一种基于物联网的大坝安全监测系统及方法与流程

本发明涉及岩土工程安全监测技术领域，尤其涉及一种基于物联网的大坝安全监测系统及方法。

背景技术：

传统的大坝结构安全监测，按照工程建设的时间顺序，分为三个阶段，分别为施工期、初次蓄水期和运行期的监测。在施工期，传感器根据工程进度，陆续埋入大坝等建筑物，监测以人工为主，通过读数仪读数的方式进行。在初次蓄水期，由于监测站附属设施没有完全竣工，可以实现半自动化的监测。在运行期，才能组建自动化的监测系统，实现自动化监测。

传统的大坝结构安全监测系统由各类传感器、数据采集装置和数据汇聚中心组成。位于一定范围内的多只传感器通过拉电缆的连接方式集中到数据采集装置进行测量，然后通过通信设备以有线或无线的通信方式把传感器测量数据送到数据采集计算机或远程数据中心。这类监测系统具有如下特点：施工期、初次蓄水期和运行期，采用不同的监测方式，从手工、半自动化逐步过渡到自动化监测，特别是施工期不能实现自动化监测，需要耗费大量的人力和物力；大量传感器分散安装在大坝不同的安装区域，传感器通过电缆连接到数据采集装置，需要消耗大量电缆，材料成本高，施工难度大、人力成本高；数据采集装置需要兼顾接入不同类型的各类传感器，电路设计复杂、成本高；数据采集装置和数据汇聚中心的通信，分为有线或无线的方式，数据采集装置需要兼顾不同的通信方式，差异性大，设计复杂；一台数据采集装置接入的传感器的数量有限，对于需要接入大量传感器的监测应用，需要多台数据采集装置组网，组网后与采集计算机或远程数据中心联络，导致系统组成结构复杂；数据采集装置需要兼顾接入的所有传感器的监测原理、监测频次的要求，由于各部分功耗不平衡，采集装置总体功耗大。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明提出一种基于物联网的大坝安全监测系统及方法，利用“云管边端”的系统架构实现系统中各组件之间的无线网络传输以及云平台数据服务，有效简化了安全监测系统结构设置，降低施工布置以及使用成本，使工作人员能够通过多种方式获得数据，提升安全监测便利性及有效性。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：

一种基于物联网的大坝安全监测系统，包括云侧架构、管侧架构、端侧架构；

所述云侧架构包括云平台运营模块、数据采集模块、数据共享模块、通用展示模块、数据预警模块；所述云平台运营模块包括用户运营管理子模块；所述数据采集模块接收端侧架构发送的传感器数据并处理为有效数据；所述数据共享模块控制有效数据的共享权限设定，所述共享权限包括通用与特殊；所述通用展示模块将共享权限为通用的有效数据进行整理并以可视化方式展示；所述数据预警模块将有效数据与预设的预警阈值进行比对并对超出预警阈值的情况发出预警信息；

所述管侧架构包括网关以及连接云侧架构与端侧架构的有线数据通信通道和/或无线数据通信通道；所述网关为连接端侧架构与云侧架构的网络关口，所述端侧架构与云侧架构通过所述网关进行双向数据通信；

所述端侧架构包括若干个端侧终端，所述端侧终端包括传感模块、智能计算模块和接口模块；所述传感模块包括一个或多个大坝监测传感器，所述大坝监测传感器包括敏感元件以及信号转换输出单元，所述敏感元件感受大坝被测量并将所述大坝被测量经信号转换输出单元转化为电信号信息；所述智能计算模块包括信号调理单元、数据处理单元和数据存储单元，所述信号调理单元接收信号转换输出单元输出的电信号信息并整合转换为待处理数据，所述数据处理单元将待处理数据处理为传感器数据，所述数据存储单元存储待处理数据和传感器数据；所述接口模块连接管侧架构并通过管侧架构中的网关与云侧架构进行双向数据通信。

