基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感的大壩安全監(jiān)測(cè)方法

摘 要：為了提高大壩安全監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，本文研究一種基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感的大壩安全監(jiān)測(cè)方法。該方法設(shè)計(jì)了以北斗和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感為基礎(chǔ)的大壩自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)了大壩自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊。在完成大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，引入北斗技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)進(jìn)行大壩定位，將定位數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)智能傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，基于融合的數(shù)據(jù)構(gòu)建大壩安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法，進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的安全監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較高，能有效監(jiān)測(cè)出大壩變形量，可應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測(cè)，為大壩提供安全保障。

關(guān)鍵詞：北斗定位；物聯(lián)網(wǎng)智能傳感；大壩監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TV 699 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

為了預(yù)防大壩監(jiān)測(cè)時(shí)產(chǎn)生的多種問(wèn)題，曾有學(xué)者提出多種方法。基于光學(xué)監(jiān)測(cè)的安全監(jiān)測(cè)方法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)大壩的表面變形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，但容易受天氣和環(huán)境因素影響?；诘刭|(zhì)勘探的安全監(jiān)測(cè)方法能夠獲取大壩周圍的地質(zhì)信息和地下水情況，但地質(zhì)勘探方法需要較長(zhǎng)的勘探時(shí)間和周期，對(duì)一些緊急情況無(wú)法及時(shí)響應(yīng)。因此，基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感的大壩安全監(jiān)測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生，該方法利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感技術(shù)，對(duì)大壩安全進(jìn)行自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)。

1 大壩自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，以分布式架構(gòu)為主，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)規(guī)模水平擴(kuò)展計(jì)算資源。建立的大壩安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可采集并管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)信息展示、預(yù)警信息接收并進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備管理等[1]。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1直觀地呈現(xiàn)了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)作流程，明確標(biāo)出了各組成部分及其相互關(guān)系。為確保簡(jiǎn)圖的清晰度，采用簡(jiǎn)潔的線條和圖形，以滿足設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)需求。設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)包括以下2點(diǎn)。1）數(shù)據(jù)采集。從大壩的各種傳感器中實(shí)時(shí)獲取各種數(shù)據(jù)，如水位、流速、壓力和溫度等。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮傳感器的類型、數(shù)量、分布位置以及數(shù)據(jù)采集的頻率。2）數(shù)據(jù)處理。對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、分析和處理。預(yù)處理包括數(shù)據(jù)清洗、格式轉(zhuǎn)換等，分析包括對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和模式識(shí)別等。根據(jù)上述，完成大壩自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 大壩自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊構(gòu)建

本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)模塊在線監(jiān)測(cè)模塊主要包括如圖2所示的內(nèi)容。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊對(duì)安放在目標(biāo)設(shè)施或自然物體上的幾十個(gè)GNSS接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)三維位置解算，并達(dá)到毫米級(jí)精度。由北斗進(jìn)行大壩沉降定位，獲得每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將定位數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)智能傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并進(jìn)行大壩安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[2]。

2.1 基于北斗技術(shù)的大壩定位

在壩體的表面變形中設(shè)置縱向和橫向位移觀測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面不少于3條，縱斷面不少于4條，在縱、橫向2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的交叉點(diǎn)上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并由校核基點(diǎn)、工作基點(diǎn)和其他網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)。同時(shí)進(jìn)行北斗基線解算，并定位大壩。北斗基線解算流程如圖3所示。

在北斗基線解算流程中，本文提出一種基于高程角度加權(quán)的方法。利用不同北斗衛(wèi)星間的相對(duì)位置角度差異進(jìn)行定位，以高度角模型為隨機(jī)模型，衛(wèi)星的高度角度與大多數(shù)所接受的誤差成反比[3]。技術(shù)細(xì)節(jié)包括以下4點(diǎn)。1）北斗定位模塊。選用兼容北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的定位模塊，能夠接收北斗信號(hào)并計(jì)算出大壩的位置信息。2）數(shù)據(jù)采集模塊。用于采集大壩相關(guān)數(shù)據(jù)，如水位、位移和傾斜等。3）數(shù)據(jù)傳輸模塊。將采集的數(shù)據(jù)和位置信息傳輸至數(shù)據(jù)中心。4）數(shù)據(jù)傳輸與處理。使用GPRS或4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析、處理和存儲(chǔ)，并生成相應(yīng)的監(jiān)測(cè)報(bào)告。5）系統(tǒng)集成與功能擴(kuò)展。將北斗定位模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊集成到智能終端中，對(duì)大壩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

