堤防結構檢測系統研究

李穎　樊勇　劉心悅　司博章　放健榮

摘 要：對堤防工程進行結構檢測可以有效排查安全隱患，降低堤防事故風險。本文采用物聯網技術，對堤防隱患進行實時監測，以及時準確地發現潛在問題。通過數據采集、數據分析、圖形報表等功能模塊，軟件平臺能有效地對傳感器監測到的問題進行報警，使堤防管理的隱患可知，數據保存有據可查，便于監管。

關鍵詞：堤防;物聯網;結構檢測;管理系統

中圖分類號：TV698.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0088-03

Study on Dike Structure Detection System

LI Ying1 FAN Yong1 LIU Xinyue1 SI Bozhang1 FANG Jianrong2

（1.Timeloit，Beijing 100012;2.The Hang Seng University of Hong Kong，Hong Kong 999077）

Abstract： Structural testing of dike projects can effectively check for potential safety hazards and reduce the risk of dike accidents. In this paper， IOT technology was used to monitor the hidden dangers of dikes in real time so that potential problems can be discovered in a timely and accurate manner. Through the data acquisition， data analysis， graphical report and other functional modules， the software platform could effectively display and detect the problems detected by the alarm sensor， so as to understand the hidden dangers of the dike management， could store data and check， it was easy to supervise.

Keywords： dike;IOT;structure detection;management system

隨著時代與社會的發展，基于物聯網技術的新一代信息技術趨于成熟。在水利工程的維護和管理中，隱患排查尤為重要，一旦排查不及時、不仔細，潛在問題沒有得到及時和準確處理，引發的后果將是災難性的。基于無線傳輸技術的前端數據采集設備以及在云端部署的信息處理系統及分析平臺，能在很大程度上降低水利工程風險，減少損失。在新技術的引領下，優良的監測系統和智能化管理平臺能使堤防結構變化更準確更及時地被監察到，防患于未然。

1 堤防檢測發展現狀

堤防在我國有著悠久的歷史，起到防御洪水災害，保障人民生命財產安全的作用。我國部分堤防工程建筑年代較早，基本采用了逐年加高加厚的方式進行加固，施工質量較差。再加上人類活動導致的地方水情變化，使得岸段堤防及圍墾工程安全保障存在安全隱患。由于堤防為隱蔽工程，早期堤防質量檢測方法沿用傳統開挖檢查和鉆孔取樣試驗的常規技術，這類檢測通常范圍有限，只能以點帶面，很難及時、全面掌握堤防沿線的質量情況，檢測過程不可避免對堤防造成一定損害[1]。

隨著科技的進步，探查掌握提防的質量情況往往會組合多種物探技術，總體來說，關于堤防工程安全與防護的相關科研工作已經取得了一定的成果，但堤防工程防御預警能力、信息化管理水平還有待提高，還需要在全國范圍內進行堤防管理智能化、網格化、數字化建設。

目前，以物聯網技術為主要內容的新一代信息技術正在蓬勃發展，在諸多行業形成了穩定的系統應用，通過引進物聯網、互聯網等先進技術，堤防監測正逐漸向自動化、數字化邁進。目前，大型水利管理單位已經建成了數字化程控管理系統，利用電腦、數據傳送、終端處理等設備，通過運用云計算達到數字化管理，全過程避免人為干預帶來的誤差。

2 系統描述

2.1 整體系統

系統通過前端硬件對堤防狀態進行實時監測，再通過無線的方式將數據上傳至系統平臺，平臺通過對數據的整合、分析，將處理后的數據結果反饋給監督管理單位，監督管理單位再合理安排人力對堤防工程進行維護。本系統彌補了監督管理單位人員安排與實際問題不匹配的問題，減少了堤防中潛伏的隱患對后期使用造成的影響，把堤防潛在風險降到最低，也把對人民和財產的潛在損失降到最低。監測系統拓撲圖如圖1所示。

2.2 硬件的基本配置

2.2.1 環境分析。水利工程在建設中的隱患很容易對后期使用造成影響，因此，要對水利工程的建設進行完善，對原有的水利工程要進行檢修，尤其是汛期來臨之前，要進行必要的檢查，以排除容易引發洪災的隱患。這就需要一定的技術支持來維護堤防功能結構完整，充分發揮防洪排澇，抗風浪和風暴潮的作用。

2.2.2 基本設計。考慮到堤防的用途廣泛，加上堤防安全隨時影響人民和財產的安全，因此利用硬件實時監察堤防結構是非常必要的。現時的硬件系統包括沉降標點、水位標點、水壓力計、滲壓計、鋼筋計、應變計、無應力計、水位計以及流量計。這些不同的硬件會收集不同類別的數據。例如，固定測斜計用于長期監測巖土地基深層水平位移，能根據傾角大小精確測出水平位移量[ΔX]、[ΔY]，從而做出預報。

