河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

杭州宏安四維科技有限公司 王挺，葛培

一、問題的提出

河道堤防是水利工程的主體，主要用于排澇防洪、保水固土，抵御洪澇災(zāi)害，此外，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河道堤防也在保護(hù)生態(tài)、美化環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用[1]。為免它們?cè)谧匀涣腿祟惢顒?dòng)等諸多因素作用下遭受侵蝕和破壞，以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并加以排除，使其真正發(fā)揮本身所具有的作用，就必須對(duì)河道堤防進(jìn)行監(jiān)測(cè)?！笆濉逼陂g標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施和推進(jìn)、人員巡查隊(duì)伍的建立、信息化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，都給河道堤防日常的保護(hù)、巡查、養(yǎng)護(hù)工作提供了非常有效的管理手段，在一定程度上也解決了河道堤防管理運(yùn)行中的一系列問題。

但由于水系發(fā)達(dá)、河道錯(cuò)綜復(fù)雜，海塘、堤防線又比較長(zhǎng)，有些二級(jí)海塘、村級(jí)河道管理落實(shí)雖已到位，通過河長(zhǎng)制、湖長(zhǎng)制一系列手段加以明確和分工，但管理起來還是會(huì)因?yàn)槿耸?、?duì)伍建設(shè)、考核評(píng)分、巡河頻率等因素存在不足和限制，沒有一種更具時(shí)效性、實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化的方式來輔助監(jiān)測(cè)地方海塘、鎮(zhèn)村級(jí)河道一些實(shí)時(shí)信息，特別是一些地方財(cái)政比較困難、人員安排不足，物業(yè)化程度也比較低的縣級(jí)管理單位，無法實(shí)現(xiàn)為整個(gè)河道信息采集、河道保潔、洪澇情況提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和持續(xù)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控，特別是在臺(tái)風(fēng)期、梅汛期、自然災(zāi)害期等外部惡劣環(huán)境下，難以實(shí)時(shí)獲取河道堤防的一些參數(shù)及指標(biāo)。通過技術(shù)創(chuàng)新搭建河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。

二、河道堤防監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)

（一）監(jiān)測(cè)面廣

河道堤防監(jiān)測(cè)面廣主要指兩個(gè)方面：首先，監(jiān)測(cè)的事件較多，河道堤防監(jiān)測(cè)包括堤防變形監(jiān)測(cè)、河道堤防滲流監(jiān)測(cè)；河道堤防壓力監(jiān)測(cè)、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)、堤身有無雨淋溝、浪窩、滑坡、裂縫、塌坑、洞穴；有無害蟲、害獸的活動(dòng)痕跡；護(hù)坡塊石有無松動(dòng)、翻起、塌陷；沿堤設(shè)施有無損毀；護(hù)堤林草有無損壞；岸灘有無崩坍；埽壩、磯頭有無蜇陷、走動(dòng)[2]等不同方向的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，檢查的內(nèi)容很廣泛，包括管理范圍內(nèi)檢查要全面、細(xì)致，也就是說同一個(gè)部位需要進(jìn)行不同的技術(shù)監(jiān)測(cè)。其次，河道堤防一般沿河、渠、湖、海岸或行洪區(qū)、分洪區(qū)、圍墾區(qū)的邊緣修筑，工程規(guī)模較大，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)路線長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位多。

（二）水下工程多

河道堤防工程基本沿河湖、水庫等水域外圍修建，堤基以及堤身部分處于水下，常年受到水、浪沖刷，需要投入更多的監(jiān)測(cè)精力。而且水下部分受到水流、溫度、壓強(qiáng)等因素的影響，給人工監(jiān)測(cè)帶來了極大的考驗(yàn)。

（三）危險(xiǎn)區(qū)多

河道堤防工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)域多，一方面，因?yàn)楹拥赖谭酪话闾幱诟呱胶庸鹊貛?，監(jiān)測(cè)區(qū)域涉及水域、山體等地質(zhì)考驗(yàn)。另一方面，河道堤防受氣流、降雨等天氣因素影響明顯，尤其是夏季臺(tái)風(fēng)天氣，監(jiān)測(cè)區(qū)域降水量劇增、水位快速升高、風(fēng)速較大，在這樣的惡劣環(huán)境下，重要堤塅、重點(diǎn)工程存在滲水、管涌流土、漏洞、沖塌、滑坡、裂縫、漫溢甚至水庫垮壩、堤防決口等風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)巡檢人員以及設(shè)備要求較高。

（四）防汛期壓力大

夏季防汛期，河道堤防工程安全在抵御水澇災(zāi)害中起著至關(guān)重要的作用。在降水量、水位的雙重壓力下，監(jiān)測(cè)任務(wù)繁重，如果仍然采取人工監(jiān)測(cè)巡檢，將導(dǎo)致河道、堤防、海塘管理人員不足、管理調(diào)度負(fù)荷過重的問題，影響防汛工作的順利開展。

