据信息采集

水电站大坝的状态监测是一项十分复杂且繁琐的工作，需要人工调动及在线设备的辅助，结合得出的数据、信息对异常情况作出解析，以此来得出最终的监测结果[7]。因此，先进行基础监测数据信息采集。先将微型传感器接入实时监测控制程序之中，与之关联的监测设备主要包括沉降监测仪、位移监测装置、渗流监测节点等。明确大坝的监测位置和具体的范围，结合3S定位技术，在大坝的覆盖范围之内进行识别模块的划分[8]。

利用3S定位技术，对各个模块标点，设置静态定位水平精度比为3.2～4.6之间，动态定位水平精度比为16.35～18.11之间。在此基础之上，还可以在内置控制结构中增设沉降传感器。锁定好基准点、识别点和监测点，作为固定参考物，分2个监测阶段设置监测数据，见表1。

表1 基础监测数据信息采集表

结合表1，实现对基础监测数据信息的采集，完成基础数据信息的获取之后，对大坝远程监测多维测定。

1.2 部署多目标无线传感网络识别监测节点

无线传感器网络监测节点的部署需要结合大坝的监测位置、状态以及需求等信息，延长网络应用实践周期的同时，扩大监测的范围，加强对监测误差的等效控制。节点的部署一般采用移动的形式，大致可以划分为静态节点和动态节点。将内置的传感器与节点感知程序相连接，划定可控的识别监测空间，锁定具体的节点感知范围之后，测算出此时的欧氏距离：

(1)

式中，K—欧氏距离；r—监测覆盖范围；—监测误识率；w—监测单元常数值；g—识别范围。

结合当前得出的欧氏距离，设置识别监测节点的间距，同时，在水电站的大坝多个位置、多个方向、多个项目部署目标节点，由核心节点作为控制引导，形成多层级、多目标、多标准的网状大坝识别监测结构，一定程度上可以完善、细化监测结构，凸显节点的辅助监测优势，强化后续的监测效果。

1.3 构建无线传感网络大坝远程监测模型

结合无线传感网络，设计水电站大坝远程监测模型。首先，利用部署的节点进行实时数据的采集以及汇总，以待后续使用，依据无线传感网络的执行结构，在模型中设定多个监测层级，包括远程监测物理层、数据识别链路层、无线网络共享层、数据信息传输层以及监测应用层，对应的监测层级执行顺序如图1所示。

图1 无线传感网络大坝远程监测模型结构

根据图1，实现对无线传感网络大坝远程监测模型结构的设计与实践分析。当前结合大坝的远程监测距离以及区块划分，在模型中还需要构建一个定向的远程监测矩阵，结合无线传感网络，计算出可控监测同步差值：

Q=ρ2×θ(m+n)-σ

(2)

式中，Q—可控监测同步差值；ρ—传感距离；θ—监测识别误差；m—总同步范围；n—堆叠同步范围；σ—堆叠区域。

将其设定在矩阵之中，导入模型内部，辅助模型对大坝远程监测共享及传输误差的约束限制，提升模型的整体监测效果，并强化安全监测速率，强化模型自身的能力。

1.4 层次化综合辅助预警实现大坝安全监测

由于当前水电站的大坝远程监测结果大多存在综合性态的模糊，所以，此次在接入无线传感网络的背景下，采用层次化综合辅助预警的方式提升监测精度，对异常位置作出综合诊断。制定大坝监测预警结构，计算出权重值之后，建立层次化的预警评价因素集，通过上诉设计的模型对当前存在异常的位置作出标定，一旦发生异常，内置程度会根据异常的等级进行层次化综合预警处理，如图2所示。

图2 层次化综合辅助预警流程

根据图2，完成对层次化综合辅助预警流程的设计，利用上述设计的模型，同时对大坝的实时监测异常信息进行转化处理，通过接收基站和传输基站送达至预设的位置上，以待后续的监测分析，也进一步提升整体的监测精准度。

