水工结构施工期监测感知技术应用研究

水工结构施工期监测感知技术应用研究

李文祥

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摘要：施工期是水工建筑物应力调整、变形发展的主要时期，各结构性态参量的发展变化较快，且与建筑物的施工质量控制密切相关。施工期建立健全监测系统和设施，进行有效的监测与管理。开展在线监测感知技术应用研究，确保水工建筑物的结构安全， 及时、准确、全面掌握和监控施工期水工建筑物的工作性态，保障水工建筑物的施工质量和安全，反馈设计并指导施工进度，最终确保水工建筑物顺利进入运行管理。

关键词：水工结构；施工；监测感知；传感互联网

1意义

在施工期，专业人员通过便携式读数仪定期到现场采集安全监测数据。由于施工期监测站尚未具备建立条件，传感器信号电缆未汇聚，监测点分散在各个监测断面，人工观测方式劳动强度大、效率低，采集数据频次低，数据处理及时性不高，很难满足施工期安全监测管理的需要。受客观条件的限制，不同于运行期，在施工期实施水工安全监测自动化存在一定的困难，主要是水利枢纽工程施工期存在作业面比较多，现场环境条件较为复杂，稳定的电源、通讯网络线路一般尚未建立完成，施工期现场用电都是通过简易的线路和配电箱实现临时供电，容易出现断电、停电现象，稳定性难以保证，电源及通讯线缆容易遭到破坏，影响系统的正常运行；因此一般要求监测设备采用无线通讯、自供电，并且要求装置便携可移动。而传统的监测装置集成度低、功能单一，通讯方式以串口为主，交互方式以主从式为主，交互方式较为简单，当需要无线通讯时，只能通过外挂无线DTU的方式实现，不利于功耗控制及小型化设计，无法满足施工期在线监测的需要。根据水利工程施工期水工安全监测的应用特点，水工安全在线监测传感系统为实现水利工程施工期自动化、信息化、智能化统一管理提供了实用性和先进性兼备的解决方案。通过智能在线监测传感技术及设备的研究与应用，可实现对监测量的实时感知、传输、分析和反馈，从而更加全面地掌握水利枢纽工程在施工期的安全性态的变化过程；为进一步提高水工安全信息化程度和管理水平，实现水利工程建设智能化的目标提供坚实基础，可为施工期水工建筑物的安全运行和施工质量管理提供决策辅助支持，是工程建设管理单位提升工程建设与运行管理水平的必要措施，具有重要的实际价值和意义。

2内容

2.1研究适用于定波项目的传感通讯应用技术

目前，无线通信技术中有很多适用于搭建监测传感物联网，主流技术应用分为两类：一类是短距离无线组网技术，例如WiFi、蓝牙、Z-Wave、ZigBee等；另一类是低功耗广域网技术（LPWAN），例如LoRa、NB-IoT等。综合相关技术成熟度、工程监测行业应用效果及未来发展趋势来看，以NB-IoT和LoRa技术的应用较为广泛。其中LoRa是一种扩频技术，是由Semtech公司使用线性调频扩频调制技术，保持了FSK（频移键控）调制相同的低功耗特性，发布采用基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输（简称LoRa）芯片。明显地增加了通信距离，并且提高了网络通讯效率的同时还消除了干扰，保证不同扩频序列的终端使用相同的频率同时发送不会产生相互干扰，扩展了系统的接入容量。NB-IoT是一种新兴技术，在全球范围内已开始广泛应用，主要聚焦于低功耗广覆盖（LPWAN）物联网（IoT）应用，使用License频段，具有连接多、架构优、覆盖广、速率低、成本低、功耗低等特点，有较高的网络服务质量保障。NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，在同样的频段下，NB-IoT能够增益20dB，相当于比原有的网络提升了100倍覆盖区域的能力，极大的改进了室内覆盖，；二是具备支撑连接的能力，NB-IoT在指定网络区域内能够支持10万个连接，同时具有低延时敏感度和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT通讯终端模组可长时间在线待机，最长连续待机时间可达10年，特别适合于低频次的应用场景。本项目将针对定波枢纽项目的特点进行网络测试及选型研究。