三、河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建框架

針對(duì)河道堤防監(jiān)測(cè)檢測(cè)面廣、水下工程多、危險(xiǎn)區(qū)多、防汛期壓力大等問題，河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從監(jiān)測(cè)工作源頭進(jìn)行解決，將數(shù)據(jù)采集、輸出甚至模型分析等初始工作從人工轉(zhuǎn)移到智慧監(jiān)測(cè)設(shè)備上，通過在河道、海塘、堤防上安裝固定監(jiān)測(cè)設(shè)施點(diǎn)（設(shè)施點(diǎn)防塵、防震及芯片防水），提供現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及回傳，為第三方系統(tǒng)提供最前沿的數(shù)據(jù)原始模型。也就是說，人工在電腦或移動(dòng)端打開系統(tǒng)即可查看所需數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)分析，或者通過移動(dòng)APP到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近進(jìn)行感應(yīng)獲取相應(yīng)信息。一方面，河道堤防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用后只需少量的人力進(jìn)行監(jiān)管，而且避免了人工每個(gè)點(diǎn)親自測(cè)量等操作，解決了檢測(cè)面廣、汛期等導(dǎo)致的任務(wù)重、人員不足的問題。另一方面，也可為一些因河道、堤防、海塘管理人員不足，環(huán)境比較偏僻，危險(xiǎn)區(qū)等特殊點(diǎn)提供云采集方式，實(shí)時(shí)讀取采集數(shù)據(jù)和信號(hào)狀態(tài)，減少了人員在危險(xiǎn)區(qū)和水下作業(yè)的頻率，降低了監(jiān)測(cè)工作的風(fēng)險(xiǎn)性。

完成河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)需要智能監(jiān)測(cè)設(shè)備和智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩個(gè)部分的配合。首先是監(jiān)測(cè)設(shè)備的部署，包括存儲(chǔ)設(shè)備、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)等。其次是河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從根源上通過信息化、智慧化、物聯(lián)化手段建立長(zhǎng)效的監(jiān)測(cè)收集系統(tǒng)，需要水浸檢測(cè)技術(shù)、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)支撐（見圖1）。

圖1 河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

（一）智能監(jiān)測(cè)設(shè)備

針對(duì)河道堤防監(jiān)測(cè)面廣、人力資源壓力大以及水下監(jiān)測(cè)點(diǎn)多等問題，智能監(jiān)測(cè)設(shè)備通過在河道堤防合理部署設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，代替人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從源頭簡(jiǎn)化人工監(jiān)測(cè)任務(wù)。河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合河道堤防的環(huán)境特點(diǎn)，集合溫度、濕度傳感器，水浸傳感器，藍(lán)牙定位模塊，分析計(jì)算模塊等多種功能，做到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集輸出。同時(shí)從外觀牢固性、建議安裝化、建設(shè)成本、電池供電等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在臺(tái)風(fēng)、暴雨、嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境下也能正常工作，為監(jiān)測(cè)管理提供穩(wěn)固的數(shù)據(jù)采集終端。

1.感應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集成

智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中感應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集主要基于高級(jí)低功耗靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，對(duì)如溫度、濕度、水浸情況、定位藍(lán)牙MAC地址、場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，按照一些頻率重復(fù)擦寫數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)能在一定時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)和預(yù)留，并篩選剔除無用數(shù)據(jù)。

2.藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)

由于智能監(jiān)測(cè)設(shè)備不采用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（但成本高，需要運(yùn)營(yíng)商支持，每個(gè)設(shè)備都需要開通流量，在此不可行），數(shù)據(jù)的傳輸和中轉(zhuǎn)需要一種切實(shí)可行的手段和方案來代替，這里采用藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)（藍(lán)牙探針）的方式來部署。藍(lán)牙BLE方式的遠(yuǎn)距離室外藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，用作藍(lán)牙定位及數(shù)據(jù)雙向傳輸管理。產(chǎn)品采連接控制藍(lán)牙設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于多種藍(lán)牙設(shè)備的管理。通過金屬防雷外殼，外置高增益天線，工業(yè)級(jí)防水設(shè)計(jì)，可靈活應(yīng)用室外場(chǎng)景，適合在室外或室內(nèi)構(gòu)建藍(lán)牙星型網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)采集藍(lán)牙設(shè)備廣播數(shù)據(jù)或遠(yuǎn)程。

移動(dòng)終端也可以作為一種備選載體，通過開啟藍(lán)牙連接方式讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并基于移動(dòng)終端上報(bào)到服務(wù)器。

