1、系統概述

       水利大壩結構、運行環境復雜性強，設計、施工、運維不確定性大，加之部分中小型水庫大壩缺少安全監測設備，如果發生意外變形，失事后造成的災難也是極其嚴重的。因此對大壩的表面位移、水平位移、滲壓力、水庫水位、降雨量、視頻等參數進行實時監測和預警是非常必要的。利用智能感知技術、數據采集技術、無線通訊技術、云計算、大數據技術和深度學習算法，建設水庫大壩實時動態監測預警系統，該系統可以為大壩提供安全評估，保證大壩的安全運行，全面提升水庫大壩監測預警能力。
2、系統組成
  整個系統由數據感知、數據采集、數據傳輸、數據處理、數據展示五個部分組成，如圖1所示：
（1）數據感知：GNSS、沉降儀、孔隙水壓計、滲壓計、應變計、水位計、裂縫計、測斜儀、降雨（雪）、視頻等參數；
（2）數據采集系統：包括數據采集器、供電系統、避雷裝置、結構件；
（3）數據傳輸系統：數據可通過4G模塊、天通一號衛星模塊、北斗短報文模塊、Lora模塊等多種傳輸方式；
（4）數據存儲與計算：包括網關、防火墻、數據存儲服務器和數據運算服務；
（5）數據展示：現場通過全彩LED大屏顯示數據、圖片與視頻，遠程大數據平臺可以對數據進行實時展示、曲線顯示、報表分析；

3、系統特點
（1）模塊化設計，系統配置靈活：系統采用模塊化設計可任意組合，根據需要增減傳感器種類和傳感器數量，兼容多種傳輸方式，供電系統根據需求配置，多個采集器可級聯使用；
（2）多種通訊模式，數據*傳輸：可采用4G模塊、衛星模塊、loar、有限等多種數據傳輸方式，確保數據穩定可靠傳輸；
（3）低功耗設計，多種供電方式：觀測站采市電、太陽能/蓄電池以及市電+太陽能三種供電方式，保證系統在無電地區常年穩定工作；
（4）四種展示形式，數據實時查詢：可在現場通過采集器自帶的觸摸屏查看數據，LED大屏幕展示數據，互聯網大數據平臺瀏覽數據，手機APP隨時隨地下載數據；
（5）工業化設計，系統穩定可靠：采用了防雷、抗電磁干擾電路設計，安裝避雷裝置確保系統安全穩定運行；
4、硬件技術參數
（1） 數據采集器
  電源：7V-15V 輸入；
  工作溫度：工業級-40~80℃；
  處理器：ARM7 核心，32/16 位處理器，頻率 12M~44MHz，16 位 ADC；
  通道容量：18 路模擬通道（采集電壓、電流、電阻）、8 路數字通道（開關量、頻率）、3 路 RS232、2 路 RS485；
（2） 傳感器
  見 5.1。
（3） 數據傳輸
  4G 模塊：12V 供電，支持電信、移動、聯通以及國外多個網絡，數據間隔小于 1s；
  天通物聯網衛星模塊：12V 供電，支持天通一號衛星網絡，數據間隔 1s；
  北斗終端：12V 供電，支持北斗衛星傳輸，數據間隔 1min；
（4） 供電系統
  太陽能供電：確保連續陰雨天系統工作7天以上，太陽能板12V/50W,12V/80W,12/120等，電池(12V/40Ah，12V/65Ah，12V/120Ah等)，充放電控制器（12V/6A,,12V/8A，12V/10A 等）；
  市電：AC220V 轉 12V/5A,AC220V 轉 12V/10A 等；
  太陽能+市電：以上兩種方式組合
（5） 屏幕
  全彩 LED 屏幕：可根據客戶定制任意尺寸屏幕，UI 界面可定定制化設計，可圖形化展示文字、圖片，視頻；
  單紅 LED 屏幕：可定制任意尺寸屏幕，顯示文字信息；
5、監測參數與監測方法

圖2  監測方式

   監測參數包括表面位移、內部變形、浸潤線監（水位監測、孔隙水壓力監測）、應力應變監測、裂縫監測、庫水位監測、降雨量監測、視頻監測。

5.1表面位移
   壩體表面位置及變化速率(平面位移和垂直沉降)，確定大壩整體位移和變形的情況是確定壩體安全性的重要指標。表面位移常用的監測采用GNSS和沉降儀進行監測。
（1）GNSS測量
  GNSS采用北斗、GPS、GLONASS等衛星導航系統，通過高精度定位解算，可實現毫米級精確定位，可對壩體實現高精度的位移形變監測。

