无线传感器网络在水利水电工程中的应用

红水河

HongShui River

Vol.37No.2Apr.2018

无线传感器网络在水利水电工程中的应用

邱春华u，葛少云\\杨挺\\向国兴2

(1.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072; 2.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002)

摘要：水利水电工程大多位于环境恶劣的偏远山区，为便于统一调度，按水利信息化建设要求，需布置传感

器采集水库、电站、灌区等部位水位、流量、水质和闸门开度等水力量测信息。因点多面广，传统的传感器网 络敷设布置困难，运行维护成本高，经济性差。无线传感器网络（WSN)综合采用传感器技术、微机电系统

(MEMS)技术、无线通信技术和分布式信息处理等技术，具有快速实施、扩展灵活、投入成本低、维护方便等

特点，在水利水电行业具有广阔的应用前景。关键词：无线传感器；网络；水利水电工程；应用中图分类号:TV697

文献标识码：B

文章编号：1001-408X( 2018) 02-0007-05

0引言

随着无线通信网络和信息化技术的快速发展，

节点由传感单元、处理单元、通信单元以及电源模 块组成，主要负责采集监测对象信息及数据的初步 处理，然后按照特定无线通信协议进行信息传输， 电源模块负责节点的驱动，是决定网络生存期的关 键因素，可根据需要采用无线传感器自带电池或配 备电源适配器两种方式。

近年来传感器由传统学科正逐渐向无线智能网络化 方向扩展。无线传感器网络（Wireless Sensor

Network, WSN)作为研究热点之一，涉及多个交叉

学科，因其具有灵活性、经济性和容错性等优势，应用价值很高，受到国内外学者的高度关注。美国 《技术评论》将WSN评为对人类未来生活产生深远 影响的十大新兴技术之一[1]，并在国防、交通等 领域作了大量的研究，为WSN的推广应用奠定了 基础。例如WSN可用于无人驾驶汽车的监测和控 制。其中美国高通公司于2017年已获得在加州公 路上测试自动驾驶汽车的许可证，这是当前在自动 驾驶汽车市场上发展的最新举措。大英博物馆、法 国罗浮宫和我国的故宫博物院等国际著名的博物馆纷 纷采用WSN技术，用于适时监测展品的安全状态。

WSN在水利行业的应用，目前还处于探索阶

无线传感器节点可根据需要布置在水库大坝、 水电站、栗站及灌区等，其监测的水位、雨量、流 量、水质及温湿度等数据沿着其他节点逐跳地进行 传输，经过多跳路由到达汇聚节点。汇聚节点将无 线传感器节点收集到的信息汇集到一起，是传感器 网络和互联网等外部网络的接口，一方面将通过无 线传感器节点接收到的信息发送给外部网络，另一 方面向传感器网络发布来自管理节点的指令，起到 中间连接桥梁的作用。管理节点直接面向用户，通 过管理节点对传感器网络进行合理配置和管理，发 布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点是一种微型嵌人式设备，采用微机

段，具有巨大的市场空间和应用价值，必将成为不 可替代的关键角色。

1无线传感器网络结构分析

传感器网络系统主要包括传感器节点、汇聚节 点和管理节点，如图1所示。节点是组成WSN的 基本单位，是构成WSN的基础平台。其中传感器

收稿日期：2018-02-27;修回日期：2018-03-07

基金项目：贵州省重大科技专项（20126013-4);贵州省水利厅科技专项经费资助项目（KT201611)

作者简介：邱春华（ 1975),男，贵州榕江人，研究员，在读博士，主要从事水利水电工程设计、咨询及科研工作，E-mail:737267494

@ qq.com。

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红水河2018年第2期

电系统(MEMS),如图2所示。息泄露、信息修改、信息攻击和拒接服务等多种威 胁，需部署无线传感器网络安全管理机制，采取加 密、认证和安全路由等技术措施。无线传感器网络 能量管理中需要关注的重点是节点能耗研究，当前 节点主要有工作、休闲和休眠三种状态，其能量主 要由电池提供，节点工作时能量一直处于消耗状 态，休眠状态几乎不用消耗能量，休闲状态介于两 者之间。

