黄河工情险情全天候监测感知预警系统的研究与应用

王 琴，崔 峰，赵潇雄，谢浩粮

（河南黄河河务局信息中心，河南 郑州 450000）

0 引言

黄河下游河段险情大多是由于河道冲刷所造成的河道工程险情，因此对河道工程安全状态的监测预警及报警成为防汛成败的关键因素[1]。在现有的河道工程查险、报险方式中人力巡检占了很大比例，但是人力巡检时效性较差，不能保证实时监测。

为解决人工巡检存在的问题，黄河下游很多单位进行了河防工程险情自动化监测试验，但均存在不少问题：有些试验技术不可行，如接触式光纤监测试验安装布设操作难度大，分布式电极监测试验精度差，还需要进行反演计算[2]；有些试验虽技术可行，但成本高，不利于推广[3]，如机械根石探测臂；有些试验效果尚可，如阵列式光纤传感系统，但设备暴露在野外，容易被人为破坏[4]。因此，研究一种布设操作简单、价格低廉、易于人员检查和维护的实时监测黄河下游河道根石工情险情的设备和系统，即黄河工情险情全天候监测感知预警系统（以下简称监测感知预警系统），采用现代化电子设备及自动控制传输系统监测坝岸状态，并将坝岸状态实时呈现在监控界面上，以提高防汛巡堤的准确性、稳定性、可靠性，为防汛抢险赢得宝贵时间。

1 系统开发

1.1 设计思路

监测感知预警系统分为传感、传输及决策支持3 个部分，具体由前端传感、编码、解码转发、专网发送、公网并发、视频监控等设备及决策支持系统组成。预警系统利用数据可视化、报警管理和历史数据分析等功能，通过灵活设定数据节点预警规则、多维数据交叉预警规则和阈值，采用多元数据分析算法，动态展示传感器位移和角度变化，实时监测黄河河道堤坝坝石的走向、位移等信息。

监测感知预警系统的运行逻辑方式如下：当河道工程护岸坦石位移或根石走失时，传感部分的水下根石传感器发出预警信号，编码后由传输部分将预警信号传输至后台服务器，后台决策支持软件系统接收预警信号后即进行解码，并通过专网通知视频监控系统进行录像抓拍，通知调度系统进行分级别的预警、告警；同时在传输部分通过公网并发一路预警信号到云端服务器，将该预警信号传递给用户[5]。

河道巡查人员（用户）根据手机 App 或 PC 端告警，可以随时掌握出险时间、坝岸地理信息、断面险情情况，进行视频查看和图片抓拍，为抢险工作提供科学、有效的险情数据。

监测感知预警系统通过无线+有线的传输方式解决水下信号难以收集、发送的问题，并通过调整设备电路信息射频功率，利用防冲突算法，优化无线网络对周边设备的干扰和抗干扰问题。增加扩展模块，在面对非常规坝垛时，可自由增加或减少传感器数量，实现对不同坝垛的定制化监测服务。

1.2 系统实现

监测感知预警系统通过遥感影像、无人机航拍测绘、模型融合、三维重建等方式，利用大疆智图、超图、3D Mark 等软件构建工程坝垛数字模型，再结合. NET 技术进行下一步开发应用，融合重建模型与天地图，将天地图中工程区域模型替换为三维矢量化模型，对河道工程进行全景展示，对河道工程工情、险情进行在线监测预警[6]。利用监测感知预警系统，可以在工程坝垛数字模型上测量指定点位之间的水平、垂直距离，实现对指定区域的面积、体积等数据的测绘和查询，极大方便了工程运行与管理。

通过前端实时采集，运用 AI 影像识别技术、实时视频监控等感知手段，将根石晃动、走失、位移、倾斜和水上断面告警等数据，通过物联网络上传至数据和云计算等中心，结合后台消息总线、数据交换进行智能分析，帮助工程人员进行值班监控、决策辅助、应急指挥、日常工程运维和河道信息收集。监测感知预警系统实现示意图如图1 所示。

图1 系统实现示意图

2 系统研究

2.1 设备研究

由于人工根石探摸易发生误判且存在极大安全隐患，无法对根石坍塌进行预判，为保证根石状态监测的准确性，聚焦工程出险难以提前预报预警这一复杂问题，自主研发物联网监测及信息处理装置，研制水下根石走失监测传感器，实现在线感知，及早发现水下根石晃动及坍塌现象，实时推送水下根石晃动、移位、走失等报警信息，解决出险位置难以及时跟踪、态势难以预判难题。

