河道堤防智慧监测系统应用

杭州宏安四维科技有限公司 王挺，葛培

一、问题的提出

河道堤防是水利工程的主体，主要用于排涝防洪、保水固土，抵御洪涝灾害，此外，随着社会经济的快速发展，河道堤防也在保护生态、美化环境等方面发挥着重要作用[1]。为免它们在自然力和人类活动等诸多因素作用下遭受侵蚀和破坏，以及及时发现险情并加以排除，使其真正发挥本身所具有的作用，就必须对河道堤防进行监测。“十三五”期间标准化的实施和推进、人员巡查队伍的建立、信息化系统的实时监测监控，都给河道堤防日常的保护、巡查、养护工作提供了非常有效的管理手段，在一定程度上也解决了河道堤防管理运行中的一系列问题。

但由于水系发达、河道错综复杂，海塘、堤防线又比较长，有些二级海塘、村级河道管理落实虽已到位，通过河长制、湖长制一系列手段加以明确和分工，但管理起来还是会因为人手、队伍建设、考核评分、巡河频率等因素存在不足和限制，没有一种更具时效性、实时性、自动化的方式来辅助监测地方海塘、镇村级河道一些实时信息，特别是一些地方财政比较困难、人员安排不足，物业化程度也比较低的县级管理单位，无法实现为整个河道信息采集、河道保洁、洪涝情况提供强有力的技术支撑和持续化监测监控，特别是在台风期、梅汛期、自然灾害期等外部恶劣环境下，难以实时获取河道堤防的一些参数及指标。通过技术创新搭建河道堤防智慧监测系统显得尤为重要。

二、河道堤防监测的特点

（一）监测面广

河道堤防监测面广主要指两个方面：首先，监测的事件较多，河道堤防监测包括堤防变形监测、河道堤防渗流监测；河道堤防压力监测、应变及温度监测、堤身有无雨淋沟、浪窝、滑坡、裂缝、塌坑、洞穴；有无害虫、害兽的活动痕迹；护坡块石有无松动、翻起、塌陷；沿堤设施有无损毁；护堤林草有无损坏；岸滩有无崩坍；埽坝、矶头有无蜇陷、走动[2]等不同方向的监测重点，检查的内容很广泛，包括管理范围内检查要全面、细致，也就是说同一个部位需要进行不同的技术监测。其次，河道堤防一般沿河、渠、湖、海岸或行洪区、分洪区、围垦区的边缘修筑，工程规模较大，导致监测路线长、监测点位多。

（二）水下工程多

河道堤防工程基本沿河湖、水库等水域外围修建，堤基以及堤身部分处于水下，常年受到水、浪冲刷，需要投入更多的监测精力。而且水下部分受到水流、温度、压强等因素的影响，给人工监测带来了极大的考验。

（三）危险区多

河道堤防工程监测点危险区域多，一方面，因为河道堤防一般处于高山河谷地带，监测区域涉及水域、山体等地质考验。另一方面，河道堤防受气流、降雨等天气因素影响明显，尤其是夏季台风天气，监测区域降水量剧增、水位快速升高、风速较大，在这样的恶劣环境下，重要堤塅、重点工程存在渗水、管涌流土、漏洞、冲塌、滑坡、裂缝、漫溢甚至水库垮坝、堤防决口等风险，对巡检人员以及设备要求较高。

（四）防汛期压力大

夏季防汛期，河道堤防工程安全在抵御水涝灾害中起着至关重要的作用。在降水量、水位的双重压力下，监测任务繁重，如果仍然采取人工监测巡检，将导致河道、堤防、海塘管理人员不足、管理调度负荷过重的问题，影响防汛工作的顺利开展。

三、河道堤防智慧监测系统搭建框架

针对河道堤防监测检测面广、水下工程多、危险区多、防汛期压力大等问题，河道堤防智慧监测系统从监测工作源头进行解决，将数据采集、输出甚至模型分析等初始工作从人工转移到智慧监测设备上，通过在河道、海塘、堤防上安装固定监测设施点（设施点防尘、防震及芯片防水），提供现场监测数据采集及回传，为第三方系统提供最前沿的数据原始模型。也就是说，人工在电脑或移动端打开系统即可查看所需数据及变化趋势分析，或者通过移动APP到达监测点附近进行感应获取相应信息。一方面，河道堤防监测系统应用后只需少量的人力进行监管，而且避免了人工每个点亲自测量等操作，解决了检测面广、汛期等导致的任务重、人员不足的问题。另一方面，也可为一些因河道、堤防、海塘管理人员不足，环境比较偏僻，危险区等特殊点提供云采集方式，实时读取采集数据和信号状态，减少了人员在危险区和水下作业的频率，降低了监测工作的风险性。