进一步地，所述系统还包括边侧架构，所述边侧架构包括设置在边缘网络上的辅助数据处理模块；所述辅助数据处理模块包括辅助计算单元和辅助存储单元，所述辅助计算单元利用边缘网络计算资源对待处理数据进行预处理、辅助处理和/或并行处理减少系统请求响应时间并减少网络带宽占用，并将辅助计算处理后的数据存储至辅助存储单元；所述边侧架构通过管侧架构中的网关分别与云侧架构和端侧架构进行双向数据通信。

进一步地，所述用户运营管理子模块包括用户注册、用户组、用户关系管理、用户权限管理和系统升级维护功能应用；所述数据采集模块将端侧架构发送的传感器数据处理为有效数据包括对端侧架构发送的传感器数据的验证、清洗、透传和/或转发；所述数据共享模块还包括有效数据向用户设备的推送管理以及用户设备针对有效数据的数据查询管理；所述数据预警模块还包括预警信息的存储、整理和分析。

进一步地，所述有线数据通信通道为以电线或光纤维媒介的数据通信通道；无线数据通信通道包括近距离无线通信通道和远距离无线通信通道，所述近距离无线通信通道包括zigbee、wifi和bluetooth，所述远距离无线通信通道包括gprs、cdma、lte、nbiot和lora。

进一步地，所述大坝监测传感器包括孔隙压力及水位传感器、应力/应变传感器、压力及荷载传感器、沉降位移传感器、表面及内部变形传感器、温度传感器和/或环境量传感器；所述系统还包括独立设置的专项检测设备，所述专项检测设备包括gps位移监测系统、与gps位移监测系统相配套的蓄电池和/或太阳能供电系统以及视频采集系统。

进一步地，所述端侧终端为传感模块、智能计算模块和接口模块物理上相连接集成的一体式结构，或，所述端侧终端为传感模块、智能计算模块和接口模块物理上相分离的分体式结构。

进一步地，所述云侧架构还包括与管侧架构、端侧架构数据连接的数据汇聚云平台，所述数据汇聚云平台包括相互数据连接的网络服务器、应用服务器、网络控制服务器和客户服务器；所述数据汇聚云平台接收端侧的上行数据，并通过网关提供下行的配置和命令。

一种如上述基于物联网的大坝安全监测系统的应用方法，包括以下步骤：

s1、在施工期埋设应力/应变传感器、温度传感器、压力及荷载传感器、沉降位移传感器、和/或变形传感器；将各所述传感器的信号引线接入端侧架构的智能计算模块和接口模块；

s2、施工期监测，配置在施工期埋设的各传感器使传感器与数据采集模块正常交互通信连接，通过数据采集模块设置施工期的数据采集策略并通过数据预警模块设置施工期预警阈值，各传感器产生的有效数据在云侧架构展示或进行预警；

s3、在初次蓄水期安装环境量传感器、渗压/渗流量传感器和/或外部变形传感器，并将各传感器引线接入端侧架构的智能计算模块和接口模块；所述环境量传感器包括水位传感器、水温传感器和/或降雨量传感器；所述渗压/渗流量传感器包括孔隙压力及水位传感器；所述外部变形传感器包括水平位移和垂直位移传感器；

s4、初次蓄水期监测，配置在初次蓄水期安装的各传感器使传感器与数据采集模块正常交互通信连接，通过数据采集模块设置初次蓄水期的数据采集策略并通过数据预警模块设置初次蓄水期预警阈值，各传感器产生的有效数据在云侧架构展示或进行预警。

进一步地，所述步骤s2还包括安装使用专项检测设备，所述专项检测设备包括gps位移监测系统以及相配套的蓄电池和/或太阳能供电系统；所述步骤s4还包括安装使用视频采集系统。