供水行业中随着供水用户的变化其传感器节点 相应进行移动和调整，移动管理负责监测当前节点 图2传感器节点结构示意图

传感单元包含传感器和ADC模块。传感器负 责采集监测区域信息，ADC模块负责数据的转换。 处理单元负责处理和存储节点采集到的数据和其它 节点转发来的数据。通信单元负责与其它传感器节 点进行通信，交换控制信息和收发采集数据。电源 模块为传感器节点的运行提供必须的能量，通常采 用生存期不低于2〜3年的微型纽扣式电池。

在通信协议方面，WSN协议与TCP/IP协议结 构类似，由底向上依次是物理层、链路层、网络 层、传输层和应用层[1],如图3所示[3]。

应用技术支撑

网络服务接口

网络管理接口

应用层时间同步

定位系统

安全

网传输层传输控制

Q

能童

络网络层路由拓扑管理

移动

管链路层MAC链路控制

理

物理层

无线电红外线光介质

fe务

网络通信协议

网络管理技术

图3传感器网络协议体系结构示意图

物理层负责信号调制及数据的发送与接收[1], 能耗是无线传感器网络物理层研究中需重点考虑的 问题。链路层负责MAC协议研究、介质访问和介 质控制等，采用不同的介质访问控制方法对传感器 节点收发数据的比率有直接影响，与能耗密切相 关。网络层负责建立通信路由，路由算法决定了传 感器节点数据采集和收发的速率，同样也会影响到 传感器网络能耗大小。传输层负责提供高效、可靠 的数据传输平台，通过汇聚节点获取传感器网络信 息，与外部网络进行通信，是保证内外部通信设计 的重要桥梁。应用层面向用户提供各种应用服务, 负责任务调度和数据分发等业务，对水利行业来说 可包括水位、雨量、流量和水质监测等应用软件。

网络管理技术包括拓扑管理、安全管理、能量 管理、移动管理和任务管理等[1]。无线传感器网 络拓扑会随着传感器节点的增加或减少而发生变 化，需对各节点状态进行管理以保证无线传感器网 络的畅通。为有效控制无线传感器网络所面临的信

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的变动，并及时调整与汇聚节点间的通信路由。无 线传感器网络任务管理对水利行业而言主要在水 库、大坝、渠道、电站、栗房等区域协议分配传感 器水位、流量、雨量和水质等信息采集任务，用于 管理后台的信息监测、分析及决策。另外，为了保 证各传感器节点工作的协议一致，并便于有效查找 传感器所处地理位置，需提供时间同步和定位系统 等应用支撑技术。

2

无线传感器网络故障诊断算法

水利水电工程往往位于偏远山区，无线传感器

网络地处环境恶劣，易受外界影响，传感器节点发 生故障时需及时进行有效诊断，并应具有一定的容 错性。当前无线传感器网络故障诊断算法主要有贝 叶斯信念网络（Bayesian Belief Networks, BBN )和 人工神经网络（Artificial Nerural Networks, ANN)等 算法[1]。2.1

基于BBN的故障诊断

贝叶斯信念网络BBN模型采用不确定性推理， 它提供一种因果关系的图形，采用有向无环图表 示[1],以贝叶斯理论为基础，可以在其上进行学 习，说明联合概率分布。贝叶斯网络fi(G, P)由 两部分定义。第一部分是有W个节点的有向无环图 G,水利水电工程用户可利用水位、流量、雨量等 不同数据之间的潜在关系来检测传感器是否发生故 障，这些数据可以同属于一个节点（例如水库大坝 节点），也可以属于不同的节点（例如坝区、厂区 和灌区），这类检测方法利于数据间的相互信任关 系（例如水位一流量关系曲线）对故障点进行检 测。有向无环图G中的每个节点代表一个随机变 量，而每条弧代表一个概率依赖。如果一条弧由节 点:F到Z,则:F是Z的双亲或直接前驱，而Z是:F 的后继。第二部分是每个属性一个条件概率表P。 条件概率可用户(毛I n(z,))表示[|]，网络中任意节点的联合概率PU,*2,…,\\)=i 合尸(' = I

