物聯(lián)網(wǎng)時代來臨大壩安全監(jiān)測技術(shù)的未來思考

毛良明，沈省三，肖美蓉

（基康儀器（北京）有限公司，北京100080）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)之后全球信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[1，2]。它把信息技術(shù)充分應(yīng)用于各個行業(yè)、各個產(chǎn)業(yè)，通過安裝在各類物體上的射頻識別電子標簽RFID、二維碼、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等組成的智能傳感器，經(jīng)過接口與無線通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)互連，實現(xiàn)人與物、物與物相互間智能化地獲取、傳輸與處理信息的網(wǎng)絡(luò)，其核心是智能傳感網(wǎng)技術(shù)。實質(zhì)上，物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)、移動通信網(wǎng)“三網(wǎng)”高效融合的產(chǎn)物，是信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)高效融合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)的精髓是感知，感知包括傳感器的信號采集、協(xié)同處理、智能組網(wǎng)、信息服務(wù)，以達到控制指揮的目的。大壩安全監(jiān)測技術(shù)也是一門多種技術(shù)相融合的綜合技術(shù)，其中傳感器技術(shù)更是它的核心。因此，當物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)很大程度地改變了其現(xiàn)有的技術(shù)背景時，對大壩安全監(jiān)測技術(shù)進行適應(yīng)性調(diào)整并科學規(guī)劃未來發(fā)展方向就成了迫在眉睫的工作。

1 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀[3]

大壩安全監(jiān)測技術(shù)是針對水庫大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、水文、氣象等數(shù)據(jù)進行采集、處理、整編、分析、預(yù)警的一項綜合技術(shù)，主要涵蓋了傳感器技術(shù)、自動化數(shù)據(jù)采集、信息管理、數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容。傳感器技術(shù)是安全監(jiān)測領(lǐng)域最早投運的傳統(tǒng)技術(shù)，時至今日，適用于大壩安全監(jiān)測的傳感器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，已有多種形式、不同類型的傳感器得到廣泛應(yīng)用，既有傳統(tǒng)的安全監(jiān)測儀器如差動電阻式系列儀器、振弦式系列儀器，也有新技術(shù)催生的新型傳感器如光纖光柵傳感器、CCD變形監(jiān)測儀器、真空激光準直變形監(jiān)測儀器、GPS變形監(jiān)測儀器等，甚至開始嘗試無線通信的傳感器網(wǎng)絡(luò)。即便如此，目前技術(shù)條件下，大壩安全監(jiān)測技術(shù)所能支持的安全監(jiān)測自動化測量網(wǎng)絡(luò)相對于物聯(lián)網(wǎng)而言還存在很大的差距，僅實現(xiàn)了特定區(qū)域被測儀器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)融合，即實現(xiàn)了局部“感知”功能，還不具備與因特網(wǎng)或無線通信網(wǎng)實現(xiàn)全面無縫對接的功能。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大壩安全監(jiān)測技術(shù)的影響

因特網(wǎng)實現(xiàn)了世界上計算機與計算機、人與計算機、人與人之間的對話與交互；而物聯(lián)網(wǎng)則正在實現(xiàn)世界上物與物、人與物、人與自然之間的對話與交互。物聯(lián)網(wǎng)的精髓是感知，這和大壩安全監(jiān)測技術(shù)有極大相關(guān)性，因為大壩安全監(jiān)測傳感器技術(shù)就是一項實現(xiàn)感知功能的實用技術(shù)。這就為安全監(jiān)測技術(shù)接軌物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了良好的技術(shù)背景。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還要求實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)的技術(shù)接軌，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在給大壩安全監(jiān)測技術(shù)帶來新的發(fā)展機遇的同時，也對大壩安全監(jiān)測技術(shù)今后的發(fā)展提出了更高的要求。首先，必須在傳感器的設(shè)計制造方面進行技術(shù)改進，使之微型化、無線化、電子標簽化，在測量技術(shù)方面能實現(xiàn)數(shù)字化、微功耗，在信息處理方面能實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

3 大壩安全監(jiān)測技術(shù)的未來[4]

據(jù)專家預(yù)測，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將形成RFID（電子標簽）行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)、移動支付產(chǎn)業(yè)、M2M（指機器與機器之間通信）產(chǎn)業(yè)和WSN（無線傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)）四個子領(lǐng)域。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN是涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。