完成河道堤防智慧监测系统建设需要智能监测设备和智慧监测系统两个部分的配合。首先是监测设备的部署，包括存储设备、蓝牙网关等。其次是河道堤防智慧监测系统，从根源上通过信息化、智慧化、物联化手段建立长效的监测收集系统，需要水浸检测技术、蓝牙网关通信技术等关键技术支撑（见图1）。

图1 河道堤防智慧监测系统框架图

（一）智能监测设备

针对河道堤防监测面广、人力资源压力大以及水下监测点多等问题，智能监测设备通过在河道堤防合理部署设备监测点位，代替人工进行数据采集，从源头简化人工监测任务。河道堤防智慧监测系统结合河道堤防的环境特点，集合温度、湿度传感器，水浸传感器，蓝牙定位模块，分析计算模块等多种功能，做到准确的数据采集输出。同时从外观牢固性、建议安装化、建设成本、电池供电等方面进行优化设计，在台风、暴雨、严寒等恶劣环境下也能正常工作，为监测管理提供稳固的数据采集终端。

1.感应数据存储集成

智慧监测系统中感应数据的实时采集主要基于高级低功耗静态随机存取存储器，对如温度、湿度、水浸情况、定位蓝牙MAC地址、场强信号等数据进行实时记录，按照一些频率重复擦写数据，使数据能在一定时间内存储和预留，并筛选剔除无用数据。

2.蓝牙网关

由于智能监测设备不采用GPRS网络通信协议（但成本高，需要运营商支持，每个设备都需要开通流量，在此不可行），数据的传输和中转需要一种切实可行的手段和方案来代替，这里采用蓝牙网关（蓝牙探针）的方式来部署。蓝牙BLE方式的远距离室外蓝牙网关，用作蓝牙定位及数据双向传输管理。产品采连接控制蓝牙设备，可广泛应用于多种蓝牙设备的管理。通过金属防雷外壳，外置高增益天线，工业级防水设计，可灵活应用室外场景，适合在室外或室内构建蓝牙星型网络，用于实时采集蓝牙设备广播数据或远程。

移动终端也可以作为一种备选载体，通过开启蓝牙连接方式读取现场数据并基于移动终端上报到服务器。

3.蓝牙低功耗芯片集成

通过使用低功耗蓝牙芯片（Bluetooth Low Energy， 通 常 所说的Bluetooth 4.0或者 Bluetooth Smart），iBeacon基站可以创建一个信号区域，当设备进入该区域时，相应的应用程序便会提示用户是否需要接入这个信号网络。通过能够放置在任何物体中的小型无线传感器和低功耗蓝牙技术，用户便能使用移动终端来传输数据。

（二）智慧监测系统平台关键技术

河道堤防智慧监测系统需要实时读取采集数据和信号状态，并通过图形化、WebGIS技术、三维可视化技术实时监测河道、堤防、海塘等监测对象，通过颜色、线条粗细、三维仿真模拟来区分是否有水浸现象发生，水浸次数以及洪水漫堤模拟，设定的巡查巡河定位参数校准巡河率和巡查完成率等功能，为第三方管理平台提供数据及科学统计分析。系统主要采用水浸检测技术、蓝牙网关通信技术、蓝牙信标定位技术完成感应监测和定位功能。

1.水浸检测技术

水浸传感器利用水的导电性，当有水接触时，水浸感应绳两根黑色芯线便会短接，从而发生电流的变化，根据电阻和导体长度的比例关系，通过定位水浸传感器的感应预警值快速处理，记录数据到内存，通过蓝牙网关方式把数据远程传输，或者蓝牙设备载体传输，最快只需要一秒钟就能反应。

2.蓝牙网关通信技术

蓝牙模块通信技术是收集一定范围的蓝牙设备信息，包括mac地址、RSSI等信息，通过UART串口发给蓝牙探针里面的WiFi模块，WiFi模块把信息传输到指定的UDP服务器，并能接受服务器返回的信息。UDP服务器接收到来自某个IP的T蓝牙探针数据后，通过数据解析和计算，得到用户的位置信息并且显示在电脑前台页面上，终端操作人员可以下发命令到WiFi模块，WiFi模块再透传到蓝牙模块，最终实现信息的采集和管理[3]。

