堤防結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng)技術(shù)，對堤防隱患進行實時監(jiān)測，以及時準確地發(fā)現(xiàn)潛在問題。通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、圖形報表等功能模塊，軟件平臺能有效地對傳感器監(jiān)測到的問題進行報警，使堤防管理的隱患可知，數(shù)據(jù)保存有據(jù)可查，便于監(jiān)管。

關(guān)鍵詞：堤防;物聯(lián)網(wǎng);結(jié)構(gòu)檢測;管理系統(tǒng)

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(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新一代信息技術(shù)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(fā)的后果將是災(zāi)難性的。基于無線傳輸技術(shù)的前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及在云端部署的信息處理系統(tǒng)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(shù)的引領(lǐng)下，優(yōu)良的監(jiān)測系統(tǒng)和智能化管理平臺能使堤防結(jié)構(gòu)變化更準確更及時地被監(jiān)察到，防患于未然。

1 堤防檢測發(fā)展現(xiàn)狀

堤防在我國有著悠久的歷史，起到防御洪水災(zāi)害，保障人民生命財產(chǎn)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(zhì)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(zhì)量檢測方法沿用傳統(tǒng)開挖檢查和鉆孔取樣試驗的常規(guī)技術(shù)，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(zhì)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(zhì)量情況往往會組合多種物探技術(shù)，總體來說，關(guān)于堤防工程安全與防護的相關(guān)科研工作已經(jīng)取得了一定的成果，但堤防工程防御預(yù)警能力、信息化管理水平還有待提高，還需要在全國范圍內(nèi)進行堤防管理智能化、網(wǎng)格化、數(shù)字化建設(shè)。

目前，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主要內(nèi)容的新一代信息技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，在諸多行業(yè)形成了穩(wěn)定的系統(tǒng)應(yīng)用，通過引進物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)，堤防監(jiān)測正逐漸向自動化、數(shù)字化邁進。目前，大型水利管理單位已經(jīng)建成了數(shù)字化程控管理系統(tǒng)，利用電腦、數(shù)據(jù)傳送、終端處理等設(shè)備，通過運用云計算達到數(shù)字化管理，全過程避免人為干預(yù)帶來的誤差。

2 系統(tǒng)描述

2.1 整體系統(tǒng)

系統(tǒng)通過前端硬件對堤防狀態(tài)進行實時監(jiān)測，再通過無線的方式將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)平臺，平臺通過對數(shù)據(jù)的整合、分析，將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果反饋給監(jiān)督管理單位，監(jiān)督管理單位再合理安排人力對堤防工程進行維護。本系統(tǒng)彌補了監(jiān)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(chǎn)的潛在損失降到最低。監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

2.2 硬件的基本配置

2.2.1 環(huán)境分析。水利工程在建設(shè)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(shè)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(fā)洪災(zāi)的隱患。這就需要一定的技術(shù)支持來維護堤防功能結(jié)構(gòu)完整，充分發(fā)揮防洪排澇，抗風浪和風暴潮的作用。

2.2.2 基本設(shè)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(chǎn)的安全，因此利用硬件實時監(jiān)察堤防結(jié)構(gòu)是非常必要的。現(xiàn)時的硬件系統(tǒng)包括沉降標點、水位標點、水壓力計、滲壓計、鋼筋計、應(yīng)變計、無應(yīng)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(shù)據(jù)。例如，固定測斜計用于長期監(jiān)測巖土地基深層水平位移，能根據(jù)傾角大小精確測出水平位移量[ΔX]、[ΔY]，從而做出預(yù)報。

除此之外，其他監(jiān)察堤防的硬件還包括滲水壓力計。堤防結(jié)構(gòu)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(shù)與經(jīng)濟條件限制，填土質(zhì)量差，碾壓密實度不足，影響堤防的穩(wěn)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(jié)構(gòu)物的內(nèi)部壓力。為了全面地監(jiān)察堤防的不同結(jié)構(gòu)，必須配合不同硬件的運用，這樣才能使監(jiān)察工作更高效，從而更準確地監(jiān)察堤防的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的不同數(shù)據(jù)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(yù)報，實時更新堤防結(jié)構(gòu)的資料，當存在問題時，就能提供最快捷的應(yīng)對方法，以維修及保養(yǎng)堤防的結(jié)構(gòu)缺陷。以下是對功能及技術(shù)的描述。