作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的終極形態(tài)，WSN將是未來主要的信息感知手段，必然成為物聯(lián)網(wǎng)信息獲取的主要方式。目前國內(nèi)WSN還處于市場導(dǎo)入階段，由于傳感器技術(shù)是與大壩安全監(jiān)測技術(shù)緊密相關(guān)的技術(shù)，同時也是其傳統(tǒng)優(yōu)勢技術(shù)，今后，大壩安全監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)接軌的最佳切入點就應(yīng)該是WSN，這對大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域而言是一個良好的發(fā)展機遇。但同時由于物聯(lián)網(wǎng)對傳感器技術(shù)提出了很高的技術(shù)要求，這促使大壩安全監(jiān)測技術(shù)未來的發(fā)展必然做出適應(yīng)性的技術(shù)調(diào)整。

3.1 傳感器產(chǎn)品向高精度、高可靠性發(fā)展

精度是傳感器的關(guān)鍵指標，是精確實現(xiàn)信息感知的技術(shù)保證。無論大壩安全監(jiān)測技術(shù)還是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對信息來源精確性、準確性的要求均非常高。信息來源一個非常重要的渠道就是傳感器的信息感知，因此對傳感器精度提出了較高要求，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的必然要求。隨著精密制造技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷進步，通過科學設(shè)計、精密加工制造、合理編排生產(chǎn)工藝等手段，為實現(xiàn)高精度、高可靠性提供了技術(shù)保障手段。當然傳感器產(chǎn)品的高精度、高可靠性也是大壩安全監(jiān)測技術(shù)多年來一直追求的目標，在當前的技術(shù)手段或是未來的技術(shù)手段能確保實現(xiàn)這一目標的時候，必然推動大壩安全監(jiān)測傳感器產(chǎn)品向高精度、高可靠性方向發(fā)展。

3.2 傳感器產(chǎn)品向小型化、微型化發(fā)展

大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域的被測對象主要是大尺度的結(jié)構(gòu)體，目前情況下，由于客觀存在特殊性使用要求原因，行業(yè)內(nèi)使用的傳感器結(jié)構(gòu)尺寸均比較大。但隨著微電子技術(shù)、微細機械加工技術(shù)如MEMS技術(shù)的不斷進步，有些類型的傳感器產(chǎn)品（如溫度傳感器）已經(jīng)具備向小型化、甚至微型化發(fā)展的條件，今后傳感器產(chǎn)品向小型化、微型化發(fā)展是技術(shù)進步的必然趨勢。在實現(xiàn)了小型化、微型化的目標之后，大壩安全監(jiān)測儀器的應(yīng)用領(lǐng)域也可以突破現(xiàn)有專業(yè)領(lǐng)域的局限性，實現(xiàn)向其它行業(yè)領(lǐng)域的推廣滲透。其實國外已經(jīng)有這樣的實驗室產(chǎn)品問世，日立制作所與YRP泛在網(wǎng)絡(luò)化研究所于2004年11月24日宣布開發(fā)出了全球體積最小（2.3 cm×2.0 cm×1.5 cm）的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端。該終端集成了內(nèi)置電池、測量電路、傳感單元、射頻電路等功能電路，可以實現(xiàn)溫度、亮度、紅外線、加速度等各種傳感功能，擬應(yīng)用于智能樓宇的安全管理方面。

3.3 傳感器技術(shù)向微功耗及無源化發(fā)展

傳感器是一種換能裝置，目前的技術(shù)條件下，一般都需要實現(xiàn)非電量向電量的轉(zhuǎn)化，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信的工作過程中均離不開電源。而大壩安全監(jiān)測專業(yè)的應(yīng)用環(huán)境一般是在野外空曠的工程應(yīng)用環(huán)境，不容易實現(xiàn)常態(tài)電源供應(yīng)條件。目前常用的辦法是敷設(shè)遠距離的電源電纜、電池供電、太陽能電池供電等，這勢必增加了施工難度、設(shè)備投資成本、設(shè)備維護成本等。隨著微電子技術(shù)的不斷進步，實現(xiàn)測量電路、通信電路的微功耗，使用集成在新型傳感器中的一塊內(nèi)置電池以支持傳感器長期或終身工作，這將是傳感器技術(shù)必然的發(fā)展方向。前面提及的日立制作所與YRP泛在網(wǎng)絡(luò)化研究所開發(fā)的全球體積最小的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端，采用內(nèi)置150 mAh的市售鋰電池，能支持該傳感器網(wǎng)絡(luò)終端連續(xù)工作一年半時間。若傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的功耗降低到最小極限值，甚至可能實現(xiàn)無源化的發(fā)展目標。