工作原理
   各北斗監測點與參考點接收機實時接收北斗信號，并通過數據通訊網絡實時發送到控制中心，控制中心服務器北斗數據處理軟件解算出各監測點三維坐標，數據分析模塊獲取各監測點三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監測點變化量。
技術參數

（2）沉降儀
  液壓式沉降儀是用于長期監測構筑物內外部的沉降，廣泛適用大壩、橋梁、邊坡、地基、公路路堤、工民用建筑等，以及回填土體的內、外部沉降變形的監測。液壓式沉降儀分辨率高、穩定性好、響應速度快，輸出信號為 RS485 數字量，同步測量埋設點的溫度。

工作原理
  當傳感器和儲液罐之間的高差產生變化時，傳感器感應膜上的壓力同時產生變化，壓力使感應膜的全橋硅片發生形變，形變轉化的電信號經電纜傳輸至采集裝置，即可測出觀測點的沉降變化量。傳感器與儲液罐由通液管相通，傳感器所受的壓力與到儲液罐液面的高度有關。儲液罐自帶硅壓傳感器，測量儲液罐內液位的變化量，用以修正測量點的測量值。
技術參數

（3）拉線位移傳感器
  拉線位移傳感器用于野外環境的主要用于地表位移監測。壩體位移是大壩自動監測的重點內容。
工作原理
  將機械位移量轉換成可計量的、成線性比例的電信號。當被測物體產生位移時，拉動與其相連接的傳感器繩索，繩索帶動傳感器傳動機構與編碼器同步轉動；當位移反向移動時，傳感器內部的自動回旋裝置將自動收回繩索，并在繩索伸收過程中保持其張力不變；從而輸出一個與繩索移動量成正比例的電信號。

圖7  內部形變監測示意圖

技術參數

5.3 浸潤線監測
  浸潤線是水從土壩(或土堤)迎水面，經過壩體向下游滲透所形成的自由水面和壩體橫剖面的相交線。浸潤線是大壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關系到壩體穩定及安全性狀，當浸潤線埋深為0m，可產生管涌，是直接導致潰壩的原因。因此，對于浸潤線位置的監測是水庫安全監測的重要內容之一。監測時在壩體內鉆孔埋設水位管，水位管內放入孔隙水壓計，實時監測測壓管內水位，繪制浸潤面，判斷壩體內水位的變化，結合理論分析，對壩體安全進行評估。

5.4 應力應變監測
  混凝土應力監測包括混凝土壩內部及土石壩混凝土應力面板等。混凝土面板應力觀測的項目，包括面板混凝土應變、無應力應變、鋼筋應力和溫度。面板混凝土應變觀測，各測點的觀測儀器應成組布置，并位于同面板平面平行的同一平面內。一般布置二向儀器組。混凝土應力監測選用內埋式應變計。
5.5 裂縫監測
  在混凝土硬化過程中，由于混凝土脫水，引起收縮，或者受溫度高低的溫差影響，引起脹縮不均勻而產生的裂縫。在土木工程質量檢測中常使用測縫儀（測縫計）進行監測，測縫儀（測縫計）適用于長期埋設在水工建筑物或其它混凝土建筑物內或表面，測量結構物伸縮縫或周邊縫的開合度（變形），并可同步測量埋設點的溫度。

圖9  裂縫監測示意圖

技術參數

圖10  庫水位監測示意圖

技術參數

5.7 降雨量監測

 降雨量自動化監測采用翻斗式雨量計傳感器進行監測。雨水由承水器收集—經過進水閥—進入貯水室—水位上升—浮子上升—傳感器讀取數據—微機控制電路輸出無源脈沖。
5.8 視頻監測
  視頻用于監測閘門運行狀態、水庫水雨情實況、大壩周邊環境等
6、大數據平臺
  大數據平臺操作簡潔，容易上手。支持監測數據的查看，處理，分析，評價，管理等需求。為每個客戶分配權限，安全可靠，用戶可登陸系統查看下載數據， 登錄界面如圖所示：

（1）地理信息系統
  將監測站采集的氣象、水質、水文、環保、路面狀態等數據匯入系統。對數據的分類存儲、顯示、管理。實現地理信息、數據、基本信息和進行關聯，地理信息界面見圖：