除此之外，其他監察堤防的硬件還包括滲水壓力計。堤防結構的一個大風險是滲水，滲水的原因可能是洪水量大，長時間超出堤防的警戒水位，亦或是在興建時受技術與經濟條件限制，填土質量差，碾壓密實度不足，影響堤防的穩固性。對于這種情況，除了需要滲水壓力計外，還需要土壤壓力計的輔助，測量被測結構物的內部壓力。為了全面地監察堤防的不同結構，必須配合不同硬件的運用，這樣才能使監察工作更高效，從而更準確地監察堤防的結構變化。堤防斷面硬件模塊圖如圖2所示。

2.3 軟件的支援及配合

在前端硬件收集堤防結構的不同數據后，如固定測斜儀收集了準確的水平位移量，然后再通過軟件分析做出預報，實時更新堤防結構的資料，當存在問題時，就能提供最快捷的應對方法，以維修及保養堤防的結構缺陷。以下是對功能及技術的描述。

2.3.1 通信與采集。該軟件可以靈活設置各種測量方式、測量參數，方便地獲得各種測量數據，進行模塊故障診斷。在數據采集過程中，可以及時進行數據檢驗，并對越線數據進行報警，發生預警情況時，可以通過定制的報警方案進行報警，如語音、手機短信、電子郵件等。

此外，其還便于配置和添加系統中使用的測量儀器和測量模塊，輕松擴充系統。多協議模塊組網，新老測量模塊采用的通道協議不同，但可以共同存在于一個測量系統中，同樣便于系統的擴充。通過分布式測量，進行簡單設置就可以構造多個采集計算機的復雜分布式測量系統。系統中可以容納多個采集計算機，系統中的其他計算機可以自動找到提供采集服務的計算機進行遠程采集。此外，還支持多個通信路徑到達測量模塊的連接方式，系統會自動找到可以連通模塊的通信線路，為高可靠性測量提供保證。同時，支持IEC104電力遠動通信控制協議，可將大壩系統集成到整個電力自動化系統中。

2.3.2 數據管理。其主要是錄入人工監測數據，導入其他來源的監測數據。監測成果計算，包括應變計組的應變平衡及應變力計算;監測成果檢驗評判，及時發現異常結果;監測數據和成果保存到數據庫;監測數據和成果的查閱、編輯、刪除、備份等;監測成果的誤差處理和整編規劃;監測數據轉換成Excel等通用格式。

2.3.3 報表制作。制作高度復雜和格式多變的報表;可制作年、季、月、旬、周、日報表，可以輸出單點測值、多點測值和相對取值，取值方式豐富;提供各種取值方式，方便日常監管。

2.3.4 圖形制作。監測數據分析圖形的繪制，包括過程線圖、分布圖、相關圖、方塊圖和浸潤線圖等，各種圖形都可隨意定制，設置和生成，簡便快捷，可供選用的外觀風格豐富;圖形坐標的范圍、比例可根據繪圖數據自動確定，可依需要手動設定和更改;圖形具有無級放大功能;具有多種可供選用的線條線型、數據點標記，字體、顏色等也可隨意設置。

2.3.5 文檔管理。文檔管理主要包括大壩安全冊管理，人工巡查記錄及評判結果管理，設計、施工、運行的文件、圖紙、報告及其他圖文聲像資料管理。監測及觀測記錄順序歸檔，日期信息也應注明天氣情況，觀測數據錄入經檢查無誤后分類歸檔，必要時附檢查文字說明。存儲安全，同時方便整理。

2.3.6 系統維護。系統維護主要是備份、恢復系統架構信息，能及時將系統恢復到正確的設置狀態，還能輕松實現系統的功能添加、擴充;備份、恢復系統數據;創建自動化任務;把日常許多重復的事務組織在一起，定制成自動任務交付執行，減輕日常工作負擔，快速檢查瀏覽系統問題;快速發現系統通信、配置、計算等錯誤;可查閱和維護系統運行日志。

3 未來展望

以物聯網泛在接入技術為支撐，利用監測系統及軟件平臺的相互配合，由前端感知設備、現役監測站和監控中心三部分組成的綜合提防結構檢測系統，將對堤防的全面管理帶來更大的效益。因此，利用具有前瞻性、實用性的管理平臺，實現對運營數據的決策分析就顯得尤為重要。

在未來的堤防維護管理中，基于物聯網技術的運維管理平臺能大大提升堤防監測數據的準確性，避免堤防結構和機械性能因受到人為、天災或自然變化的影響而出現損失。

4 結語

我國擁有相當數量的水利工程，一旦發現可能危及工程和人身財產安全的災害預兆，采取有效措施防洪和防災，能確保工程和人員、財產安全，因此，通過先進的物聯網系統對堤防進行保護勢在必行。此外，系統的部署應做到全面規劃，合理布局，預防為主，綜合治理，強化管理。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.堤防工程設計規范：GB 50286—2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.