I邱春华，葛少云，杨挺，等:无线传感器网络在水利水电工程中的应用

))。其中Parerak表示的直接前驱节点

的联合。

贝叶斯信念网络既可用于静态系统，也可用于 动态系统的故障诊断。传感器节点故障大多是突发 性随机故障，表现为该节点数据与其相对应的节点 数据不相称的时空规律，可通过检测传感器数据的 不一致性（例如水库坝前水位应高于坝后水位等）

来分析传感器故障。BNN用一组条件概率函数以 及有向无环图对不确定性的因果推理关系建模，具 有很高的实用价值。2.2

基于ANN的故障诊断

人工神经网络ANN是模仿生物神经网络功能 而建立的数学模型，人工神经网络是由大量神经元 节点互联组成的非线性、自适应信息处理系统，是 对人脑功能的模拟。人工神经网络采用并行分布式 系统，具有非线性（处于激活或抑制两种不同的状 态）、非局限性（联想记忆）、非常定性（自适应、 自学习能力）和非凸性（函数有多个极值）等基 本特征，其网络处理单元可分为输人层、输出层和 隐含层三类。输人层负责接受外部数据（例如水 位、流量、闸门开度等）；输出层负责对处理结果 的输出（例如开闸泄洪、机组发电、栗站开机等）； 隐单元是处在输人和输出单元之间，不能由系统外部 观察的部分，隐含层的层数和每层节点的个数决定了 神经网络的复杂度。人工神经元模型如图4所示[4]。

图4中，, *2,…\\是输人信号，它的输出 为；r, %,『2,…『„是神经元的权值，0为阈值， /是非线性输人输出函数，则

n

r =f (Xi = 1

wrx，~ 0) ⑴

常用的/函数有继电器型（hard limiter)[4],如

图5所示。

、 / 1 (* > 〇)

(2、

/(*) = {0 (“〇)

(2)

阈值逻辑型（threshold logi(:)[4],如图6所示。

0 (* 矣 0)

f (x) = { ax (0 < x ^1 /a)

(3)

1 (1/a < x)

S 型（sigmoid)[4],如图 7 所示。

1 + exp(-x)

(4)

图7 S型非线性函数图

除此之外，还有许多更复杂的结构。

神经网络由大量神经元联结在一起而共同组

成，不同函数将导致神经网络在结构和功能上的差 异，神经网络是非线性的，其总体性能不能将各神 经元功能进行直接叠加。

基于神经网络的故障诊断可分为两阶段进行。 首先是学习阶段，该阶段负责对神经网络进行训练 学习，选择合适的网络和学习样本，建立数学模 型，确定权值和阈值。然后是故障诊断阶段，将训 练好的神经网络进人预测或回想阶段，网络对于给 定的输人信息，根据已有的学习数据库，得到一个 输出，再与故障编码进行对比从而确定故障源。

例如在水利水电工程中，通过收集库区坝前和 坝后、取水口、调压井、发电厂房蜗壳层和尾水平 台等处的水位、流量传感器信号作为学习样本，结 合水位一流量关系曲线建立数学模型，对神经网络 进行学习训练，为便于对神经网络输出和实际参数 测量值之间的残差进行检验，还需收集上述传感器

