1、系統(tǒng)概述

       水利大壩結(jié)構(gòu),、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜性強(qiáng)，設(shè)計(jì)、施工,、運(yùn)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(shè)備,，如果發(fā)生意外變形,，失事后造成的災(zāi)難也是極其嚴(yán)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警是非常必要的。利用智能感知技術(shù),、數(shù)據(jù)采集技術(shù),、無線通訊技術(shù)、云計(jì)算,、大數(shù)據(jù)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法,，建設(shè)水庫大壩實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)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(yùn)行,，全面提升水庫大壩監(jiān)測預(yù)警能力,。
2、系統(tǒng)組成
  整個(gè)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(gè)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(jì),、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì),、水位計(jì),、裂縫計(jì)、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(jié)構(gòu)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(bào)文模塊,、Lora模塊等多種傳輸方式,；
（4）數(shù)據(jù)存儲與計(jì)算：包括網(wǎng)關(guān)、防火墻,、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和數(shù)據(jù)運(yùn)算服務(wù),；
（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(yuǎn)程大數(shù)據(jù)平臺可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示,、曲線顯示、報(bào)表分析,；

3,、系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配置靈活：系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)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(gè)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(shè)計(jì),，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(shí)時(shí)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(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺瀏覽數(shù)據(jù)，手機(jī)APP隨時(shí)隨地下載數(shù)據(jù),；
（5）工業(yè)化設(shè)計(jì),，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠：采用了防雷、抗電磁干擾電路設(shè)計(jì),，安裝避雷裝置確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,；
4、硬件技術(shù)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(guān)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(dòng),、聯(lián)通以及國外多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)間隔小于 1s,；
  天通物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星模塊：12V 供電,，支持天通一號衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，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(zhuǎn) 12V/5A,AC220V 轉(zhuǎn) 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(shè)計(jì),，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

   監(jiān)測參數(shù)包括表面位移、內(nèi)部變形,、浸潤線監(jiān)（水位監(jiān)測,、孔隙水壓力監(jiān)測）、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測,、裂縫監(jiān)測,、庫水位監(jiān)測、降雨量監(jiān)測,、視頻監(jiān)測,。

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(biāo),。表面位移常用的監(jiān)測采用GNSS和沉降儀進(jìn)行監(jiān)測,。
（1）GNSS測量
  GNSS采用北斗、GPS,、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),，通過高精度定位解算,，可實(shí)現(xiàn)毫米級精確定位，可對壩體實(shí)現(xiàn)高精度的位移形變監(jiān)測,。

工作原理
   各北斗監(jiān)測點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收北斗信號,，并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器北斗數(shù)據(jù)處理軟件解算出各監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo),，數(shù)據(jù)分析模塊獲取各監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo),，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對比而獲得該監(jiān)測點(diǎn)變化量。
技術(shù)參數(shù)

（2）沉降儀
  液壓式沉降儀是用于長期監(jiān)測構(gòu)筑物內(nèi)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(nèi),、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(yīng)速度快，輸出信號為 RS485 數(shù)字量,，同步測量埋設(shè)點(diǎn)的溫度,。

工作原理
  當(dāng)傳感器和儲液罐之間的高差產(chǎn)生變化時(shí)，傳感器感應(yīng)膜上的壓力同時(shí)產(chǎn)生變化,，壓力使感應(yīng)膜的全橋硅片發(fā)生形變,，形變轉(zhuǎn)化的電信號經(jīng)電纜傳輸至采集裝置，即可測出觀測點(diǎn)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(guān)。儲液罐自帶硅壓傳感器,，測量儲液罐內(nèi)液位的變化量,，用以修正測量點(diǎn)的測量值。
技術(shù)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(dòng)監(jiān)測的重點(diǎn)內(nèi)容。
工作原理
  將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的,、成線性比例的電信號,。當(dāng)被測物體產(chǎn)生位移時(shí)，拉動(dòng)與其相連接的傳感器繩索,，繩索帶動(dòng)傳感器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng),；當(dāng)位移反向移動(dòng)時(shí),，傳感器內(nèi)部的自動(dòng)回旋裝置將自動(dòng)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(gè)與繩索移動(dòng)量成正比例的電信號,。

圖7  內(nèi)部形變監(jiān)測示意圖

技術(shù)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(jīng)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(guān)系到壩體穩(wěn)定及安全性狀,，當(dāng)浸潤線埋深為0m,，可產(chǎn)生管涌，是直接導(dǎo)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(nèi)容之一。監(jiān)測時(shí)在壩體內(nèi)鉆孔埋設(shè)水位管,，水位管內(nèi)放入孔隙水壓計(jì),，實(shí)時(shí)監(jiān)測測壓管內(nèi)水位，繪制浸潤面,，判斷壩體內(nèi)水位的變化,，結(jié)合理論分析，對壩體安全進(jìn)行評估,。

5.4 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測
  混凝土應(yīng)力監(jiān)測包括混凝土壩內(nèi)部及土石壩混凝土應(yīng)力面板等,?；炷撩姘鍛?yīng)力觀測的項(xiàng)目，包括面板混凝土應(yīng)變,、無應(yīng)力應(yīng)變,、鋼筋應(yīng)力和溫度。面板混凝土應(yīng)變觀測,，各測點(diǎn)的觀測儀器應(yīng)成組布置,，并位于同面板平面平行的同一平面內(nèi)。一般布置二向儀器組,?；炷翍?yīng)力監(jiān)測選用內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)。
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(chǎn)生的裂縫,。在土木工程質(zhì)量檢測中常使用測縫儀（測縫計(jì)）進(jìn)行監(jiān)測，測縫儀（測縫計(jì)）適用于長期埋設(shè)在水工建筑物或其它混凝土建筑物內(nèi)或表面,，測量結(jié)構(gòu)物伸縮縫或周邊縫的開合度（變形）,，并可同步測量埋設(shè)點(diǎn)的溫度。

圖9  裂縫監(jiān)測示意圖

技術(shù)參數(shù)

圖10  庫水位監(jiān)測示意圖

技術(shù)參數(shù)

5.7 降雨量監(jiān)測

 降雨量自動(dòng)化監(jiān)測采用翻斗式雨量計(jì)傳感器進(jìn)行監(jiān)測,。雨水由承水器收集—經(jīng)過進(jìn)水閥—進(jìn)入貯水室—水位上升—浮子上升—傳感器讀取數(shù)據(jù)—微機(jī)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(yùn)行狀態(tài),、水庫水雨情實(shí)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(jià)，管理等需求。為每個(gè)客戶分配權(quán)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(zhì)、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(shí)現(xiàn)地理信息,、數(shù)據(jù),、基本信息和進(jìn)行關(guān)聯(lián)，地理信息界面見圖：