河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)應用

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，抵御洪澇災害，此外，隨著社會經濟的快速發(fā)展，河道堤防也在保護生態(tài)、美化環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用[1]。為免它們在自然力和人類活動等諸多因素作用下遭受侵蝕和破壞，以及及時發(fā)現(xiàn)險情并加以排除，使其真正發(fā)揮本身所具有的作用，就必須對河道堤防進行監(jiān)測。“十三五”期間標準化的實施和推進、人員巡查隊伍的建立、信息化系統(tǒng)的實時監(jiān)測監(jiān)控，都給河道堤防日常的保護、巡查、養(yǎng)護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行中的一系列問題。

但由于水系發(fā)達、河道錯綜復雜，海塘、堤防線又比較長，有些二級海塘、村級河道管理落實雖已到位，通過河長制、湖長制一系列手段加以明確和分工，但管理起來還是會因為人手、隊伍建設、考核評分、巡河頻率等因素存在不足和限制，沒有一種更具時效性、實時性、自動化的方式來輔助監(jiān)測地方海塘、鎮(zhèn)村級河道一些實時信息，特別是一些地方財政比較困難、人員安排不足，物業(yè)化程度也比較低的縣級管理單位，無法實現(xiàn)為整個河道信息采集、河道保潔、洪澇情況提供強有力的技術支撐和持續(xù)化監(jiān)測監(jiān)控，特別是在臺風期、梅汛期、自然災害期等外部惡劣環(huán)境下，難以實時獲取河道堤防的一些參數及指標。通過技術創(chuàng)新搭建河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

二、河道堤防監(jiān)測的特點

（一）監(jiān)測面廣

河道堤防監(jiān)測面廣主要指兩個方面：首先，監(jiān)測的事件較多，河道堤防監(jiān)測包括堤防變形監(jiān)測、河道堤防滲流監(jiān)測；河道堤防壓力監(jiān)測、應變及溫度監(jiān)測、堤身有無雨淋溝、浪窩、滑坡、裂縫、塌坑、洞穴；有無害蟲、害獸的活動痕跡；護坡塊石有無松動、翻起、塌陷；沿堤設施有無損毀；護堤林草有無損壞；岸灘有無崩坍；埽壩、磯頭有無蜇陷、走動[2]等不同方向的監(jiān)測重點，檢查的內容很廣泛，包括管理范圍內檢查要全面、細致，也就是說同一個部位需要進行不同的技術監(jiān)測。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，導致監(jiān)測路線長、監(jiān)測點位多。

（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)測精力。而且水下部分受到水流、溫度、壓強等因素的影響，給人工監(jiān)測帶來了極大的考驗。

（三）危險區(qū)多

河道堤防工程監(jiān)測點危險區(qū)域多，一方面，因為河道堤防一般處于高山河谷地帶，監(jiān)測區(qū)域涉及水域、山體等地質考驗。另一方面，河道堤防受氣流、降雨等天氣因素影響明顯，尤其是夏季臺風天氣，監(jiān)測區(qū)域降水量劇增、水位快速升高、風速較大，在這樣的惡劣環(huán)境下，重要堤塅、重點工程存在滲水、管涌流土、漏洞、沖塌、滑坡、裂縫、漫溢甚至水庫垮壩、堤防決口等風險，對巡檢人員以及設備要求較高。

（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害中起著至關重要的作用。在降水量、水位的雙重壓力下，監(jiān)測任務繁重，如果仍然采取人工監(jiān)測巡檢，將導致河道、堤防、海塘管理人員不足、管理調度負荷過重的問題，影響防汛工作的順利開展。

三、河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)搭建框架

針對河道堤防監(jiān)測檢測面廣、水下工程多、危險區(qū)多、防汛期壓力大等問題，河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)從監(jiān)測工作源頭進行解決，將數據采集、輸出甚至模型分析等初始工作從人工轉移到智慧監(jiān)測設備上，通過在河道、海塘、堤防上安裝固定監(jiān)測設施點（設施點防塵、防震及芯片防水），提供現(xiàn)場監(jiān)測數據采集及回傳，為第三方系統(tǒng)提供最前沿的數據原始模型。也就是說，人工在電腦或移動端打開系統(tǒng)即可查看所需數據及變化趨勢分析，或者通過移動APP到達監(jiān)測點附近進行感應獲取相應信息。一方面，河道堤防監(jiān)測系統(tǒng)應用后只需少量的人力進行監(jiān)管，而且避免了人工每個點親自測量等操作，解決了檢測面廣、汛期等導致的任務重、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，危險區(qū)等特殊點提供云采集方式，實時讀取采集數據和信號狀態(tài)，減少了人員在危險區(qū)和水下作業(yè)的頻率，降低了監(jiān)測工作的風險性。