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红水河2018年第2期

样本在故障情况下的信息。待神经网络学习完成 后，将水位、流量传感器实测数据导人诊断网络中 进行检测，可得到传感器是否故障，是否能继续使 用的诊断结果。

应用占空比，采用容量为220 mA的纽扣电池可工 作达2年以上[2]。为有效延长无线传感器网络寿 命，保障电池能量资源在2〜3年内不用替换，建 议在水利水电工程应用中，各汇聚节点接人节点数 量按不超过50个，逐跳距离按25 m进行配置，可 满足大坝、厂房、调压井、输水渠道等部位信息监 测需要，并适用于环境恶劣的偏远山区。3.1

水位流量监测应用

根据水库调度、防汛抗旱及水力发电需要，需 适时监测河流水位流量信息，可在水库大坝取水 3无线传感器网络在水利水电行业中 的应用

水利水电工程多数位于偏远的山区、河流。这

些地区交通环境相对较差，电网及通信网络覆盖率 偏低，采用无线传感器网络有利于推进我国水利信 息化建设，具有极大的应用空间和推广价值。

国际上关于无线传感器网络在水利水电行业的 新闻报道较少，与之相近的是WSN在农业生产和 生态监测领域的应用。美国英特尔公司曾将WSN 技术应用在俄勒冈州的一家葡萄园中，通过对温湿 度等数据进行采集检测，分析比较后给出科学合理 的种植方案，确保葡萄的顺利生长并取得了丰硕的 成果。澳大利亚联邦科学院CSRIOICT研究中心将 无线传感器节点用于对动物的脉搏、血压等生理数 据采集和外界环境温湿度等参数检测，研制完成动 物草地放牧模型。国内方面，江苏无锡在2010年 采用WSN技术建成水质自动监测站，形成太湖水 域“建设、管理、服务”三位一体监测体系，有利 于提高管理自动化水平，并提高了工作效率。南水 北调中线工程米用物联网（Internet of Things，IoT) 技术布置了 10万多个传感器用于监测渠道损坏、 水质及流量等信息[5]，该物联网包含了有线和无 线两种信息传输方式。

水利水电工程需监测的部位点多面广，既要求 无线传感器网络的覆盖区域最大化，又要满足节点 间足够的通信距离，可基于以汇聚节点所在位置为 圆心，以各节点相对汇聚节点距离为半径在二维及 三维空间范围内部署无线传感器网络，依次确定各 节点间的相互位置以保证各节点间进行可靠通信。 各汇聚节点能接人的最大节点数量和节点间的最优 逐跳距离在数学模型上可采用贪婪算法进行求解， 汇聚节点通过选择最短路径的节点集合尽量覆盖

WSN监测区域，该算法同时考虑了无线传感器网

络的覆盖性和连通性，可有效降低WSN网络成本。 传感器节点间的逐跳距离即通信间距远近和传感器 节点功率大小有关，而传感器节点功率又与能量系 统紧密相连。汇聚节点覆盖节点数越多，节点逐跳 距离越长，节点能耗就越大，就会降低无线传感器 网络寿命。当前电子传感器技术可实现节点间直线 传输距离为30m时，电流不超过10mA，考虑到

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口、溢洪道、调压井、压力前池和发电厂房部署

WNS节点，采集水位流量数据。传感器节点采用

电池供电方式，经汇聚节点将信息传至管理节点 (集控中心），为水库调度提供决策依据。如图8 所示。采用无线传感器网络模式进行的组网灵活、 方便，适用于恶劣运行环境及人类难以到达部位， 各节点以多跳方式传播，采用标识方式进行识别。

3.2供水灌溉应用

在供水灌溉工程中根据工程需求，需对渠道分

水口和用户终端的输水（用水）流量进行监测，实 时掌握供配水量，为合理和优化配水及对分水闸、 提水栗站控制提供科学依据，实现输供水调度自动 化。可采用WNS技术对分水口和用户终端流量进 行监测，适应灌区点多面广的特点，提高数据采集 和处理的灵活性，无线传感器投运不需敷设专用供 电线路和光纤，减少人员巡测消耗。

