物联网时代来临大坝安全监测技术的未来思考

毛良明，沈省三，肖美蓉

（基康仪器（北京）有限公司，北京100080）

0 引言

物联网是继计算机、互联网和移动通信网络之后全球信息产业的第三次浪潮[1，2]。它把信息技术充分应用于各个行业、各个产业，通过安装在各类物体上的射频识别电子标签RFID、二维码、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等组成的智能传感器，经过接口与无线通信网络、因特网互连，实现人与物、物与物相互间智能化地获取、传输与处理信息的网络，其核心是智能传感网技术。实质上，物联网是传感网与因特网、移动通信网“三网”高效融合的产物，是信息系统与物理系统高效融合的产物。物联网的精髓是感知，感知包括传感器的信号采集、协同处理、智能组网、信息服务，以达到控制指挥的目的。大坝安全监测技术也是一门多种技术相融合的综合技术，其中传感器技术更是它的核心。因此，当物联网的出现很大程度地改变了其现有的技术背景时，对大坝安全监测技术进行适应性调整并科学规划未来发展方向就成了迫在眉睫的工作。

1 安全监测自动化系统现状[3]

大坝安全监测技术是针对水库大坝的变形、渗流、应力应变、温度、水文、气象等数据进行采集、处理、整编、分析、预警的一项综合技术，主要涵盖了传感器技术、自动化数据采集、信息管理、数据分析等内容。传感器技术是安全监测领域最早投运的传统技术，时至今日，适用于大坝安全监测的传感器技术已经非常成熟，已有多种形式、不同类型的传感器得到广泛应用，既有传统的安全监测仪器如差动电阻式系列仪器、振弦式系列仪器，也有新技术催生的新型传感器如光纤光栅传感器、CCD变形监测仪器、真空激光准直变形监测仪器、GPS变形监测仪器等，甚至开始尝试无线通信的传感器网络。即便如此，目前技术条件下，大坝安全监测技术所能支持的安全监测自动化测量网络相对于物联网而言还存在很大的差距，仅实现了特定区域被测仪器的数据采集和数据融合，即实现了局部“感知”功能，还不具备与因特网或无线通信网实现全面无缝对接的功能。

2 物联网技术对大坝安全监测技术的影响

因特网实现了世界上计算机与计算机、人与计算机、人与人之间的对话与交互；而物联网则正在实现世界上物与物、人与物、人与自然之间的对话与交互。物联网的精髓是感知，这和大坝安全监测技术有极大相关性，因为大坝安全监测传感器技术就是一项实现感知功能的实用技术。这就为安全监测技术接轨物联网技术提供了良好的技术背景。由于物联网技术还要求实现与互联网、无线通信网的技术接轨，因此物联网技术在给大坝安全监测技术带来新的发展机遇的同时，也对大坝安全监测技术今后的发展提出了更高的要求。首先，必须在传感器的设计制造方面进行技术改进，使之微型化、无线化、电子标签化，在测量技术方面能实现数字化、微功耗，在信息处理方面能实现智能化、网络化。

3 大坝安全监测技术的未来[4]

据专家预测，物联网产业的发展将形成RFID（电子标签）行业应用产业、移动支付产业、M2M（指机器与机器之间通信）产业和WSN（无线传感网络产业）四个子领域。

无线传感网络WSN是涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

作为物联网感知层的终极形态，WSN将是未来主要的信息感知手段，必然成为物联网信息获取的主要方式。目前国内WSN还处于市场导入阶段，由于传感器技术是与大坝安全监测技术紧密相关的技术，同时也是其传统优势技术，今后，大坝安全监测技术实现与物联网技术接轨的最佳切入点就应该是WSN，这对大坝安全监测领域而言是一个良好的发展机遇。但同时由于物联网对传感器技术提出了很高的技术要求，这促使大坝安全监测技术未来的发展必然做出适应性的技术调整。

3.1 传感器产品向高精度、高可靠性发展

精度是传感器的关键指标，是精确实现信息感知的技术保证。无论大坝安全监测技术还是物联网技术，对信息来源精确性、准确性的要求均非常高。信息来源一个非常重要的渠道就是传感器的信息感知，因此对传感器精度提出了较高要求，是实现物联网技术的必然要求。随着精密制造技术、微电子技术的不断进步，通过科学设计、精密加工制造、合理编排生产工艺等手段，为实现高精度、高可靠性提供了技术保障手段。当然传感器产品的高精度、高可靠性也是大坝安全监测技术多年来一直追求的目标，在当前的技术手段或是未来的技术手段能确保实现这一目标的时候，必然推动大坝安全监测传感器产品向高精度、高可靠性方向发展。

