基于水下观测网的大坝安全警戒系统

季胜强 张锋 张志峰 谢凯 杜宗印

摘要：针对大坝水下防御、水质状况监测需求设计基于水下观测网的大坝安全警戒系统。安全警戒系统通过岸基站供电，利用光电复合缆将电能传输至水下节点接驳盒进行电能转换，对水下摄像系统、三维成像声纳系统等终端设备提供电能供给。水下终端设备采集的数据通过水下节点接驳盒转换至光信号利用光电复合缆传输至岸基站并进行数据显示，同时岸基监控系统可对水下终端设备进行远程控制，从而实现对大坝水下状态实时监控。

关键词：大坝;接驳盒;摄像;三维成像声纳;水质监测

引言

随着大坝建设的日益发展，现已发展成水利工程的重要组成部分，在防洪、灌溉、发电、航运等方面得到了充分的发展，并发挥着巨大的作用。同时，大坝的安全尤为重要，稍有不慎则会给国家及人民带来难以预料的灾难。大坝的安全分为两个方面，一方面为大坝本体的安全，主要与大坝的设计、选址、建造等因素有关，另一方面是外界环境因素对大坝造成的危害[1]。针对影响大坝安全的外界环境因素，主要通过实时动态视频、水下三维成像声纳等技术进行监控，确保大坝安全。

现代科技的发展和前沿科技的大规模应用导致水下攻击具有相当的隐蔽性与广泛的应用，针对大坝水下防御、水文水质实时监测的需求，依托水下立体防护网络，进行关键水域的实时监测，建立基于水下观测网络的大坝安全警戒系统，使大坝防御体系多样化、立体化，进而提高大坝安全，保障民众生命及财产安全[2]。

1.水下观测网安防警戒系统

水下观测网来源于本世纪初提出的海底观测网概念[2][3]，后者已经成为海洋监测的一种新型观测方法。水下观测网是通过一条水下光电复合缆，向水下观测节点提供相对充足的电能和较大的数据容量。由于其长期、实时、原位以及可持续观测的特点，也将成为重要的水下安防警戒手段。

基于水下观测网的安防警戒系统以水下监测系统接驳盒平台为基础，扩展接口搭载各类传感器，如水下摄像、水下三维成像声纳系统、多参数水质监测传感器等，对大坝所在水域的进行立体实时监测。

2.系统架构

基于水下观测网的大坝安全警戒系统的拓扑图如图1所示，該系统由岸基站、水下节点接驳盒、光电复合缆、摄像系统、主被动声纳、多参数水质分析仪和电磁场传感器组成。主要监测大坝所在水域的水质状况，大坝附近有无可疑物，大坝自身是否出现裂痕等。考虑到系统的可扩展性，电能传输采用直流恒压的方式进行。

2.1岸基远程监控和电能管理系统

岸基站是监测系统的“大脑”中枢，岸基主要由运行管理系统、供电系统、数据存储管理系统、远程监控系统及指挥控制系统组成。其主要功能是管理整个系统的正常运行，实现水下观测的远程供电、观测数据的采集、接收、存储及管理分配，并最终实现与用户终端的信息交互。

基于水下观测网络的大坝安全警戒系统实现全天候远程自动监测，可以记录监测对象完整的数据变化过程，并且借助于光纤网络数传系统实时得到数据，同时将数据传送到网络覆盖范围内的任何需要这些数据的部门，非网络覆盖范围内可通过无线基站、GSM（GPRS）、CDMA等实现远程数据无线传输[4]。

2.2电能和通讯传输网络

电能和通讯传输网络主要由岸基供电电源、UPS不间断电源、光电交换机和传输光电复合缆构成。其中，岸基供电电源可提供400V/10A的恒压电能供给，具备电源监测、远程控制能力;UPS不间断电源可在市电断电后，立刻切换为电池供电，为观测系统提供短时间内的持续恒定的电能供给;两台光电交换机分别位于岸基和节点接驳盒内，通过光电复合缆内的光纤单元进行通讯网络的搭建，主干缆带宽可达1Gbps，传感器通讯速率最大可达100Mbps。

水下光电复合缆是观测网络的“血管”，是系统能量及信号的传输路径，为近距离海底专用光电复合缆，采用双极导体、12根光纤传输光电信号，并且采用外层单层铠装方式防拖、防撞保护设计及高密度聚乙烯护套防腐蚀设计，保证光电复合缆海底使用的长期安全及稳定性。

2.3节点接驳盒

节点接驳盒主要具有四个功能：光电分离、电能变换、电能控制和通讯转接。

光电分离：光电分离腔主要作用为对主干缆进行光电分离，并将供电线路输入至电能变换器，将千兆光缆输入至通讯转接系统。

电能变换：岸基站的AC/DC转换器把市电220 VAC转换成直流电压375 VDC，通过光电复合缆传输到各水下节点。375 VDC不能直接为科学仪器供电，需要经过一定的电压变换，降低电压等级至24 VDC和12 VDC来满足不同的科学仪器的使能需求。

电能控制：电能控制的主要功能为节点状态监控、外部负载状态监控、故障判断与隔离和时间同步。可以针对过流、过压、短路、接地等故障进行判断和快速处理。同时当监测到节点的故障情况时候通过电能分配的方式进行强制的故障隔离，以免影响其他节点的运行。