进一步地，所述方法还包括以下步骤：

s5、运行期监测，在运行期根据使用需要调整数据采集模块的数据采集策略和/或数据预警模块的预警阈值。

本发明的有益效果为：

采用本发明所述基于物联网的大坝安全监测系统及方法，构建“云管边端”的系统架构，使用网关连接云侧架构以及端侧架构，使大坝监测传感器产生的大量数据有效汇总并通过无线方法传输，实现基于物联网系统架构的低带宽、低功耗、远距离数据交换，非常适用于大坝施工及运行维护过程中的数据监测需要，能够有效减少大坝在施工以及运行过程中的数据监测难度和维护投入，降低人力成本；通过对数据在云侧架构的处理以及集中展示，能够方便工作人员及时有效的获取到所需要的信息，可以利用多种用户设备如电脑、手机、平板等接入并获得数据，使用更加便捷；通过使用本发明所述系统及方法可以对大坝施工及运行全过程进行安全监测，避免监测系统的重复投资，用户只需根据实际需求调整系统的数据采集策略和预警阈值即可适应大坝在不同阶段的安全监测需要。

附图说明

图1为本发明基于物联网的大坝安全监测系统结构示意图。

图2为本发明基于物联网的大坝安全监测方法流程示意图。

图3为本发明网关结构示意图。

图4为分体式结构端侧终端与一体式结构端侧终端示意图。

图5为数据汇聚云平台示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

本发明为了解决现有大坝监测系统的不足，提出一种基于物联网的大坝安全监测系统，结构如图1所示，包括云侧架构、管侧架构、端侧架构以及边侧架构，即构建“云管边端”。

所述云侧架构提供云平台服务，包括云平台运营模块、数据采集模块、数据共享模块、通用展示模块、数据预警模块；所述云平台运营模块包括用户运营管理子模块，实现用户运营管理功能，实现用户的注册，用户组，用户关系管理，用户权限管理，系统升级维护功能；所述数据采集模块接收端侧架构发送的传感器数据并处理为有效数据，实现端侧架构设备的快速接入，设备协议解析，海量数据收集处理，分布式存储，数据的验证，清洗，透传，转发，与设备的基础通讯功能等；所述数据共享模块控制有效数据的共享权限设定，所述共享权限包括通用与特殊，同时实现数据的发布权限管理、数据推送管理、数据查询接口；所述通用展示模块将共享权限为通用的有效数据进行整理并以可视化方式展示，实现数据合成，分析，整编功能，设备状态实时监控，设备远程控制，数据图表形式的显示；所述数据预警模块将有效数据与预设的预警阈值进行比对并对超出预警阈值的情况发出预警信息，实现预警信息采集，预警信息管理，预警信息发布，预警系统配置管理，预警信息数据接口管理。

所述管侧架构包括网关以及连接云侧架构与端侧架构的有线数据通信通道和/或无线数据通信通道，有线通信指一切以电线和光纤为媒介的通信方式，常用来传输声音、文字、数据和图像。常用的有以太网和rs485等；无线通信指多个节点间不经由导体和缆线传播的通信方式。常用的近距离无线通信主要有zigbee、wifi和bluetooth等，远距离无线通信主要有gprs(2g)、cdma(2g/3g)、lte(4g)、nbiot和lora等；所述网关为连接端侧架构与云侧架构的网络关口，所述端侧架构与云侧架构通过所述网关进行双向数据通信。网关通过射频收发器与端侧终端(即端侧架构)双向通信，包括接受配置文件中指定的频点和数据率的数据和以一定的频点、数据率和功率发送射频数据包给端侧终端。网关的组成如图3所示，包括射频模块和协议转换模块，射频模块包括射频发射器和射频接收器，简称射频收发器，射频模块与接口模块之间进行通信形成网关与端侧架构之间进行双向通信的通信通道；协议转换模块的主要功能是数据处理，充当端侧架构与云侧架构之间的通信协议转换器，它通过射频模块接收端侧架构发来的上行数据(传感/状态数据)，并把上行数据进行协议转换，再发给云侧架构；同时，接收云侧架构下发的命令数据，并把命令数据通过射频模块下发给端侧架构。