2.3.1 通信與采集。該軟件可以靈活設(shè)置各種測量方式、測量參數(shù)，方便地獲得各種測量數(shù)據(jù)，進行模塊故障診斷。在數(shù)據(jù)采集過程中，可以及時進行數(shù)據(jù)檢驗，并對越線數(shù)據(jù)進行報警，發(fā)生預(yù)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(tǒng)中使用的測量儀器和測量模塊，輕松擴充系統(tǒng)。多協(xié)議模塊組網(wǎng)，新老測量模塊采用的通道協(xié)議不同，但可以共同存在于一個測量系統(tǒng)中，同樣便于系統(tǒng)的擴充。通過分布式測量，進行簡單設(shè)置就可以構(gòu)造多個采集計算機的復雜分布式測量系統(tǒng)。系統(tǒng)中可以容納多個采集計算機，系統(tǒng)中的其他計算機可以自動找到提供采集服務(wù)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(tǒng)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(xié)議，可將大壩系統(tǒng)集成到整個電力自動化系統(tǒng)中。

2.3.2 數(shù)據(jù)管理。其主要是錄入人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，導入其他來源的監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測成果計算，包括應(yīng)變計組的應(yīng)變平衡及應(yīng)變力計算;監(jiān)測成果檢驗評判，及時發(fā)現(xiàn)異常結(jié)果;監(jiān)測數(shù)據(jù)和成果保存到數(shù)據(jù)庫;監(jiān)測數(shù)據(jù)和成果的查閱、編輯、刪除、備份等;監(jiān)測成果的誤差處理和整編規(guī)劃;監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jiān)管。

2.3.4 圖形制作。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖形的繪制，包括過程線圖、分布圖、相關(guān)圖、方塊圖和浸潤線圖等，各種圖形都可隨意定制，設(shè)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(jù)繪圖數(shù)據(jù)自動確定，可依需要手動設(shè)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(shù)據(jù)點標記，字體、顏色等也可隨意設(shè)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(jié)果管理，設(shè)計、施工、運行的文件、圖紙、報告及其他圖文聲像資料管理。監(jiān)測及觀測記錄順序歸檔，日期信息也應(yīng)注明天氣情況，觀測數(shù)據(jù)錄入經(jīng)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(tǒng)維護。系統(tǒng)維護主要是備份、恢復系統(tǒng)架構(gòu)信息，能及時將系統(tǒng)恢復到正確的設(shè)置狀態(tài)，還能輕松實現(xiàn)系統(tǒng)的功能添加、擴充;備份、恢復系統(tǒng)數(shù)據(jù);創(chuàng)建自動化任務(wù);把日常許多重復的事務(wù)組織在一起，定制成自動任務(wù)交付執(zhí)行，減輕日常工作負擔，快速檢查瀏覽系統(tǒng)問題;快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)通信、配置、計算等錯誤;可查閱和維護系統(tǒng)運行日志。

3 未來展望

以物聯(lián)網(wǎng)泛在接入技術(shù)為支撐，利用監(jiān)測系統(tǒng)及軟件平臺的相互配合，由前端感知設(shè)備、現(xiàn)役監(jiān)測站和監(jiān)控中心三部分組成的綜合提防結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)，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(xiàn)對運營數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的運維管理平臺能大大提升堤防監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，避免堤防結(jié)構(gòu)和機械性能因受到人為、天災(zāi)或自然變化的影響而出現(xiàn)損失。

4 結(jié)語

我國擁有相當數(shù)量的水利工程，一旦發(fā)現(xiàn)可能危及工程和人身財產(chǎn)安全的災(zāi)害預(yù)兆，采取有效措施防洪和防災(zāi)，能確保工程和人員、財產(chǎn)安全，因此，通過先進的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對堤防進行保護勢在必行。此外，系統(tǒng)的部署應(yīng)做到全面規(guī)劃，合理布局，預(yù)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(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.堤防工程設(shè)計規(guī)范：GB 50286—2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.