基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水電站群大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測方法

朱 杰

(南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

水電站群大壩的實時監(jiān)測是一項十分復(fù)雜且繁瑣的工作，涉及較多的關(guān)聯(lián)裝置，對區(qū)域范圍之內(nèi)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)甚至人們的日常生活都會產(chǎn)生極大的影響。目前階段，隨著社會對水資源開發(fā)利用規(guī)模的擴大及需求的增長，大壩的覆蓋面積以及供水區(qū)域也在不斷擴展延伸，為確保大壩的應(yīng)用穩(wěn)定性，相關(guān)人員會對水電站群的大壩進行實時性的遠(yuǎn)程監(jiān)控，初始的大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測多為單向，文獻[1]和文獻[2]，設(shè)定傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測方法、傳統(tǒng)遠(yuǎn)程紅外大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測方法，這一類形式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的監(jiān)測任務(wù)及目標(biāo)，但是缺乏針對性與穩(wěn)定性，再加上外部環(huán)境及特定因素的影響，導(dǎo)致最終得出的監(jiān)測結(jié)果無法達到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)[3]。不僅如此，當(dāng)前的監(jiān)測結(jié)構(gòu)一般為單向的，效率較低，所部署的監(jiān)測節(jié)點數(shù)量較少，這也是導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)誤差的重要因素之一[4]。為此提出對基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水電站群大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測方法的設(shè)計與驗證分析。所謂無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要指的是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)頒布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成定向識別技術(shù)，多是由傳感器、通信模塊以及處理單元所組成，節(jié)點會將數(shù)據(jù)、信息傳輸?shù)教幚碇行闹校源罄m(xù)使用。將該項技術(shù)與水電站群大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測工作進行融合，一定程度上可以進一步擴大當(dāng)前的監(jiān)測范圍，逐步形成更加靈活、多變的識別監(jiān)測結(jié)構(gòu)，加深對大壩的遠(yuǎn)距離識別與監(jiān)測[5]。此外，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的輔助下，觀測數(shù)據(jù)、監(jiān)測信息的匯總處理效率也明顯提高，智能化監(jiān)測模型慢慢取代傳統(tǒng)監(jiān)測模型，凸顯自身的監(jiān)測特性，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新提供參考依據(jù)[6]。

1 設(shè)計大壩遠(yuǎn)程無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測方法

1.1 基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息采集

水電站大壩的狀態(tài)監(jiān)測是一項十分復(fù)雜且繁瑣的工作，需要人工調(diào)動及在線設(shè)備的輔助，結(jié)合得出的數(shù)據(jù)、信息對異常情況作出解析，以此來得出最終的監(jiān)測結(jié)果[7]。因此，先進行基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息采集。先將微型傳感器接入實時監(jiān)測控制程序之中，與之關(guān)聯(lián)的監(jiān)測設(shè)備主要包括沉降監(jiān)測儀、位移監(jiān)測裝置、滲流監(jiān)測節(jié)點等。明確大壩的監(jiān)測位置和具體的范圍，結(jié)合3S定位技術(shù)，在大壩的覆蓋范圍之內(nèi)進行識別模塊的劃分[8]。

利用3S定位技術(shù)，對各個模塊標(biāo)點，設(shè)置靜態(tài)定位水平精度比為3.2～4.6之間，動態(tài)定位水平精度比為16.35～18.11之間。在此基礎(chǔ)之上，還可以在內(nèi)置控制結(jié)構(gòu)中增設(shè)沉降傳感器。鎖定好基準(zhǔn)點、識別點和監(jiān)測點，作為固定參考物，分2個監(jiān)測階段設(shè)置監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息采集表

結(jié)合表1，實現(xiàn)對基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的采集，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的獲取之后，對大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測多維測定。

1.2 部署多目標(biāo)無線傳感網(wǎng)絡(luò)識別監(jiān)測節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點的部署需要結(jié)合大壩的監(jiān)測位置、狀態(tài)以及需求等信息，延長網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實踐周期的同時，擴大監(jiān)測的范圍，加強對監(jiān)測誤差的等效控制。節(jié)點的部署一般采用移動的形式，大致可以劃分為靜態(tài)節(jié)點和動態(tài)節(jié)點。將內(nèi)置的傳感器與節(jié)點感知程序相連接，劃定可控的識別監(jiān)測空間，鎖定具體的節(jié)點感知范圍之后，測算出此時的歐氏距離：

(1)