完成河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)建設需要智能監(jiān)測設備和智慧監(jiān)測系統(tǒng)兩個部分的配合。首先是監(jiān)測設備的部署，包括存儲設備、藍牙網關等。其次是河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)，從根源上通過信息化、智慧化、物聯(lián)化手段建立長效的監(jiān)測收集系統(tǒng)，需要水浸檢測技術、藍牙網關通信技術等關鍵技術支撐（見圖1）。

圖1 河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

（一）智能監(jiān)測設備

針對河道堤防監(jiān)測面廣、人力資源壓力大以及水下監(jiān)測點多等問題，智能監(jiān)測設備通過在河道堤防合理部署設備監(jiān)測點位，代替人工進行數據采集，從源頭簡化人工監(jiān)測任務。河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)結合河道堤防的環(huán)境特點，集合溫度、濕度傳感器，水浸傳感器，藍牙定位模塊，分析計算模塊等多種功能，做到準確的數據采集輸出。同時從外觀牢固性、建議安裝化、建設成本、電池供電等方面進行優(yōu)化設計，在臺風、暴雨、嚴寒等惡劣環(huán)境下也能正常工作，為監(jiān)測管理提供穩(wěn)固的數據采集終端。

1.感應數據存儲集成

智慧監(jiān)測系統(tǒng)中感應數據的實時采集主要基于高級低功耗靜態(tài)隨機存取存儲器，對如溫度、濕度、水浸情況、定位藍牙MAC地址、場強信號等數據進行實時記錄，按照一些頻率重復擦寫數據，使數據能在一定時間內存儲和預留，并篩選剔除無用數據。

2.藍牙網關

由于智能監(jiān)測設備不采用GPRS網絡通信協(xié)議（但成本高，需要運營商支持，每個設備都需要開通流量，在此不可行），數據的傳輸和中轉需要一種切實可行的手段和方案來代替，這里采用藍牙網關（藍牙探針）的方式來部署。藍牙BLE方式的遠距離室外藍牙網關，用作藍牙定位及數據雙向傳輸管理。產品采連接控制藍牙設備，可廣泛應用于多種藍牙設備的管理。通過金屬防雷外殼，外置高增益天線，工業(yè)級防水設計，可靈活應用室外場景，適合在室外或室內構建藍牙星型網絡，用于實時采集藍牙設備廣播數據或遠程。

移動終端也可以作為一種備選載體，通過開啟藍牙連接方式讀取現(xiàn)場數據并基于移動終端上報到服務器。

3.藍牙低功耗芯片集成

通過使用低功耗藍牙芯片（Bluetooth Low Energy， 通 常 所說的Bluetooth 4.0或者 Bluetooth Smart），iBeacon基站可以創(chuàng)建一個信號區(qū)域，當設備進入該區(qū)域時，相應的應用程序便會提示用戶是否需要接入這個信號網絡。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牙技術，用戶便能使用移動終端來傳輸數據。

（二）智慧監(jiān)測系統(tǒng)平臺關鍵技術

河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)需要實時讀取采集數據和信號狀態(tài)，并通過圖形化、WebGIS技術、三維可視化技術實時監(jiān)測河道、堤防、海塘等監(jiān)測對象，通過顏色、線條粗細、三維仿真模擬來區(qū)分是否有水浸現(xiàn)象發(fā)生，水浸次數以及洪水漫堤模擬，設定的巡查巡河定位參數校準巡河率和巡查完成率等功能，為第三方管理平臺提供數據及科學統(tǒng)計分析。系統(tǒng)主要采用水浸檢測技術、藍牙網關通信技術、藍牙信標定位技術完成感應監(jiān)測和定位功能。

1.水浸檢測技術

水浸傳感器利用水的導電性，當有水接觸時，水浸感應繩兩根黑色芯線便會短接，從而發(fā)生電流的變化，根據電阻和導體長度的比例關系，通過定位水浸傳感器的感應預警值快速處理，記錄數據到內存，通過藍牙網關方式把數據遠程傳輸，或者藍牙設備載體傳輸，最快只需要一秒鐘就能反應。

2.藍牙網關通信技術

藍牙模塊通信技術是收集一定范圍的藍牙設備信息，包括mac地址、RSSI等信息，通過UART串口發(fā)給藍牙探針里面的WiFi模塊，WiFi模塊把信息傳輸到指定的UDP服務器，并能接受服務器返回的信息。UDP服務器接收到來自某個IP的T藍牙探針數據后，通過數據解析和計算，得到用戶的位置信息并且顯示在電腦前臺頁面上，終端操作人員可以下發(fā)命令到WiFi模塊，WiFi模塊再透傳到藍牙模塊，最終實現(xiàn)信息的采集和管理[3]。