所述端侧架构包括若干个端侧终端，所述端侧终端包括传感模块、智能计算模块和接口模块，端侧终端也可称为云终端；所述传感模块包括一个或多个大坝监测传感器(例如，包括孔隙压力及水位传感器、应力/应变传感器、温度传感器、压力及荷载传感器、沉降位移传感器、表面及内部变形传感器和/或环境量传感器)，尤其优选的是在一个传感模块内只集成一个能够同时感受多种相关被测量的大坝监测传感器，以减小传感模块整体体积以及运行功率；所述大坝监测传感器包括敏感元件以及信号转换输出单元；所述敏感元件感受大坝被测量，所述大坝被测量经信号转换输出单元转化为电信号信息；所述智能计算模块包括信号调理单元、数据处理单元和数据存储单元，所述信号调理单元接收信号转换输出单元输出的电信号信息并整合转换为待处理数据，所述数据处理单元将待处理数据处理为传感器数据，所述数据存储单元存储待处理数据和传感器数据；所述接口模块连接管侧架构并通过管侧架构以及网关与云侧架构进行双向数据通信。端侧终端按照传感模块的不同测量原理可分为振弦式、差阻式、电位计式等端侧终端；按照输出信号的不同，可分为标准电流、电压端侧终端；按照监测物理量的不同，可分为应力、应变、位移、降雨量端侧终端等。如图4所示，所述端侧终端可以为传感模块、智能计算模块和接口模块物理上相连接集成的一体式结构，或，所述端侧终端为传感模块、智能计算模块和接口模块物理上相分离的分体式结构。

所述边侧架构包括设置在边缘网络上的辅助数据处理模块；所述辅助数据处理模块包括辅助计算单元和辅助存储单元，所述辅助计算单元利用边缘网络计算资源对待处理数据进行预处理、辅助处理和/或并行处理减少系统请求响应时间并减少网络带宽占用，辅助存储单元用于存储辅助计算单元进行辅助计算处理后的数据；所述边侧架构通过管侧架构以及网关分别与云侧架构和端侧架构进行双向数据通信。所述边侧架构具备非常强的边缘计算能力，适用于对网络时效(延时)和网络带宽比较敏感的应用，主要功能是计算和存储，其所使用的边缘计算指在网络的边缘来处理数据，这样能够减少请求响应时间，减少网络带宽，同时保证数据的安全性。

所述云侧架构还包括与管侧架构、端侧架构连接的数据汇聚云平台，所述数据汇聚云平台是lpwanserver，包括一系列服务器组成，ns(networkserver，网络服务器)、as(applicationserver，应用服务器)、nc(networkcontroller，网络控制服务器)和cs(customerserver，客户服务器)，各服务器均带有各自的数据库(database)，其组成如图5所示。网络服务器ns可以连接1个或多个网关，也可以连接1个或多个as和nc；ns记录每个端侧终端的信息，检验来自于端侧终端的传感器数据的合法性和封装下行rf数据包；应用服务器as可以连接1个或多个ns和cs；as负责rf数据包的应用数据加密和解密，as记录每个端侧终端的信息；网络控制服务器nc可以连接1个或多个ns。nc负责控制rf参数，端侧终端的通信速率/发射功率/选择最佳网关通信由它控制；客户服务器cs可以连接1个或多个as。cs是用户自定义的服务器，除了接口协议外，它具备高度的灵活性，实现数据存储和数据展示。

优选地，本发明所述系统还包括独立设置的专项检测设备，该专项检测设备包括gps位移监测系统、与gps位移监测系统相配套的蓄电池和/或太阳能供电系统以及视频采集系统。

