分析無線傳感網絡在大壩安全監測中的應用

易 偉

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽550081)

大壩安全監測系統可以由水庫水位和壩體滲流及壩基滲流等進行實時的數據監測，對數據進行存儲，及時進行圖表的處理，對水庫水位和樞紐區滲液位的分析，也可以提高大壩監測的效率，不僅能使數據采據的周期減少，還能提高數據采集頻率與實時性，有效降低勞動的強度。

1 工程概述

貴州省東北部的石埡子水電站屬于烏江水系左岸一級支流，處于洪渡河的中下游。石埡子水電站的樞紐以碾壓混凝土重力壩與右巖引水發電系統共同組成。石埡子水電站的正常蓄水位可以達到544 m(高程)，水庫的容量為3.215 億m3，裝機達到140 MW(2 ×70 MW)，出力26.1 MW，而年發電量為4.782 ×108kW·h。大壩堰頂高程為523.50 m，而廠房設置于右巖的山體內，屬于地下廠房，以單一洞室的形式布置的，由右到左布置格局為主變室、安裝室及主機、副廠 房等，全長99 m，洞室位于P1m2厚層，在灰層中厚層中具有較好的穩定性，距岸最短的距離有75 m。石埡子水電站的取水口是壩式進水口，進水口布置于大壩10#壩段，而底板的高程是504 m，以一條內徑為7 m的引水隧洞引水到廠房。

2 大壩安全監測現狀

從壩監測發展的歷程可以發現，世界各國都以三種方式實現監測的自動化。從數據管理自動化到管理自動化配合部分采集自動化及全自動化。

我國關于大壩安全監測的研究工作早在20 世紀70年代就開始了，到了80年代已經取得了很大的進步，到了20 世紀90年代中期，我國的監測自動化技術發展的已十分成熟，使大壩安全監測在實時、穩定、可靠、實用等性能上得到了很大的提高。我國對大壩安全監測上使用的監測工具有幾下幾種，如表1 所示。

表1 我國大壩安全監測使用的監測工具和儀器

表1 中所示的我國大壩安全監測使用的監測工具和儀器都是利用有線傳感器監測，現階段還沒有通過無線傳感器網絡實現監測的實例。我國傳統有線監測是連接在控制處理的中心，中心對所有數據進行實時的處理。有線傳感器由總線傳輸數據量不高，數量過大的傳感器就要遇到數據采集的難題了。有線的連接既限制傳感器的攜帶方便，還需要數據的存儲具有準確性，需要非標準的輸出格式工程單元。在一些大型重要應用的領域，傳感器要獨立使用導線完成數據監視、采集和控制連接。連接具有臨時性，實驗完成后就要拆卸或者重構［1］。

3 無線傳感網絡在大壩安全監測中的應用

以貴州省東北部的石埡子水電站為例，對應用的無線傳感網絡在大壩安全監測中的應用進行分析。

3.1 石埡子水電站中無線傳感網絡的監測應用

3.1.1 監測實施的情況

石埡子水電站的監測部位有大壩、地下廠房、引水及尾水系統、左右巖壩肩邊坡、11#滑坡體。這些監測儀器已經全部完成安裝，正式投入到運行中，安裝的儀器和電纜按照圖紙要求完成，按照石埡子水電站的監測特點，工程各部位開始運行分析。

3.1.2 大壩左、右巖的壩肩坡應用監測

大壩的左、右岸壩肩邊坡有3個監測斷面，安裝了6 套多點位移計，3個測斜孔和10 支錨桿測力計，2 臺錨索測力計，6個表面變形的監測墩。在2012年2月的11#堆積體建表面完成觀測墩13個及500米觀測通道。

3.1.3 大壩壩體的監測

大壩壩體的監測包括了混凝土溫度和滲流、滲壓、應力應變及大壩變形、水力學監測等方面內容。大壩混凝土溫度的監測為:按照設計圖紙的要求，在工程設計發生變更時，要通知工程聯系，埋設了98支溫度計。按照大壩澆筑的進度，全部完成了埋設工作。而儀器設計工作要在大壩墊層、壩體及導流底孔、導流洞等部位完成。通過石埡子水電站中無線傳感網絡的監測應用，可以對無線傳感網絡在大壩安全監測中的應用進行分析，分析結果如下:

1)主要的監測量

大壩級別不同監測項目也就不同，一級大壩與二級大壩的儀器監測上主要監測項目見表2。

表2 一級大壩與二級大壩的主要監測項目

2)應用無線傳感網絡的優勢:應用無線傳感網絡，可以使用無線通信使很多困難得以克服，而且無線傳感網絡的優勢為:與無線傳感網絡應用于大壩安全監測相比，傳統的有線傳感網絡的施工時間長，而且投資大，連接導線十分繁瑣，使用無線傳感網絡則可以省掉導線安裝與校準的時間和工作程序。無線傳感網絡不需要使用導線完成傳感儀器和大壩的連接，就大大降低了經費的投入。使用無線傳感器在位置設計上可以在距離監測中心站更遠的位置，甚至可以安置在具有危險性的區域。使用無線傳感網絡可以進行大量無線節點的布置，這樣可以提高系統容錯性與可靠性。無線傳感網絡易安裝，易維護，易拆卸，可以在一個節點完成多傳感器的集成。可以實現分布式的數據處理，對數據融合后可以降低數據傳輸量，減少能耗。

3)應用無線傳感網絡監測的系統設計:無線傳感器在近些年來才成為科學研究的重點內容，在我國大壩安全監測中并沒有得到廣泛應用。對無線傳感器網絡的構建可以完成大壩安全的監測系統，而這種系統構思已經建立了初步系統的框架?？梢哉f，大壩安全監測的系統的設計十分復雜，總的設計下要包括幾項子系統，這些子系統可以進行數據采集與處理、評價。不同子系統有著不同的功能，一定要精心的設計，才可以實現系統完整的應用功能。

無線傳感網絡監測系統的核心是對大壩收集的數據進行綜合的分析和推理，對數據、方法、模型及知識等各庫都進行核心補充與延展作用。尤其是圖形與圖像庫更是對數據庫進行了必要的補充與延展，實現了系統的總控、信息系統的輸入和輸出，成為了系統的核心支持。在確定系統監測流程與數據的支持下，完成了系統間的聯系，使系統保持良好操作環境與人機交互。

4 結 語

綜上所述，無線傳感網絡有著極大的應用價值與應用前景。隨著我國科學技術的發展，無線傳感網絡應用的領域也必將涉及的越來越廣泛，既有大壩的安全監測，也有軍事國防的監測、工農業的控制及生物醫療等領域。在無線傳感網絡上雖然還有很多問題沒有解決，但是，通過實驗還是可以逐步的成熟起來，為無線傳感網絡的應用打下堅實的基礎。

［1］楊福寶. 基于ZigBee 無線傳感器網絡節點的研究［J］. 制造業自動化，2011，33 (10):85－88.