通讯转接：由于接驳接口是面对不同的信息传输协议，如串口RS232，RS485和以太网等[5]。实际应用时，作为水下监测系统中心的节点接驳盒，需要对多种不同协议的传输信号进行汇总和转发，因此，需要对各种协议进行转换，不同协议的信息先经过转换汇总，在通过控制中心来完成信息的上传下达[6]。

水下立体实时监测系统的目标之一就是要收集和分析长时间序列的数据，对于某些观测到的数据而言，时间精度需要达到微秒乃至纳秒的级别，从而达到远程实时监测水下环境数据的目的。为了满足海底观测高精度的对时，通过岸基安装时间服务器，在接驳盒采用软硬件结合处理的方式实现接驳盒和岸基的时间同步，并为所有接驳接口提供高精度的PTP时间服务信号。

2.4监测系统

监测系统主要包括水下摄像系统、三维成像声纳系统、多参数水质分析仪和电磁场传感器。其供电电源来自于节点接驳盒内部，其采集得到的数据通过节点接驳盒内的光电交换机和传输缆内的光纤单元，实时传输至岸基远程监控系统。

水下多點全方位摄像系统以独特的水下封装，将监控摄像头安装在水下，具有自动对焦功能，对水下环境、泥沙沉淀物等进行实时动态监测。另外，在大坝自身的关键节点均进行视频监控，保证大坝的完好性。

三维成像声纳系统利用主/被动探测声纳对水下目标进行探测、定位，主要监测目标为水下生物活动、水下可疑目标、武装挖人[8]、潜水机械设备等。

电磁场传感器[9]，探测水下的电磁场有无异常，判断大坝附近有无可以金属物

同时，监控系统安装配备多参数水质监测传感器，用于流经大坝的水质状况监测和大坝水位监测，保障水质安全。最终，通过岸基中控台对水下目标和水质状况进行实时定位和显示。监测参数如表1所示。

2.5节点接驳盒防护平台

水下接驳盒对整个系统起着能量及信号中继、分配的作用，是整个系统的“心脏”，节点接驳盒为长期固定布置的主缆终端设备，必须具有一定的抗拖网、抗水流、防止大型水生生物咬嚼连接缆、防腐蚀、防生物附着等特性。同时，需要考虑到投放时可能会产生的水流拍击，海流冲击等动态特性，以及由于海底地质松软产生下陷的可能。防护外框架设计采用金字塔形设计，可有效防沉降、防拖网、防止水流泥沙冲击、水下地势的倾斜及它物的拖拽等不良情况，并增加防腐措施，达到水下长期使用的目的。

3.系统测试

稳定性是一个系统的第一要素，水下系统对稳定性的要求尤为苛刻。基于水下观测网的安全警戒系统目前已经对系统的功能和可靠性进行了一系列试验测试验证。

3.1实验室测试

节点接驳盒的内部设备及电路被集成在内部框架中，基于散热性能的考虑，内部框架采用铝合金材料，然后整个系统封装进钛合金材料制成的密封腔[10]。该密封腔经过高压舱2.5MPa的压力测试。

在水下观测节点的内部设备及电路封装进密封腔前、后，分别对整个系统进行24小时连续供电测试，供电电压375VDC，其中摄像头和LED探照灯作为外部负载，验证系统的电能变换和通信功能以及可靠性。

封装前的连续测试期间，利用热成像仪不定时监测系统的发热情况，检测系统是否存在异常的发热点，异常的发热会降低系统的可靠性。水下观测节点样机需至少通过两次24小时连续供电测试。

3.2 湖试

大坝安全警戒系统布放于南通应急水源地。此次布放工作包括岸基站的建立、250m水下光电复合缆的敷设以及一个水下观测节点的布放。

节点接驳盒的布放深度大概为10m，离岸距离为150m。图2为即将下水布放的节点接驳盒，该节点接驳盒包括水下摄像系统、三维成像声纳系统、多参数水质分析仪和电磁场传感器，所有设备安置在外框架中，整个系统重量为100Kg左右。

半年以来系统一直稳定运行，水质和视频数据一直稳定传输并在上位机显示存储，如图3所示。

4.结束语

本文介绍了基于水下观测网的大坝安全警戒系统。相比较传统水质采样方式，缆系观测网以长时间、实时、原位监测的特点必将成为水质监测领域的一个发展趋势。为了适应各种环境，用于水质分析的缆系观测网还有很多的工作要做。未来观测节点在现有的功能基础上会变的更小、更轻，布放更为方便。同时需要建立相关硬件和软件行业标准来兼容各种各样的科学仪器。

参考文献 （References）：

[1]高洪来，关于大坝安全问题，广西水利水电，1994（4）：44-48

[2]汪树玉，刘国华，系统分析，杭州：浙江大学出版社，2002.

[3]P. Favali and L. Beranzoli. Seafloor Observatory Science： a review[J]. Annals Of Geophysics， 2006， 49（2-3）：515-567.

[4]陈鹰，杨灿军，陶春辉，等.海底观测系统[M].北京：海洋出版社，2006.

[5]高健，移动通信[M].北京：高等教育出版社

[6]王华忠著.监控与数据采集（SCADA）系统及其应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[7]姚胜东.工业以太网现场总线EtherCAT[J].仪表技术，2014，（8）：4-6.

[8]张伟豪，许枫.水下蛙人被动探测技术实验研究[J].声学学报.

[9]张立影，王泽忠，一种高灵敏度电磁场传感器[P].2014

[10]易学平，钛合金焊接件密封问题研究[J].机械管理开发.2011.