式中，K—歐氏距離；r—監(jiān)測覆蓋范圍；—監(jiān)測誤識率；w—監(jiān)測單元常數(shù)值；g—識別范圍。

結(jié)合當(dāng)前得出的歐氏距離，設(shè)置識別監(jiān)測節(jié)點的間距，同時，在水電站的大壩多個位置、多個方向、多個項目部署目標(biāo)節(jié)點，由核心節(jié)點作為控制引導(dǎo)，形成多層級、多目標(biāo)、多標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)狀大壩識別監(jiān)測結(jié)構(gòu)，一定程度上可以完善、細(xì)化監(jiān)測結(jié)構(gòu)，凸顯節(jié)點的輔助監(jiān)測優(yōu)勢，強化后續(xù)的監(jiān)測效果。

1.3 構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測模型

結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計水電站大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測模型。首先，利用部署的節(jié)點進行實時數(shù)據(jù)的采集以及匯總，以待后續(xù)使用，依據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，在模型中設(shè)定多個監(jiān)測層級，包括遠(yuǎn)程監(jiān)測物理層、數(shù)據(jù)識別鏈路層、無線網(wǎng)絡(luò)共享層、數(shù)據(jù)信息傳輸層以及監(jiān)測應(yīng)用層，對應(yīng)的監(jiān)測層級執(zhí)行順序如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1，實現(xiàn)對無線傳感網(wǎng)絡(luò)大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實踐分析。當(dāng)前結(jié)合大壩的遠(yuǎn)程監(jiān)測距離以及區(qū)塊劃分，在模型中還需要構(gòu)建一個定向的遠(yuǎn)程監(jiān)測矩陣，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，計算出可控監(jiān)測同步差值：

Q=ρ2×θ(m+n)-σ

(2)

式中，Q—可控監(jiān)測同步差值；ρ—傳感距離；θ—監(jiān)測識別誤差；m—總同步范圍；n—堆疊同步范圍；σ—堆疊區(qū)域。

將其設(shè)定在矩陣之中，導(dǎo)入模型內(nèi)部，輔助模型對大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測共享及傳輸誤差的約束限制，提升模型的整體監(jiān)測效果，并強化安全監(jiān)測速率，強化模型自身的能力。

1.4 層次化綜合輔助預(yù)警實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測

由于當(dāng)前水電站的大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測結(jié)果大多存在綜合性態(tài)的模糊，所以，此次在接入無線傳感網(wǎng)絡(luò)的背景下，采用層次化綜合輔助預(yù)警的方式提升監(jiān)測精度，對異常位置作出綜合診斷。制定大壩監(jiān)測預(yù)警結(jié)構(gòu)，計算出權(quán)重值之后，建立層次化的預(yù)警評價因素集，通過上訴設(shè)計的模型對當(dāng)前存在異常的位置作出標(biāo)定，一旦發(fā)生異常，內(nèi)置程度會根據(jù)異常的等級進行層次化綜合預(yù)警處理，如圖2所示。

圖2 層次化綜合輔助預(yù)警流程

根據(jù)圖2，完成對層次化綜合輔助預(yù)警流程的設(shè)計，利用上述設(shè)計的模型，同時對大壩的實時監(jiān)測異常信息進行轉(zhuǎn)化處理，通過接收基站和傳輸基站送達至預(yù)設(shè)的位置上，以待后續(xù)的監(jiān)測分析，也進一步提升整體的監(jiān)測精準(zhǔn)度。

2 方法測試

此次主要是對基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水電站群大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測方法的實際應(yīng)用效果進行分析與驗證研究，考慮到最終測試結(jié)果的真實性與可靠性，采用對比的方式展開分析，選定H區(qū)域的水電站群大壩作為測試的主要目標(biāo)對象，鎖定4個位置的大壩進行初始研究。參考文獻設(shè)定傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測小組、傳統(tǒng)遠(yuǎn)程紅外大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測小組以及此次所設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測小組，根據(jù)當(dāng)前的測定需求及標(biāo)準(zhǔn)，對最終得出的測試結(jié)果比照研究，接下來，綜合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進行初始測試環(huán)境的設(shè)定。

2.1 測試準(zhǔn)備

結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對H區(qū)域的水電站群大壩實時監(jiān)測方法測試環(huán)境進行設(shè)定及關(guān)聯(lián)搭接。通常情況下，水電站群大壩以發(fā)電為主，同時還需要在特定的時間季節(jié)保障附近作物的灌溉、排澇防洪、綜合養(yǎng)魚，所以，設(shè)置一個穩(wěn)定、具體的遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)構(gòu)是確保日常工作處理的關(guān)鍵手段之一。先進行遠(yuǎn)程監(jiān)控基礎(chǔ)任務(wù)的確定，具體為：①日常發(fā)電、供電、電力調(diào)度數(shù)據(jù)實時監(jiān)測；實地勘探；信息化管理。②通過“水電站群信息管理中心”輔助日常工作執(zhí)行處理。③水電站自動采集站設(shè)定；水位監(jiān)測裝置布設(shè)；大壩實時監(jiān)測程序?qū)搿＂軜?gòu)建大壩實時監(jiān)測無線通信基站或者中繼站、無線接收站或者信息中心站。⑤大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測滲壓點、滲流點、閘門自動控制、實時狀態(tài)傳輸監(jiān)測等設(shè)定。