本发明还涉及一种基于物联网的大坝安全监测方法，或者称为是如上述基于物联网的大坝安全监测系统的应用方法，如图2所示，包括以下步骤：

s1、在施工期埋设应力/应变传感器、温度传感器、压力及荷载传感器、沉降位移传感器、和/或表面及内部变形传感器；将各传感器的信号引线设置在不影响施工过程位置并接入端侧架构的智能计算模块和接口模块；

s2、施工期监测，配置在施工期埋设的各传感器使传感器与数据采集模块正常交互通信连接，通过数据采集模块设置施工期的数据采集策略并通过数据预警模块设置施工期预警阈值，安装使用专项检测设备，所述专项检测设备包括gps位移监测系统以及相配套的蓄电池和/或太阳能供电系统，各传感器产生的有效数据在云侧架构展示或进行预警；

s3、在初次蓄水期安装环境量传感器、渗压/渗流量传感器和外部变形传感器，并将各传感器引线接入端侧架构的智能计算模块和接口模块；所述环境量传感器包括水位传感器、水温传感器、和/或降雨量传感器；所述渗压/渗流量传感器包括孔隙压力及水位传感器；所述外部变形传感器包括水平位移和垂直位移传感器；

s4、初次蓄水期监测，配置在初次蓄水期安装的各传感器使传感器与数据采集模块正常交互通信连接，通过数据采集模块设置初次蓄水期的数据采集策略并通过数据预警模块设置初次蓄水期预警阈值，安装使用视频采集系统，各传感器产生的有效数据在云侧架构展示或进行预警；

s5、运行期监测，在运行期根据使用需要调整数据采集模块的数据采集策略和/或数据预警模块的预警阈值。

本发明所述基于物联网的大坝安全监测的系统及方法，基于物联网系统架构的低带宽、低功耗、远距离的低功耗广域网lpwan(lowpowerwideareanetwork)技术，适用于传感器分散布置，仪器电缆不集中引线的情况，在仪器安装初期优越性明显。尤其适合在大坝基坑开挖期、填筑期等施工过程中的监测，从基坑开挖开始就可以形成监测自动化布局，并且只需在坝体两端的坝肩处各设置1台网关，即可实现大坝基坑、包括边坡等整个施工区域电缆敷设至表面的监测仪器的数据采集。

该项目所用的端侧架构可以选择两种，分别是单通道/六通道的振弦式传感器、测量应力/应变/温度等物理量；单通道/六通道的差阻式、电位计式、标准电压电流量传感器。

数据汇聚云平台通过网关上传的传感器数据汇聚，并进行传感器的数据存储、查询和展示。另外，数据汇聚云平台还向网关、端侧架构提供下行的配置和命令。

本发明构建了无线传输网络：端侧架构作为无线终端与网关间采用无线射频传输，无线网关与数据汇集云平台(服务器/云平台)采用2g/3g/4g/fe无线或有线网络通讯。现场网络采用无需配置的星型拓扑结构，一台无线网关最多支持65535个无线终端的连接，可实现区域内密集布网的需求。

本发明实现了自适应组网：无线端侧终端采用网关自适应算法智能组网技术，即使在同一区域存在多个网关也可以自主匹配网关并快速建立连接，无需用户参与。无线网关替代性强，如出现故障只需更换新的网关，并且不必做任何设置即可接续前网关继续工作。

本发明实现了远距离传输：无线端侧终端与无线网关间采用无线扩频通信技术，接收灵敏度高，无线网关覆盖视距范围可达5-10km。

本发明低功耗：采用lpwan技术的无线端侧终端功耗低，采用定时唤醒和分时通讯机制将能耗降到最低，内置一节3.6v、7ah的一次性电池，可以连续工作3～5年以上。

在传感器配置与读数上：端侧终端在休眠状态下可随时使用磁性钥匙实现唤醒，可利用安装有app的手机通过蓝牙与设备连接，在app上可以对端侧终端进行配置、测量和读取无线终端存储的测量数据。

根据使用需要可以进一步建立系统设备管理界面，该管理界面可以提供系统在线状态/无线信号质量/设备状态信息，其中在线状态提示该终端当前是否在线，最后一次报数或设备状态的时刻；无线信号质量包含终端所在位置的接收信号强度和信噪比；设备状态信息包含电池电压/电池剩余容量/电池温度等参数。

数据汇聚云平台根据在线状态/无线信号质量/设备状态等信息综合判断端侧架构(各端侧终端)的设备状态。数据汇聚云平台提供端侧架构上报的监测物理量的过程曲线/分布图/相关图/三维图等展示界面。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。