3.2 传感器产品向小型化、微型化发展

大坝安全监测领域的被测对象主要是大尺度的结构体，目前情况下，由于客观存在特殊性使用要求原因，行业内使用的传感器结构尺寸均比较大。但随着微电子技术、微细机械加工技术如MEMS技术的不断进步，有些类型的传感器产品（如温度传感器）已经具备向小型化、甚至微型化发展的条件，今后传感器产品向小型化、微型化发展是技术进步的必然趋势。在实现了小型化、微型化的目标之后，大坝安全监测仪器的应用领域也可以突破现有专业领域的局限性，实现向其它行业领域的推广渗透。其实国外已经有这样的实验室产品问世，日立制作所与YRP泛在网络化研究所于2004年11月24日宣布开发出了全球体积最小（2.3 cm×2.0 cm×1.5 cm）的传感器网络终端。该终端集成了内置电池、测量电路、传感单元、射频电路等功能电路，可以实现温度、亮度、红外线、加速度等各种传感功能，拟应用于智能楼宇的安全管理方面。

3.3 传感器技术向微功耗及无源化发展

传感器是一种换能装置，目前的技术条件下，一般都需要实现非电量向电量的转化，在数据采集、数据通信的工作过程中均离不开电源。而大坝安全监测专业的应用环境一般是在野外空旷的工程应用环境，不容易实现常态电源供应条件。目前常用的办法是敷设远距离的电源电缆、电池供电、太阳能电池供电等，这势必增加了施工难度、设备投资成本、设备维护成本等。随着微电子技术的不断进步，实现测量电路、通信电路的微功耗，使用集成在新型传感器中的一块内置电池以支持传感器长期或终身工作，这将是传感器技术必然的发展方向。前面提及的日立制作所与YRP泛在网络化研究所开发的全球体积最小的传感器网络终端，采用内置150 mAh的市售锂电池，能支持该传感器网络终端连续工作一年半时间。若传感器网络终端的功耗降低到最小极限值，甚至可能实现无源化的发展目标。

3.4 传感器产品向智能化发展

随着大坝安全监测技术自动化程度的逐渐提高，传感器的功能必将突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10 mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，智能传感器因此成为未来发展的必然需求。智能传感器体现了人们不再满足于传感器最原始的探测信息功能的强烈愿望，未来的智能传感器将能够自动完成数据采集、数据加工、数据分析、数据优化等多项功能，形成可直接使用的有效信息，而不是原始数据或中间结果。

目前大坝安全监测领域实现传感器智能的技术手段基本上是把传统意义的传感器与带数字总线接口的微处理器再加上信号调理电路进行组合而形成一个智能传感器系统，从功能来看基本上实现了智能化的技术要求，但相对于物联网技术而言，这样的技术现状在体积、功耗、可靠性、兼容性等技术指标方面都远远落后，无法真正满足物联网的技术要求。今后在传感器的智能化技术实现手段方面还需要继续努力，应该通过微电子技术把智能传感器系统集成到一块芯片上，在实现传感器系统功能的同时，实现低功耗、小体积、低成本、标准化和高可靠性。

3.5 传感器技术向无线传感网络方向发展

物联网的设计构想是要把世界上的万事万物建立智能化的网络链接，实现物与物之间信息交流的功能。所以，传感器技术向网络化发展，特别是实现无线传感网是物联网对大坝安全监测技术的必然要求。

受物联网技术的推动，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器（Dumb Sensor）→智能传感器（Smart Sensor）→嵌入式Web传感器（Embedded Web Sen⁃sor）的内涵不断丰富的发展过程。

大坝安全监测技术目前正在实施的也是这样一个技术发展历程，目前的技术手段已经能可靠保证某一个特定项目指向的所有传感器实现网络化测量和管理。尽管在功能上还存在巨大的差距，但与无线传感器网络相关的应用性研究也已经开始并得到局部应用。由于存在专业领域的特殊性要求，大坝安全监测技术对于无线传感器系统的发展一直持谨慎的态度，但有些尝试还是在进行中，特别是本世纪初英国SOIL公司无线传感器网络的出现，无疑是无线传感网技术在大坝安全监测领域一种应用性实践。现在由于无线通信技术逐步走向成熟，更是加快了无线传感器网技术在大坝安全监测领域的应用性研究步伐，已有不少业内的制造企业推出了相关产品。尽管目前的产品在实际使用中还存在不少设计缺陷，但这是一个良好的开端。

4 结语

物联网的出现是当今时代技术进步的必然产物，现有的诸多实用技术一定会因为它的出现而发生变化。由于存在与物联网技术紧密相关的传感器技术优势，大坝安全监测技术一定能从物联网的发展过程中得到技术进步。与此同时，物联网的发展也对大坝安全监测技术提出了很高的技术要求，如何实现大坝安全监测技术与物联网技术的接轨是大坝安全监测行业所有从业者必须努力去解决的问题，相信在真正完成这一使命的同时，大坝安全监测技术的明天会更好。■

[1]杨永志，高建华.试论物联网及其在我国的科学发展[J].中国流通经济，2009，（2）：46-49.

[2]张俭.物联网时代[J].信息通信技术,2010，（2）：92-95.

[3]沈海尧，王玉洁，吕永宁.水电站大坝监测自动化的现状与展望[J].大坝与安全,2007，（5）：15-17.

[4]孙圣和.现代传感器发展方向[J]电子测量与仪器学报，2009，（23）：1-10.