供水灌溉流量自动监测是实现管理智能化和用 水计量与结算的基础，对于合理调度配置水量、提 高用水管理决策水平均具有重要意义。对供水灌溉 传感器节点部署建议如下：

1)在高位水池处设置无线远传流量传感器， 传感器采用高性能电池供电，无线收/发采用双向

邱春华，葛少云，杨挺，等:无线传感器网络在水利水电工程中的应用

通信，可以进行点对点、点对多点通信，组网灵

活，传送距离可达20 km。对高位水池的测量精度 要求相对较低，水池通常为渠道断面，过流流量较 大，布置2〜4套WNS节点（考虑节点冗余）可满足 管理节点（监控后台）的采集需要。

2) 在供水灌溉工程中涉及到供水分水口或向 水厂进水管供水处设置高精度流量节点，用于计量 水量与监控水情，该分水测点处要求设备精度较 高，且大多采用管道形式，采用4〜6套WNS节点 基本能满足功能需要。

图10水质监测系统总体构架图

3)

其余供水灌溉工程中的分水口在当前设计

中都采用管道形式，对测站计量精度要求较低，可

采用普通经济型流量传感器对流量进行监测，各部

署2套WNS节点。

4)

栗站运行环境相对较好，其水栗进水管出水管各布置1套电磁式流量计，该电磁式流量计 应能与其它传感器节点进行有效通信，交换信息，

如图9所示[6]。

图9供水灌溉工程WNS系统框架图

3.3水质监测应用

我国城镇供水从原水到水厂再到用户的饮用水

输送过程中，经过取水、混凝、沉淀、过滤、消 毒、输水等许多环节，最终分流到用户终端，其中 会发生复杂的生物和理化作用，水质将发生变化。 另外自来水一旦发生微生物污染或化学污染，水质 变化很快而且影响范围大，会造成短期集中爆发。 由于水质安全问题非常重要，应加强饮水工程水质 监测。根据供水工程水环境监测要求，在输水系统 的关键部位需设置水质监测系统，对物理、化学及 放射性指标进行监测，常规饮用水质指标有水温、

浊度、溶解氧、余氯、pH和电导等[7]。通过将无 线传感器网络应用于水质自动监测系统，在水源点 及输水线路合适位置设置监测站，测站现场布置

WNS节点，实时采集水质监测数据，再借助远程

网络将信息传至监控中心管理终端进行分析和处 理，高效快速作出应对措施(如图10所示）。

利用各节点水质传感器对水质状态进行监测，

并把这些采集到的数据经多跳路由汇人网关（汇聚

节点），最后到达监控中心，实现远程对各节点水

质的实时在线监测。

4

结语

作为科学技术的发展方向之一，无线传感器网

络扩展了人们与现实环境进行远程交互的能力，其 传感器节点的部署灵活多样，覆盖范围大，可因地 制宜、因时制宜，选择最优传输路径，尤其是监测 部位地处环境恶劣、人力到达困难的地方，可广泛 应用在交通、水利、农田、环保、航天、军事和医 疗等众多行业中，同时也面临着电源、通信和计算 能力有限，网络安全等诸多挑战[2]。目前国内外 众多学术机构对WSN技术进行广泛深人的研究, 其研究重点在于自组网技术和智能感知两个方面, 本文通过对无线传感器网络结构、故障诊断及其在

水利水电行业中的应用研究作了介绍，希望能引起 大家对该技术的关注，并逐步在水利水电行业中推 广应用。

参考文献：

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京:南京邮电大学，2011:11-17,83.

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用[J].农业工程学报，2005,21(12):232-235.

[4] 宋京伟，佐山隼敏，铃木和彦.人工神经网络与故障诊

断[J].华东交通大学学报，1994，11(3):1-9.