2.1.1 基本构造

由于所研究的水下根石走失监测传感器应用在黄河河道水面以下，身处泥沙较多的水环境，所以设计时要考虑传感器的防水功能[7]。水下根石走失监测传感器，包括震动监测传感器、滚动状态监测传感器、防水保护壳体、信号传输线，敷设于枯水线以下的根石内，为保证防潮防湿，设备均须填充密封胶。为方便维护和检修，防水保护壳体一端封闭，另一端敞口，敞口端设有防水密封螺旋盖。震动、滚动状态2 类监测传感器输出信号通过 4 芯屏蔽信号线缆从防水保护壳体引出。

2.1.2 工作原理

水下根石走失监测传感器集成多种组件和功能，包括加速度传感器、陀螺仪、晃动传感器和液位传感器等组件，各模组之间采用 LoRa 组网方式，通过415 MHz 无线频率发送数据至传输部分，接入 Gateway智能物联网关，并使用消息队列遥测传输协议实时与服务器进行数据交互，采用远程 OTA（空中下载技术）功能进行指令下发，进行进一步的数据解析、打包、转发工作。其中传感设备的编码器连接可编程时钟单元，可通过查看“心跳”的方式判定传感器是否存活，避免出现设备被人为破坏而导致预警、告警失效的现象。具体应用时，为监测更广泛范围的根石状态，可采用2 个或 3 个震动监测传感器串联方式，即从两端引出震动监测信号线，分别接入不同的震动、滚动状态监测传感器和载体坝石，可以降低震动告警的灵敏性，减少因水流或水底杂质影响而产生的误告警。

使用时可通过固定支架将信号传输线固定到水下根石，将震动、滚动状态 2 类监测传感器的输出信号线连接根石坍塌监测终端设备。水下根石走失监测传感器外接 4 芯线缆，受外力断裂后，利用水导电的特质，即可反馈监测发出的告警信息。

2.1.3 视频监控

根据工程情况，每 2～3 个坝安装 1 个视频监控摄像头，摄像头安装在河道工程上，值班人员收到预警信息后，配合摄像头判断是偶然原因造成松动，如游客破坏、工程施工等原因，还是真实发生了险情，从而提高水下根石和护坡坦石监测的准确性，避免误报和漏报现象。

2.1.4 测点布置

传感器布置密度决定堤坝监测的准确性，因黄河河道工程坝岸建设无统一标准，各地区防护工程应具有因地制宜、合理建设的特点，所以传感器一般按照从坝根到上跨角、坝头的距离平均布放，按照统一布置、相对密集的要求，水上水下传感器类型和数量一般保持一致，如郑州马渡下延控导工程测点布置，布置示意图如图2 所示。若各控导工程有特殊情况，则按实地要求进行设计。

图2 郑州马渡下延控导工程测点布置示意图

2.2 传输部分研究

传输部分分为专网和公网通道，包括编码、解码转发、专网发送、公网并发等设备。根石走失传感器数据信号经编码设备通过有线或无线传出后，将数据送入解码转发设备，经专网和公网通道分别送入系统服务器和云端。为确保信息有效、及时地传递，监测感知预警系统接入 1 个电子数据接发芯片，可通过公网和专网 2 条链路进行预警告警，可避免因为网络信号漂移或者断网而导致险情信息漏报的情况。

2.3 决策支持部分研究

决策支持部分可分为以下 2 个端口：

1） 专网 PC 端。专网 PC 端采用浏览器-服务器结构，放置于河南黄河河务局下属各市县河务局防汛指挥部，用于防汛决策指挥。专网 PC 端又分为服务端和客户端，服务端包括接收处理数据、摄像头抓拍、推送数据及数据服务等功能模块，客户端主要包括用户登录、险情监测、险情评估处理、数据管理等模块。对监测感知数据进行分析与处理，以三维地图、图表、影像等形式展示数据，做到多平台联动，及时推送预警信息，为工程风险预警预防提供重要的数据支持和决策依据。

2） 手机端。预警信息通过河南黄河智慧管理系统发送至现场查险人员手机，便于随时查险，内容包括出险工程名称、坝号及断面，以及抓拍的照片和视频。处理流程如下：当监测到有险情发生时，系统会推送消息至手机端；接收预警信息后，手机端自动弹窗提示，准确显示出险位置，并提供出险位置抓拍影像；一线人员根据业务流程现场勘察并逐级上报处理，实现智能预警—现场核实—问题上报—问题处置—核查评价的闭环管理，提高了工作效率。