3.藍牙信標定位技術

藍牙定位基于RSSI（信號強度）值，通過三角定位原理進行定位，至少知道三個點的RSSI值才能準確地計算定位（見圖2）[4]也就是說，在河道堤防及監(jiān)測站等重要建筑物內一般至少需要鋪設3個藍牙Beacon信標。當手持藍牙終端設備如藍牙手環(huán)的用戶進入藍牙網關的藍牙信號覆蓋范圍內，藍牙網關就能感應到藍牙手環(huán)的廣播信號，然后測算出藍牙終端設備的RSSI值，通過串口傳輸給網關內的WiFi模塊，藍牙網關再經過WiFi網絡傳送到后端數據服務器，通過服務器內置的定位算法測算出藍牙手環(huán)的具體位置，后端服務器則可以通過網絡把位置信息發(fā)給管理后臺和用戶。

圖2 三角定位原理圖

四、河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)應用擴展性

河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)就是從根源上通過信息化、智慧化、物聯(lián)化手段建立長效的監(jiān)測收集系統(tǒng)，通過智能監(jiān)測設備如溫度、濕度傳感器，水浸傳感器，藍牙定位模塊，分析計算等功能模塊進行河道數據采集、淹沒分析、洪水預報，服務于終端管理平臺，為水利信息化提供原始資料和數學模型率定參考，例如，洪水漫堤、暴雨點收集、涌潮觀測點潮水位侵襲、內澇等一系列場景數據和洪水預報、淹沒分析等精準的浸水地表數據。而且，系統(tǒng)具備完善的可編程模式，為今后的數字化業(yè)務轉型、智慧化數據分析及采集、第三方友好接入提供了良好的支撐。具體包含巡查、定位點、考核點、巡查點等位置標記，并把數據提供給第三方，達到建設一次可多重使用、重復利用等目的。例如，河長制系統(tǒng)巡河點、巡查狀態(tài)、巡河率等提供主要考核參數的驗證點；洪水預報系統(tǒng)洪水演進水位峰值校準的參照點，淹沒分析演示水位修正的參考點；標準化系統(tǒng)、河湖管理系統(tǒng)的信標定位點和工程介紹觸發(fā)點（見圖3）。

圖3 河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)擴展圖

由此可見，河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)不是一個單獨自成體系、自我封閉的系統(tǒng)，也不是重復建設系統(tǒng)，是一套承上啟下的數據收集及分析共享系統(tǒng)，可以接入水利相關的第三方平臺，具備較強的應用擴展性。

五、應用效益

河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)從設備和技術兩個重要方面進行突破，為河道堤防提供信息化、智慧化監(jiān)測工具，改變了人工監(jiān)測模式所面臨的困境。

首先，感應監(jiān)測收集數據以及藍牙定位傳輸等功能可以實現(xiàn)遠程數據收集并傳回第三方平臺，只要在河道堤防監(jiān)測區(qū)域進行藍牙及其他監(jiān)測設備部署，所有監(jiān)測點數據都可以通過管理平臺進行查看，一方面解決了監(jiān)測面廣、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)境以及危險區(qū)域作業(yè)的頻率，保證監(jiān)測工作的安全性。其次，河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)所收集的數據主要來自監(jiān)測點的設備，只要設備處于穩(wěn)定正常運行狀態(tài)，其采集分析出的數據模型便具備實時性、準確性、全面性等優(yōu)點，這是人工監(jiān)測模式很難達到的。人工監(jiān)測受到巡檢人、巡檢時間、上報時間等變量的影響，數據常常出現(xiàn)不準確、缺損、滯后等問題，河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)減少了人工收集數據的環(huán)節(jié)，為管理平臺提供了有力支撐。最后，河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)預留了標準化接口，與第三方服務平臺進行信息共享，減少了重復建設。

六、結語

河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)全工程所有部位的覆蓋和實時監(jiān)測，特別適用于一些地方財政比較困難、人員安排不足、物業(yè)化程度不高的管理單位，為整個河道信息采集、河道保潔、洪澇情況提供強有力的技術支撐和持續(xù)化監(jiān)測監(jiān)控，并且排除了惡劣天氣的干擾，特別在臺風期、梅汛期、自然災害期等惡劣環(huán)境下，能實時掌握河道堤防的一些參數及指標，為管理者決策和預判提供科學的參考數據。

河道堤防智慧監(jiān)測系統(tǒng)是基于河道堤防監(jiān)測所面臨的問題而建設的智慧化系統(tǒng)，其中所應用的藍牙定位、通信、感應監(jiān)測等技術具備很強的應用性，可以廣泛推廣到各類工程監(jiān)測中，針對不同工程監(jiān)測特點進行調整和優(yōu)化，這也是智慧監(jiān)測系統(tǒng)未來的探索方向。

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堤防管理是為了維護堤防工程完整，確保工程安全，充分發(fā)揮地方工程的防洪、排澇、抗風浪和風暴潮的作用，通過技術、經濟、行政、法律的手段對堤防進行管理的工作。堤防工程是防洪的屏障，堤防的安全與否直接關系保護區(qū)內的千百萬人民生命財產安全和經濟建設。由于堤防線長面廣，易受到自然的和人為活動的影響及損壞，所以堤防的管理既有工程技術層面的管理，又有社會層面的管理，相對來講社會管理難度更大。