2 方法测试

此次主要是对基于无线传感网络的水电站群大坝远程安全监测方法的实际应用效果进行分析与验证研究，考虑到最终测试结果的真实性与可靠性，采用对比的方式展开分析，选定H区域的水电站群大坝作为测试的主要目标对象，锁定4个位置的大坝进行初始研究。参考文献设定传统大数据大坝远程安全监测小组、传统远程红外大坝远程安全监测小组以及此次所设计的无线传感网络大坝远程安全监测小组，根据当前的测定需求及标准，对最终得出的测试结果比照研究，接下来，综合无线传感网络技术，进行初始测试环境的设定。

2.1 测试准备

结合无线传感网络，对H区域的水电站群大坝实时监测方法测试环境进行设定及关联搭接。通常情况下，水电站群大坝以发电为主，同时还需要在特定的时间季节保障附近作物的灌溉、排涝防洪、综合养鱼，所以，设置一个稳定、具体的远程监控结构是确保日常工作处理的关键手段之一。先进行远程监控基础任务的确定，具体为：①日常发电、供电、电力调度数据实时监测；实地勘探；信息化管理。②通过“水电站群信息管理中心”辅助日常工作执行处理。③水电站自动采集站设定；水位监测装置布设；大坝实时监测程序导入。④构建大坝实时监测无线通信基站或者中继站、无线接收站或者信息中心站。⑤大坝远程监测渗压点、渗流点、闸门自动控制、实时状态传输监测等设定。

将上述制定的大坝远程监测目标任务通过软件进行转换，组建相对应的指令导入可控的监测系统之中，以待后续的使用。接下来，将系统接入无线传感网络之中，构建一个循环性的监测执行测试结构，进行基础测试指标的设置，见表2。

表2 大坝远程安全监测指标参数设定表

根据表2，完成对大坝远程安全监测指标及参数的设定与调整，接下来，利用无线传感网络，对基础数据进行分化解析，并设计相匹配的远程监测信道重发机制，便于后续的监测辅助。需要注意的是，监测重发机制的设计需要与地面上的监测点识别基站、收发基站、传送基站建立映射关系，缩短后续安全监测数据的汇总与传送，至此完成基础测试环境的搭建，接下来，针对方法进行具体测验。

2.2 测试过程及结果分析

在上述搭建的测试环境之中，结合无线传感网络，对H区域水电站群大坝远程安全监测方法作出定向测试与实践分析。上文在该区域随即选择标定了4个大坝进行远程监测处理，可以先在明确大坝的覆盖服务范围，在可控的区域之内，加设一定数量的监测定位节点，便于实时数据以及信息的采集。

但是部署的节点必须连接在一起，平时处于休眠状态，当大坝出现异常时，会立即启动，在预设的间隔周期之内完成目标的处理，便于后续构建循环性的安全监测空间，降低监测问题及误差的出现。在节点的控制结构中安装抗干扰装置，并对具体的位置加密保护。在系统中模拟大坝的监测状态，具体如图3所示。

结合图3，完成对大坝监测状态的模拟，利用无线传感网络下达异常测试指令，通过监测界面进行辅助解析，最终测定计算出监测异常响应时间：

(3)

式中，G—监测异常响应时间；χ—监测范围；t—定向监测频次；l—单元检测差值；η—堆叠范围。

解析得出的测试结果，如图4所示。

图4 测试结果对比分析

根据图4，完成对测试结果的分析：对比于传统大数据大坝远程安全监测小组、传统远程红外大坝远程安全监测小组，此次所设计的无线传感网络大坝远程安全监测小组最终得出的监测异常响应时间被较好地控制在0.25s以下，说明在无线传感网络的辅助下，当前对于大坝的异常远程监测速度较快，针对性更强，具有实际的应用价值。

3 结语

总而言之，以上便是对基于无线传感网络的水电站群大坝远程安全监测方法的设计与验证分析。大坝的远程安全监测一般与周围的环境、日常的管控需求、监测范围的变动等存在最为直接的关系，所以，通过无线传感网络，锁定水电站群大坝的具体位置，明确各个大坝之间距离的同时，将部署的节点进行搭接与关联，形成循环性的安全监测结构，更加灵活、多变，自身具有较强的针对性。不仅如此，无线传感网络的接入，还可以最大程度缩短对于大坝的实施监测信息传输耗时，一旦出现异常情况，也可以节省时间，为后续大坝结构的维护及补休奠定基础，营造稳定环境的同时，创新升级远程安全监测技术。