河南黄河智慧管理系统 App 由河南黄河河务局主导开发，以省、市、县、班组四级应用场景为基础，全面覆盖工程运行管理、防汛查险、水政执法、水量调度、安全监管五大河务主业。

双网并发数据至决策支持部分，可以最大限度地保障监测预警信息通过监测感知预警系统进行报警，大大提高了监测感知预警系统的可用性和可靠性。

3 应用实例和系统优势

2020 年 7 月 9 日，河南省开封市黑岗口下延控导工程 8 号坝发生险情。7 月 9 日上午 6 点，监测感知预警系统监测到8号坝一断面根石发生不正常运动并立即对该现象做出预警，3 h 后，上午 9 点 8 号坝发生险情，监测感知预警系统监测到根石下折情况，第一时间报警，成功监测到险情。抢护施工现场图如图3 所示，从图中可以看出坝顶出现大面积明显裂痕，工程人员正进行紧急抢护。

图3 出险坝垛施工现场

通过实例应用和系统分析，监测感知预警系统具有以下优势：

1） 公网和专网双保障网络传输。黄河下游河道工程大多处于偏僻、网络移动信号较弱的险要位置，存在移动信号断流、专网接入难度大、信号偶尔不稳定的问题。因此监测感知预警系统采用双网同时并发传输，一路公网信号通过移动 4G 传输至云平台，一路专网信号通过光纤或无线方式接入附近一线班组。2条传输链路同时并发，优先级一样高，可最大限度地保证监测预警信息及时稳定地传输至服务器。

2） 解决了人工查险局限性问题。监测感知预警系统采用倾斜摄影、遥感影像、模型融合、三维重建等方式构建数字模型，将数字模型融入监测预警系统，一旦发生险情，一线班组工作人员可通过本系统在线测量出险体积，准确评估险情大小，预估抢险工料。在没有险情时，也可以用于工程管理，有效推动了治黄信息化发展与治黄业务的深度融合。

同时以实时和定时 2 种监测手段 24 h 不间断监测，辅以摄像头实时画面更直观地获取堤坝情况，可弥补人力巡检时效性差的缺点；监测感知预警系统不会受限于暴雨、深夜等不利于人眼观测的恶劣环境，坝石一旦移动、走失，都会及时告警并抓拍视频和图片作为依据，有效实现险情的“抢早、抢小、抢住”，且避免人力巡检时可能引起的人员危险[8]。

3） 扩展性强，可进行个性化定制。监测感知预警系统前端采集及传输模块均为自主设计研发，在研发初期已针对扩展性问题进行了研究，已在底层设计中加入专门的扩展接口，在布置超出预设点数量的重点坝垛时，可以加入任意的扩展布置点位，实现对不同工程、坝垛的个性化定制，监测更全面、有效。

4） 解决了一般河道工程监测预警系统成本高的问题[9]。黄河堤坝监测项目一般需要大量阵列式阵列仪、拉力传感器、光纤传感器等技术设备，价格高昂，一道堤坝布设往往需要数万元资金支持，而监测感知预警系统设备采用双面布局，电路设计密度高，结构紧凑，具有待机时间长、抗扰强、传输距离远、工业级防水、无线传输、移动布设信号接收器、数据存储于云端的特点，在保证监测预警准确无误的前提下节约了成本。

4 结语

黄河工情险情全天候监测感知预警系统属于黄河一线堤坝巡防建设信息化工程，研究解决了根石自动监测准确性不高的问题，提出了河道工程水下、水上险情感知方法，实现了河道工程根石和坦石坍塌、移位、走失等的实时感知与监测预警，可保证黄河防汛抢险、救护和日常信息监控，解决黄河堤坝 24 h 全天候监测问题[10]。

监测感知预警系统现阶段的缺陷为监测手段、功能和效率一般，施工困难，维护任务繁重，下一步将继续加大科研力度，运用 AI 智能算法，提高预警效率，更稳定、更快速地为坝岸根石监测工作提供便利。

随着城市化进程的加快和自然灾害的频繁发生，对全天候监测感知预警系统的需求越来越大。由于监测感知预警系统具有实时在线预警、长期稳定、维护成本低，监测数据准确、快速、分析智能等优点，未来有希望在建筑工地、山体滑坡、高速基边坡、矿山等场景深入应用，共同推动创新成果发挥更大的经济和社会效益。