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《武汉理工大学》 2011年
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基于无线传感器网络的大坝安全远程监测技术研究

丁永忠  
【摘要】:近几十年来,我国水资源开发利用规模巨大,已建水库型堤坝达8万多座,大江大河上的重要堤防长6万多公里。保障这些已建及将建大坝的安全运行,对人民生命财产的安全、工农业生产和国民经济的发展具有非常重要的现实意义,而建立大坝安全监测系统是监测大坝性态进而保证其安全运行的重要措施之一 结合无线传感器网络技术,本文针对大坝的结构性状和工作环境特征进行了状态监测方法研究、预警模型建立、节点设备的关键技术和安全监测系统的应用研究等工作。 变形与渗流直接反映大坝的运行工况和稳定强度,是大坝安全监测的两个重要物理量。归纳分析了大坝变形与渗流监测统计模型建立方面的研究工作,讨论了上下游水位因子、温度或降雨量因子、时效因子对监测统计模型参数的影响,建立了一种效应量与各因子之间相互关系的数学模型,对模型参数的多元线性回归分析与偏最小二乘回归分析进行了对比分析研究。 根据大坝安全监测系统的功能特点和应用要求,结合无线传感器网络的结构特点,研究了一种基于无线传感器网络的大坝安全监测系统的网络结构,提出了一种网络节点的部署策略,满足大坝监测数据传输的可靠性和完整性要求。为了减少大坝监测无线传感器网络节点的数据传输能耗,尽可能延长网络的生存周期,提出了一种基于遗传算法的网络路由机制。 针对大坝安全早期预警模型需要用非线性函数描述大坝的强烈非线性动态行为及其影响因素间的关系,以短期蓄水预报作为研究对象,建立了一种基于模糊集的蓄水预报模型。在此基础上,提出了一种基于模糊理论的大坝状态预警模型。 基于嵌入式技术,讨论了无线传感器网络节点设备设计的关键技术,分析了节点的低功耗和低成本实现思路。针对大坝安全监测常用的振弦式传感器和水位、雨量等其它传感器的特点,具体研究了无线传感器网络节点中实时数据采集的实现方法,讨论了基于ZigBee的无线数据传输模块的设计技术。为降低软件算法复杂度和信息收集过程的功率开销,建立了适宜的数据分发机制。 对基于无线传感器网络的大坝安全远程监测系统的应用技术进行了研究,并在实际运行中进行了检验和优化。分析了系统的主要性能需求、系统结构及功能实现,研究了一种具有实用价值的实时浸润线监测预警模型及模型参数估计的回归分析方法。该系统已成功运行于多个水库安全信息系统中,为无线传感器网络在大坝安全监测等领域的广泛应用打下了良好的基础。
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