將上述制定的大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測目標(biāo)任務(wù)通過軟件進行轉(zhuǎn)換，組建相對應(yīng)的指令導(dǎo)入可控的監(jiān)測系統(tǒng)之中，以待后續(xù)的使用。接下來，將系統(tǒng)接入無線傳感網(wǎng)絡(luò)之中，構(gòu)建一個循環(huán)性的監(jiān)測執(zhí)行測試結(jié)構(gòu)，進行基礎(chǔ)測試指標(biāo)的設(shè)置，見表2。

表2 大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)設(shè)定表

根據(jù)表2，完成對大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整，接下來，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分化解析，并設(shè)計相匹配的遠(yuǎn)程監(jiān)測信道重發(fā)機制，便于后續(xù)的監(jiān)測輔助。需要注意的是，監(jiān)測重發(fā)機制的設(shè)計需要與地面上的監(jiān)測點識別基站、收發(fā)基站、傳送基站建立映射關(guān)系，縮短后續(xù)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總與傳送，至此完成基礎(chǔ)測試環(huán)境的搭建，接下來，針對方法進行具體測驗。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

在上述搭建的測試環(huán)境之中，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對H區(qū)域水電站群大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測方法作出定向測試與實踐分析。上文在該區(qū)域隨即選擇標(biāo)定了4個大壩進行遠(yuǎn)程監(jiān)測處理，可以先在明確大壩的覆蓋服務(wù)范圍，在可控的區(qū)域之內(nèi)，加設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測定位節(jié)點，便于實時數(shù)據(jù)以及信息的采集。

但是部署的節(jié)點必須連接在一起，平時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)大壩出現(xiàn)異常時，會立即啟動，在預(yù)設(shè)的間隔周期之內(nèi)完成目標(biāo)的處理，便于后續(xù)構(gòu)建循環(huán)性的安全監(jiān)測空間，降低監(jiān)測問題及誤差的出現(xiàn)。在節(jié)點的控制結(jié)構(gòu)中安裝抗干擾裝置，并對具體的位置加密保護。在系統(tǒng)中模擬大壩的監(jiān)測狀態(tài)，具體如圖3所示。

結(jié)合圖3，完成對大壩監(jiān)測狀態(tài)的模擬，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)下達異常測試指令，通過監(jiān)測界面進行輔助解析，最終測定計算出監(jiān)測異常響應(yīng)時間：

(3)

式中，G—監(jiān)測異常響應(yīng)時間；χ—監(jiān)測范圍；t—定向監(jiān)測頻次；l—單元檢測差值；η—堆疊范圍。

解析得出的測試結(jié)果，如圖4所示。

圖4 測試結(jié)果對比分析

根據(jù)圖4，完成對測試結(jié)果的分析：對比于傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測小組、傳統(tǒng)遠(yuǎn)程紅外大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測小組，此次所設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測小組最終得出的監(jiān)測異常響應(yīng)時間被較好地控制在0.25s以下，說明在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的輔助下，當(dāng)前對于大壩的異常遠(yuǎn)程監(jiān)測速度較快，針對性更強，具有實際的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

總而言之，以上便是對基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水電站群大壩遠(yuǎn)程安全監(jiān)測方法的設(shè)計與驗證分析。大壩的遠(yuǎn)程安全監(jiān)測一般與周圍的環(huán)境、日常的管控需求、監(jiān)測范圍的變動等存在最為直接的關(guān)系，所以，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)，鎖定水電站群大壩的具體位置，明確各個大壩之間距離的同時，將部署的節(jié)點進行搭接與關(guān)聯(lián)，形成循環(huán)性的安全監(jiān)測結(jié)構(gòu)，更加靈活、多變，自身具有較強的針對性。不僅如此，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的接入，還可以最大程度縮短對于大壩的實施監(jiān)測信息傳輸耗時，一旦出現(xiàn)異常情況，也可以節(jié)省時間，為后續(xù)大壩結(jié)構(gòu)的維護及補休奠定基礎(chǔ)，營造穩(wěn)定環(huán)境的同時，創(chuàng)新升級遠(yuǎn)程安全監(jiān)測技術(shù)。