每個(gè)非差觀察值的方差由正弦函數(shù)計(jì)算，如公式（1）所示。

（1）

式中：δi2表示北斗衛(wèi)星i的原始觀測(cè)值中誤差；Ei表示北斗衛(wèi)星i的高度角。

但衛(wèi)星的高度角低于一定數(shù)值時(shí)，觀察質(zhì)量降低，因此通過(guò)高度角模型改進(jìn)的公式如公式（2）所示。

（2）

式中：σ為高度角系數(shù)。

基于上述公式，在高度角改進(jìn)模型與北斗衛(wèi)星高度角間建立聯(lián)系，反映各觀測(cè)值的不同權(quán)重，從而反映不同的大壩特征，實(shí)現(xiàn)大壩定位。定位公式如公式（3）所示。

A=XEi+δi2（Ei） （3）

式中：X為線性回歸模型中的設(shè)計(jì)矩陣。

2.2 定位數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感數(shù)據(jù)融合

物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器可對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，如溫度、濕度和氣壓等。將上文獲取的定位數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，精準(zhǔn)表征大壩變形情況。由于不同的數(shù)據(jù)源可能使用不同的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，為了使這些數(shù)據(jù)能夠在統(tǒng)一的平臺(tái)上進(jìn)行融合，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。因此，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，要將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更通用的JSON格式。同樣，物聯(lián)網(wǎng)智能傳感數(shù)據(jù)也需要轉(zhuǎn)換為傳感器簡(jiǎn)單服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SSDP）數(shù)據(jù)格式[4]，設(shè)置該數(shù)據(jù)為B。

進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，開(kāi)始實(shí)施數(shù)據(jù)融合。融合定位數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感數(shù)據(jù)時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，選擇加權(quán)平均法融合數(shù)據(jù)，如公式（4）所示。

（4）

式中：W是融合后的數(shù)據(jù)；W1，W2，...，Wn是各數(shù)據(jù)源的權(quán)重；x1，x2，...，xn是各數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。

2.3 大壩安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

在水位、氣溫等多個(gè)不確定因素作用下，壩體將產(chǎn)生不可解釋的非線性變形。因此建立基于Logistic的預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)。Logistic曲線預(yù)測(cè)模型如公式（5）所示。

（5）

式中：N（t）是壩體在t時(shí)刻的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)值；a和r是待定系數(shù)；K是理論上的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)最大值[5]。

將公式（5）轉(zhuǎn)換成公式（6）。

（6）

采用三點(diǎn)計(jì)算法求方程中的參數(shù)K，最后可得公式（7）。

（7）

將公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，確定待定系數(shù)a和r，如公式（8）所示。

a'=（tT·t）-1·tT·Y（t），取第一個(gè)元素

r'=（tT·t）-1·tT·Y（t），取第二個(gè)元素 （8）

將新得到的待定系數(shù)代入公式（5），得出大壩安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[6]，如公式（9）所示。

（9）

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

某電站位于某溪中游，壩址以上雨水收集面積為392km2，水庫(kù)正常水位為160.0m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為7760萬(wàn)m3，死水位為120.0m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為5800萬(wàn)m3，庫(kù)容系數(shù)為0.17，屬年調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站裝機(jī)20MW，保證出力為2830kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為5860萬(wàn)kW·h，是一項(xiàng)集發(fā)電、灌溉和防洪于一體的大型綜合水利樞紐。

在拱壩工程加固后蓄水過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，同時(shí)需要收集前期安全監(jiān)測(cè)資料，以便及時(shí)掌握大壩變形動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。結(jié)合目前該溪監(jiān)測(cè)情況，需要對(duì)大壩外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行科技改造。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

此次為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，選擇測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮斷面型式相近，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)布置也相同，盡量考慮相鄰的測(cè)點(diǎn)，距離不應(yīng)過(guò)大，以水平位移為安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

將本文方法與其他安全監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)大壩的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從表1中的準(zhǔn)確率可看出，基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感的安全監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確率較高，均在90%以上。表明該方法能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)大壩的狀態(tài)變化和安全狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的安全隱患。相比下，基于光學(xué)監(jiān)測(cè)的安全監(jiān)測(cè)方法和基于地質(zhì)勘探的安全監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確率略低一些。因此，基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感的安全監(jiān)測(cè)方法具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感的大壩安全監(jiān)測(cè)方法的研究不僅能提高大壩安全監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)也為大壩的安全運(yùn)行提供了保障。該方法通過(guò)將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大壩安全的自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)。本文研究旨在為大壩安全監(jiān)測(cè)提供一種更先進(jìn)、可靠的方法，同時(shí)也能促進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)智能傳感技術(shù)在水利工程領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

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