2.2研制便携式的安全监测智能感知终端装置

施工期监测断面在不断的变化和移动，无固定测站，并且无稳定的电源，而传统的监测装置由于集成度低、功耗偏高，体积很难做到很小，不适用于施工期。本项目结合定波枢纽项目的特点，以节制闸、泵站等关键部位的监测断面为基本单元，研制一种适宜的多通道（暂定8通道）的智能监测终端装置，集成前述研究的物联网通讯技术，并采用电池供电，内部集成高容量电池，具备防尘防水特性，可直接部署在各施工断面，并能够方便地随施工面改变而移动。实现在现地进行数据的采样、转换及存储，并通过物联网络实时回传。同时，根据需要，可考虑在泵站与节制闸交界处布设数据通讯网关，以对各个现地便携式终端管的数据进行收集和汇聚，并通过移动4G网络上传至云端。

2.3研发施工期水工安全在线监测信息管理平台

根据定波项目的特点，开发一套施工期水工安全在线监测信息管理平台软件，并在公有云或私有云上部署，通过API接口，实现与现地监测信息管理软件平台的数据互通，利用接入物联网平台的传感器和终端装置等设备对水工安全数据进行控制和管理，建立设备和测点信息模型，配置各个不同类型传感器的仪器参数、基准值及采集频次等信息；利用现地安全监测智能终端装置在线上传的监测数据，将所采集原始数据换算成相关的监测物理量，并进行永久存储，可在线查看、浏览监测数据，查看成果报告；通过对设置相应的控制指标，对监测数据进行在线监控评判，并自动触发通知预警，从而实现水工建筑物安全性态在线监控的目的。

3关键问题和创新点

3.1构建施工期水工安全监测传感物联网

本系统将泵站、水闸等关键部位部署无线采集节点，根据需要，视现场通讯条件，可在相对合适的位置设置通讯网关，网关与数据管理平台进行连接，从而组建施工期监测物联网；通过物联网，方便地实现对各个无线采集器的数据进行传输，并上传至数据管理平台。解决了施工期测点分散、测站不固定，构建有线通讯网络不便、成本高、维护难度大的问题。

3.2实现施工期水工安全监测自动化

本系统所开发的无线采集器采用便携式设计，均采用内置电池方式供电，基于物联网无线通讯，防水防尘，适应施工现场的复杂环境，可随施工面的改变而随时移动，不影响主体工程施工，大大方便工程现场的应用。相比传统的人工监测手段，自动化监测大大提高了监测频次，特别在关键时期大大方便了加密监测，捕捉数据信息能够快速准确，极大的提高了工作效率和质量。并且还能做到数据采集的同步性，尤其是蓄水初期，因为水位上升变化比较快，目前只有同步监测才能准确的对不同部位的监测量进行对比分析。

3.3搭建在线监测数据应用软件平台

根据施工期的监测管理需要，开发在线监测数据应用软件，利用本系统构建的物联网，对接入的便携式无线采集器及前端传感器等设备进行建模，配置各个不同类型传感器参数、基准值及监测频次等信息，并将所采集的数据换算成监测所需的物理量，并以图表的方式展现监测数据的成果，并会自动生成相对应的监测数据报告。通过对水工建筑物施工期结构形态数据的实时监测，对水工建筑物的运行状态信息进行处理、呈现，并根据预设的控制限值进行相关数据统计、分析和评价，并以预警的形式进行提示。

4结语

通过全面覆盖的、高密次的施工期在线监测，水工建筑物在施工期和蓄水期都能全面、及时地掌握结构变化，并能同时反馈到设计，指导施工进度，调整蓄水过程等。与传统安全监测手段相比，具有更加良好的经济效益和社会效益。

参考文献

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