3.藍(lán)牙低功耗芯片集成

通過使用低功耗藍(lán)牙芯片（Bluetooth Low Energy， 通 常 所說的Bluetooth 4.0或者 Bluetooth Smart），iBeacon基站可以創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)區(qū)域，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)用程序便會(huì)提示用戶是否需要接入這個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。通過能夠放置在任何物體中的小型無線傳感器和低功耗藍(lán)牙技術(shù)，用戶便能使用移動(dòng)終端來傳輸數(shù)據(jù)。

（二）智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)讀取采集數(shù)據(jù)和信號(hào)狀態(tài)，并通過圖形化、WebGIS技術(shù)、三維可視化技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河道、堤防、海塘等監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過顏色、線條粗細(xì)、三維仿真模擬來區(qū)分是否有水浸現(xiàn)象發(fā)生，水浸次數(shù)以及洪水漫堤模擬，設(shè)定的巡查巡河定位參數(shù)校準(zhǔn)巡河率和巡查完成率等功能，為第三方管理平臺(tái)提供數(shù)據(jù)及科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)主要采用水浸檢測(cè)技術(shù)、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)、藍(lán)牙信標(biāo)定位技術(shù)完成感應(yīng)監(jiān)測(cè)和定位功能。

1.水浸檢測(cè)技術(shù)

水浸傳感器利用水的導(dǎo)電性，當(dāng)有水接觸時(shí)，水浸感應(yīng)繩兩根黑色芯線便會(huì)短接，從而發(fā)生電流的變化，根據(jù)電阻和導(dǎo)體長(zhǎng)度的比例關(guān)系，通過定位水浸傳感器的感應(yīng)預(yù)警值快速處理，記錄數(shù)據(jù)到內(nèi)存，通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)方式把數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，或者藍(lán)牙設(shè)備載體傳輸，最快只需要一秒鐘就能反應(yīng)。

2.藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)

藍(lán)牙模塊通信技術(shù)是收集一定范圍的藍(lán)牙設(shè)備信息，包括mac地址、RSSI等信息，通過UART串口發(fā)給藍(lán)牙探針里面的WiFi模塊，WiFi模塊把信息傳輸?shù)街付ǖ腢DP服務(wù)器，并能接受服務(wù)器返回的信息。UDP服務(wù)器接收到來自某個(gè)IP的T藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)解析和計(jì)算，得到用戶的位置信息并且顯示在電腦前臺(tái)頁面上，終端操作人員可以下發(fā)命令到WiFi模塊，WiFi模塊再透?jìng)鞯剿{(lán)牙模塊，最終實(shí)現(xiàn)信息的采集和管理[3]。

3.藍(lán)牙信標(biāo)定位技術(shù)

藍(lán)牙定位基于RSSI（信號(hào)強(qiáng)度）值，通過三角定位原理進(jìn)行定位，至少知道三個(gè)點(diǎn)的RSSI值才能準(zhǔn)確地計(jì)算定位（見圖2）[4]也就是說，在河道堤防及監(jiān)測(cè)站等重要建筑物內(nèi)一般至少需要鋪設(shè)3個(gè)藍(lán)牙Beacon信標(biāo)。當(dāng)手持藍(lán)牙終端設(shè)備如藍(lán)牙手環(huán)的用戶進(jìn)入藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)就能感應(yīng)到藍(lán)牙手環(huán)的廣播信號(hào)，然后測(cè)算出藍(lán)牙終端設(shè)備的RSSI值，通過串口傳輸給網(wǎng)關(guān)內(nèi)的WiFi模塊，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)再經(jīng)過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送到后端數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過服務(wù)器內(nèi)置的定位算法測(cè)算出藍(lán)牙手環(huán)的具體位置，后端服務(wù)器則可以通過網(wǎng)絡(luò)把位置信息發(fā)給管理后臺(tái)和用戶。