3.蓝牙信标定位技术

蓝牙定位基于RSSI（信号强度）值，通过三角定位原理进行定位，至少知道三个点的RSSI值才能准确地计算定位（见图2）[4]也就是说，在河道堤防及监测站等重要建筑物内一般至少需要铺设3个蓝牙Beacon信标。当手持蓝牙终端设备如蓝牙手环的用户进入蓝牙网关的蓝牙信号覆盖范围内，蓝牙网关就能感应到蓝牙手环的广播信号，然后测算出蓝牙终端设备的RSSI值，通过串口传输给网关内的WiFi模块，蓝牙网关再经过WiFi网络传送到后端数据服务器，通过服务器内置的定位算法测算出蓝牙手环的具体位置，后端服务器则可以通过网络把位置信息发给管理后台和用户。

图2 三角定位原理图

四、河道堤防智慧监测系统应用扩展性

河道堤防智慧监测系统就是从根源上通过信息化、智慧化、物联化手段建立长效的监测收集系统，通过智能监测设备如温度、湿度传感器，水浸传感器，蓝牙定位模块，分析计算等功能模块进行河道数据采集、淹没分析、洪水预报，服务于终端管理平台，为水利信息化提供原始资料和数学模型率定参考，例如，洪水漫堤、暴雨点收集、涌潮观测点潮水位侵袭、内涝等一系列场景数据和洪水预报、淹没分析等精准的浸水地表数据。而且，系统具备完善的可编程模式，为今后的数字化业务转型、智慧化数据分析及采集、第三方友好接入提供了良好的支撑。具体包含巡查、定位点、考核点、巡查点等位置标记，并把数据提供给第三方，达到建设一次可多重使用、重复利用等目的。例如，河长制系统巡河点、巡查状态、巡河率等提供主要考核参数的验证点；洪水预报系统洪水演进水位峰值校准的参照点，淹没分析演示水位修正的参考点；标准化系统、河湖管理系统的信标定位点和工程介绍触发点（见图3）。

图3 河道堤防智慧监测系统扩展图

由此可见，河道堤防智慧监测系统不是一个单独自成体系、自我封闭的系统，也不是重复建设系统，是一套承上启下的数据收集及分析共享系统，可以接入水利相关的第三方平台，具备较强的应用扩展性。

五、应用效益

河道堤防智慧监测系统从设备和技术两个重要方面进行突破，为河道堤防提供信息化、智慧化监测工具，改变了人工监测模式所面临的困境。

首先，感应监测收集数据以及蓝牙定位传输等功能可以实现远程数据收集并传回第三方平台，只要在河道堤防监测区域进行蓝牙及其他监测设备部署，所有监测点数据都可以通过管理平台进行查看，一方面解决了监测面广、汛期人员短缺的问题，另一方面降低了人员在水下、陡坡等恶劣环境以及危险区域作业的频率，保证监测工作的安全性。其次，河道堤防智慧监测系统所收集的数据主要来自监测点的设备，只要设备处于稳定正常运行状态，其采集分析出的数据模型便具备实时性、准确性、全面性等优点，这是人工监测模式很难达到的。人工监测受到巡检人、巡检时间、上报时间等变量的影响，数据常常出现不准确、缺损、滞后等问题，河道堤防智慧监测系统减少了人工收集数据的环节，为管理平台提供了有力支撑。最后，河道堤防智慧监测系统预留了标准化接口，与第三方服务平台进行信息共享，减少了重复建设。

六、结语

河道堤防智慧监测系统可实现全工程所有部位的覆盖和实时监测，特别适用于一些地方财政比较困难、人员安排不足、物业化程度不高的管理单位，为整个河道信息采集、河道保洁、洪涝情况提供强有力的技术支撑和持续化监测监控，并且排除了恶劣天气的干扰，特别在台风期、梅汛期、自然灾害期等恶劣环境下，能实时掌握河道堤防的一些参数及指标，为管理者决策和预判提供科学的参考数据。

河道堤防智慧监测系统是基于河道堤防监测所面临的问题而建设的智慧化系统，其中所应用的蓝牙定位、通信、感应监测等技术具备很强的应用性，可以广泛推广到各类工程监测中，针对不同工程监测特点进行调整和优化，这也是智慧监测系统未来的探索方向。

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堤防管理是为了维护堤防工程完整，确保工程安全，充分发挥地方工程的防洪、排涝、抗风浪和风暴潮的作用，通过技术、经济、行政、法律的手段对堤防进行管理的工作。堤防工程是防洪的屏障，堤防的安全与否直接关系保护区内的千百万人民生命财产安全和经济建设。由于堤防线长面广，易受到自然的和人为活动的影响及损坏，所以堤防的管理既有工程技术层面的管理，又有社会层面的管理，相对来讲社会管理难度更大。