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(英文文摘下转第17页）

11

、 南

与

李倩，申忠辉:基于Excel及VBA编程的水力自动化计算

图”——“宏”——“查看宏”——“编辑”， 功能，可以为工作提供很大的便利，极大提高效 率。在不断的实践过程中，还可以有许多技巧需要 我们去挖掘和探索。Excel的函数及VBA功能除了 应用在水力学自动化计算方面，还可以应用在施工 组织设计、建筑物整体稳定计算、设计成果整理等 方面，因此掌握好Excel VBA可以更好地进行水利 设计工作[2]。

参考文献：

[1]

Excel Home. Excel VBA实战技巧精粹[M].北京:人民

就可以进人VBA的编辑界面，对录制好的宏代码 进行编辑。

对试算下游水位的宏代码编辑如下：

Sub试算下游水位（）'试算下游水位宏 '试算下游水位 Dim iAs Long For i = 1 To 61

Range( H D24：HZ24H ) .Cells( i) .Select

Range( H D24 ： HZ24H ).Cells(i) .GoalSeekGoal ：=0, ChangingCell:=Range(,'D22:HZ22,').Cells(i)Next End Sub

邮电出版社，2013.

[2]

胡芳筠，金志华，徐炯鹏.Excel VBA在水利工程计算

中的应用[J].中国新技术新产品，2009(19)：60.

[3]

陈劼，张昕，程建川.基于Excel的道路设计数据管理

及表格生成[J].交通信息与安全，2011(2)：112-116.

5应用效果及展望

Excel是水利工程设计人员经常使用的计算工

[4] 刘甘华.Excel在大坝监测数据分析中的应用[J].安徽

水利水电职业技术学院学报，2014(2)：76-78.

[5]

阚宁，翟晓宇.VBA在测量内业工作中的应用[C]//吉

具软件，可以根据具体的设计计算任务进行个性化 计算表格制作，充分利用好Excel的函数及VBA

林省土木建筑学会2012年学术年会论文.长春:吉林 省土木建筑学会，2012.

Hydraulic Automation Calculation Based on Excel and VBA Program

LI Qian1, SHEN Zhonghui2

(1. Guangxi College of Water Resources and Electric Power, Nanning, Guangxi, 530007;

2. Guangxi Water and Power Design Institute, Nanning, Guangxi, 530023)

Abstract: This paper studies advantages and disadvantages of commercial software, self-programming calculation, and Excel calculation method with link function widely used in water conservancy and hydropower investigation and design institutes in China, and proposes the method of hydraulic automatic calculation based on VBA programming in Excel to achieve targeted, personalized and automatic hydraulic calculation. Engineering practices show that the method is highly efficient, simple and easy to learn. It can also present the results accurately and intuitively by using the graph function of Excel.Keywords : hydraulics; calculation; programming; software

(上接第11页）

Application of Wireless Sensor Network in Water Conservancy

and Hydropower Engineering

QIU Chunhua1,2, GE Shaoyun1, YANG Ting1, XIANG Guoxing2

(1. School of Electrical Engineering and Automation , Tianjin University , Tianjin , 300072;

2. Guizhou Survey & Design Research Institute for Water Resources and Hydropower , Guiyang , Guizhou , 550002)Abstract: In China, most of the water conservancy and hydropower projects are located in remote mountainous areas with poor environment. For the purpose of unified regulation, it is necessary to place massive sensors to collect hydraulic information such as water level, flow, water quality, gate opening, etc. from reservoirs, power stations, irrigated areas or other parts according to the requirements of water resources informatization construction. However, the traditional sensor network is not only difficult in placement but also expensive in operation and maintenance. Instead, the wireless sensor network ( WSN) has the advantages of fast construction, flexible expansion, low input cost and easy maintenance for its integration of sensor, micro - electro - mechanical system ( MEMS) , wireless communication and distributed information processing technology, which has a wide application prospect in water conservancy and hydropower industry.Keywords wireless sensor; network; water conservancy and hydropower engineering; application

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