3.4 傳感器產(chǎn)品向智能化發(fā)展

隨著大壩安全監(jiān)測技術(shù)自動化程度的逐漸提高，傳感器的功能必將突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0～10 mV），而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號，有的甚至帶有控制功能，智能傳感器因此成為未來發(fā)展的必然需求。智能傳感器體現(xiàn)了人們不再滿足于傳感器最原始的探測信息功能的強烈愿望，未來的智能傳感器將能夠自動完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)優(yōu)化等多項功能，形成可直接使用的有效信息，而不是原始數(shù)據(jù)或中間結(jié)果。

目前大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)傳感器智能的技術(shù)手段基本上是把傳統(tǒng)意義的傳感器與帶數(shù)字總線接口的微處理器再加上信號調(diào)理電路進行組合而形成一個智能傳感器系統(tǒng)，從功能來看基本上實現(xiàn)了智能化的技術(shù)要求，但相對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而言，這樣的技術(shù)現(xiàn)狀在體積、功耗、可靠性、兼容性等技術(shù)指標方面都遠遠落后，無法真正滿足物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)要求。今后在傳感器的智能化技術(shù)實現(xiàn)手段方面還需要繼續(xù)努力，應(yīng)該通過微電子技術(shù)把智能傳感器系統(tǒng)集成到一塊芯片上，在實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)功能的同時，實現(xiàn)低功耗、小體積、低成本、標準化和高可靠性。

3.5 傳感器技術(shù)向無線傳感網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計構(gòu)想是要把世界上的萬事萬物建立智能化的網(wǎng)絡(luò)鏈接，實現(xiàn)物與物之間信息交流的功能。所以，傳感器技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，特別是實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)對大壩安全監(jiān)測技術(shù)的必然要求。

受物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動，傳統(tǒng)的傳感器正逐步實現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化，正經(jīng)歷著一個從傳統(tǒng)傳感器（Dumb Sensor）→智能傳感器（Smart Sensor）→嵌入式Web傳感器（Embedded Web Sen?sor）的內(nèi)涵不斷豐富的發(fā)展過程。

大壩安全監(jiān)測技術(shù)目前正在實施的也是這樣一個技術(shù)發(fā)展歷程，目前的技術(shù)手段已經(jīng)能可靠保證某一個特定項目指向的所有傳感器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測量和管理。盡管在功能上還存在巨大的差距，但與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的應(yīng)用性研究也已經(jīng)開始并得到局部應(yīng)用。由于存在專業(yè)領(lǐng)域的特殊性要求，大壩安全監(jiān)測技術(shù)對于無線傳感器系統(tǒng)的發(fā)展一直持謹慎的態(tài)度，但有些嘗試還是在進行中，特別是本世紀初英國SOIL公司無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，無疑是無線傳感網(wǎng)技術(shù)在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域一種應(yīng)用性實踐?，F(xiàn)在由于無線通信技術(shù)逐步走向成熟，更是加快了無線傳感器網(wǎng)技術(shù)在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用性研究步伐，已有不少業(yè)內(nèi)的制造企業(yè)推出了相關(guān)產(chǎn)品。盡管目前的產(chǎn)品在實際使用中還存在不少設(shè)計缺陷，但這是一個良好的開端。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)是當今時代技術(shù)進步的必然產(chǎn)物，現(xiàn)有的諸多實用技術(shù)一定會因為它的出現(xiàn)而發(fā)生變化。由于存在與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密相關(guān)的傳感器技術(shù)優(yōu)勢，大壩安全監(jiān)測技術(shù)一定能從物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中得到技術(shù)進步。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也對大壩安全監(jiān)測技術(shù)提出了很高的技術(shù)要求，如何實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的接軌是大壩安全監(jiān)測行業(yè)所有從業(yè)者必須努力去解決的問題，相信在真正完成這一使命的同時，大壩安全監(jiān)測技術(shù)的明天會更好?！?/p>

[1]楊永志，高建華.試論物聯(lián)網(wǎng)及其在我國的科學發(fā)展[J].中國流通經(jīng)濟，2009，（2）：46-49.

[2]張儉.物聯(lián)網(wǎng)時代[J].信息通信技術(shù),2010，（2）：92-95.

[3]沈海堯，王玉潔，呂永寧.水電站大壩監(jiān)測自動化的現(xiàn)狀與展望[J].大壩與安全,2007，（5）：15-17.

[4]孫圣和.現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向[J]電子測量與儀器學報，2009，（23）：1-10.