圖2 三角定位原理圖

四、河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用擴(kuò)展性

河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是從根源上通過信息化、智慧化、物聯(lián)化手段建立長(zhǎng)效的監(jiān)測(cè)收集系統(tǒng)，通過智能監(jiān)測(cè)設(shè)備如溫度、濕度傳感器，水浸傳感器，藍(lán)牙定位模塊，分析計(jì)算等功能模塊進(jìn)行河道數(shù)據(jù)采集、淹沒分析、洪水預(yù)報(bào)，服務(wù)于終端管理平臺(tái)，為水利信息化提供原始資料和數(shù)學(xué)模型率定參考，例如，洪水漫堤、暴雨點(diǎn)收集、涌潮觀測(cè)點(diǎn)潮水位侵襲、內(nèi)澇等一系列場(chǎng)景數(shù)據(jù)和洪水預(yù)報(bào)、淹沒分析等精準(zhǔn)的浸水地表數(shù)據(jù)。而且，系統(tǒng)具備完善的可編程模式，為今后的數(shù)字化業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型、智慧化數(shù)據(jù)分析及采集、第三方友好接入提供了良好的支撐。具體包含巡查、定位點(diǎn)、考核點(diǎn)、巡查點(diǎn)等位置標(biāo)記，并把數(shù)據(jù)提供給第三方，達(dá)到建設(shè)一次可多重使用、重復(fù)利用等目的。例如，河長(zhǎng)制系統(tǒng)巡河點(diǎn)、巡查狀態(tài)、巡河率等提供主要考核參數(shù)的驗(yàn)證點(diǎn)；洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)洪水演進(jìn)水位峰值校準(zhǔn)的參照點(diǎn)，淹沒分析演示水位修正的參考點(diǎn)；標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)、河湖管理系統(tǒng)的信標(biāo)定位點(diǎn)和工程介紹觸發(fā)點(diǎn)（見圖3）。

圖3 河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擴(kuò)展圖

由此可見，河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不是一個(gè)單獨(dú)自成體系、自我封閉的系統(tǒng)，也不是重復(fù)建設(shè)系統(tǒng)，是一套承上啟下的數(shù)據(jù)收集及分析共享系統(tǒng)，可以接入水利相關(guān)的第三方平臺(tái)，具備較強(qiáng)的應(yīng)用擴(kuò)展性。

五、應(yīng)用效益

河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從設(shè)備和技術(shù)兩個(gè)重要方面進(jìn)行突破，為河道堤防提供信息化、智慧化監(jiān)測(cè)工具，改變了人工監(jiān)測(cè)模式所面臨的困境。

首先，感應(yīng)監(jiān)測(cè)收集數(shù)據(jù)以及藍(lán)牙定位傳輸?shù)裙δ芸梢詫?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集并傳回第三方平臺(tái)，只要在河道堤防監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行藍(lán)牙及其他監(jiān)測(cè)設(shè)備部署，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)都可以通過管理平臺(tái)進(jìn)行查看，一方面解決了監(jiān)測(cè)面廣、汛期人員短缺的問題，另一方面降低了人員在水下、陡坡等惡劣環(huán)境以及危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)的頻率，保證監(jiān)測(cè)工作的安全性。其次，河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)主要來自監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)備，只要設(shè)備處于穩(wěn)定正常運(yùn)行狀態(tài)，其采集分析出的數(shù)據(jù)模型便具備實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、全面性等優(yōu)點(diǎn)，這是人工監(jiān)測(cè)模式很難達(dá)到的。人工監(jiān)測(cè)受到巡檢人、巡檢時(shí)間、上報(bào)時(shí)間等變量的影響，數(shù)據(jù)常常出現(xiàn)不準(zhǔn)確、缺損、滯后等問題，河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)減少了人工收集數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，為管理平臺(tái)提供了有力支撐。最后，河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)化接口，與第三方服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行信息共享，減少了重復(fù)建設(shè)。

六、結(jié)語

河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全工程所有部位的覆蓋和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別適用于一些地方財(cái)政比較困難、人員安排不足、物業(yè)化程度不高的管理單位，為整個(gè)河道信息采集、河道保潔、洪澇情況提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和持續(xù)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控，并且排除了惡劣天氣的干擾，特別在臺(tái)風(fēng)期、梅汛期、自然災(zāi)害期等惡劣環(huán)境下，能實(shí)時(shí)掌握河道堤防的一些參數(shù)及指標(biāo)，為管理者決策和預(yù)判提供科學(xué)的參考數(shù)據(jù)。

河道堤防智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于河道堤防監(jiān)測(cè)所面臨的問題而建設(shè)的智慧化系統(tǒng)，其中所應(yīng)用的藍(lán)牙定位、通信、感應(yīng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)具備很強(qiáng)的應(yīng)用性，可以廣泛推廣到各類工程監(jiān)測(cè)中，針對(duì)不同工程監(jiān)測(cè)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，這也是智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來的探索方向。

相關(guān)鏈接

堤防管理是為了維護(hù)堤防工程完整，確保工程安全，充分發(fā)揮地方工程的防洪、排澇、抗風(fēng)浪和風(fēng)暴潮的作用，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、行政、法律的手段對(duì)堤防進(jìn)行管理的工作。堤防工程是防洪的屏障，堤防的安全與否直接關(guān)系保護(hù)區(qū)內(nèi)的千百萬人民生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。由于堤防線長(zhǎng)面廣，易受到自然的和人為活動(dòng)的影響及損壞，所以堤防的管理既有工程技術(shù)層面的管理，又有社會(huì)層面的管理，相對(duì)來講社會(huì)管理難度更大。