GNSS自動化監(jiān)測技術(shù)在海堤監(jiān)測應(yīng)用的探索

王宏暉 毛 偉

(1.福建省惠安縣外走馬埭海堤管理處，福建 泉州 362100；2.上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201702)

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GNSS自動化監(jiān)測技術(shù)在海堤監(jiān)測應(yīng)用的探索

王宏暉1毛 偉2

(1.福建省惠安縣外走馬埭海堤管理處，福建 泉州 362100；2.上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201702)

隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，GNSS自動化監(jiān)測以其連續(xù)實時、無需通視、自動化程度高等特性，在監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著傳統(tǒng)監(jiān)測手段不可替代的作用，本文通過GNSS自動化監(jiān)測技術(shù)在惠安縣外走馬埭海堤監(jiān)測中的應(yīng)用，分析了GNSS數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析等關(guān)鍵技術(shù)，旨在分析總結(jié)GNSS自動化監(jiān)測技術(shù)的在形變監(jiān)測中的優(yōu)勢及其發(fā)展趨勢。

GNSS； 自動化監(jiān)測； 形變監(jiān)測

1 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各地正大規(guī)模規(guī)劃建設(shè)、維修、加固各段海堤，作為抵抗風(fēng)暴潮，特別是臺風(fēng)和高潮襲擊的第一道防線，海堤可以說是海岸帶的人工屏障，其運(yùn)行狀態(tài)將會直接影響臨海地區(qū)的安全等級。

由于各種因素的影響，海堤在施工和運(yùn)營期間，會產(chǎn)生各種危險源，如果超出了規(guī)定的限度，就會影響海堤的施工和正常使用，嚴(yán)重時還會危及安全，帶來嚴(yán)重的后果。因此，在海堤工程施工和運(yùn)營期間，對其進(jìn)行有效監(jiān)測顯得尤為重要。

2 項目概況

福建省泉州外走馬埭海堤提級擴(kuò)建工程位于福建省湄洲灣南岸惠安縣境內(nèi)，地處惠安縣輞川、東橋、凈峰三鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)。工程區(qū)東面臨海，西連走馬埭現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)示范區(qū)，北臨福建省石化基地——泉港區(qū)，南靠湄洲灣國際中轉(zhuǎn)港——斗尾港和斗尾大型船舶修造廠。該區(qū)域海灣灘涂平坦，近海環(huán)境功能分區(qū)為三類海區(qū)。工程區(qū)距泉州市區(qū)40km，離惠安縣城10km。陸路、水路交通便捷，福廈公路、泉惠高速公路、福建省道201線、泉州沿海大通道從工程區(qū)外圍通過。工程原為大型圍墾工程，防護(hù)面積5.15萬畝，現(xiàn)已規(guī)劃為泉惠石化工業(yè)園區(qū)。

外走馬埭海堤2004年8月開工，2009年14.011km的海堤工程整體完工，原設(shè)計為3級防堤，防潮標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，保護(hù)對象為外走馬埭墾區(qū)。2012年下半年，福建省人民政府批準(zhǔn)在圍墾區(qū)內(nèi)成立泉惠石化工業(yè)區(qū)，墾區(qū)的用途發(fā)生了轉(zhuǎn)變，外走馬埭海堤工程防護(hù)對象變?yōu)閲壹壌笮褪貫橹鞯墓I(yè)園區(qū)，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—1994)和《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(SL 435—2008)的要求，外走馬埭海堤工程防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提升至200年一遇，工程等級為1級。

海堤是抵御海潮侵襲、保護(hù)沿海城鄉(xiāng)安全和生產(chǎn)的堤防工程，如堤壩多處存在不均勻沉降和塌陷，將嚴(yán)重影響堤壩的正常運(yùn)行，一旦因為自然或者人為原因失事，將給沿海人民生命財產(chǎn)造成巨大的災(zāi)害和損失，所以海堤的安全監(jiān)測顯得尤為重要，本文主要講述的是GNSS自動化監(jiān)測技術(shù)在海堤形變監(jiān)測中的應(yīng)用。

3 監(jiān)測現(xiàn)狀

目前外走馬埭海堤的監(jiān)測方式為GNSS人工監(jiān)測，即測量工程師定期使用GNSS接收機(jī)到每個監(jiān)測點上進(jìn)行RTK測量，待所有監(jiān)測點完成測量工作之后，測量工程師返回辦公室，將測量結(jié)果導(dǎo)入電腦，與各個監(jiān)測點的初始坐標(biāo)進(jìn)行對比，得出各個監(jiān)測點的變形量；結(jié)合項目現(xiàn)場特性，在監(jiān)測過程中存在以下難點：

a.受天氣影響，在大風(fēng)大雨等極端天氣下，測量工程師在工作中存在安全風(fēng)險。

b.每次測量設(shè)備的對中跟之前不可能在同一個位置，存在一定的誤差。

c.RTK測量的精度相對較低，為1～2cm。

d.監(jiān)測點帶狀分布，且距離長，外業(yè)工作量大，耗時長。

e.時效性低。

4 監(jiān)測系統(tǒng)原理

GNSS監(jiān)測系統(tǒng)是利用現(xiàn)代電子、信息、通信及計算機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)對海堤形變監(jiān)測數(shù)據(jù)實時、自動、連續(xù)采集以及傳輸、管理、分析的監(jiān)測技術(shù)。

系統(tǒng)建立綜合性的監(jiān)管平臺，依托智能的軟件系統(tǒng)，當(dāng)海堤形變監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，及時預(yù)報預(yù)警，提醒企業(yè)盡快啟動相應(yīng)的處理措施及預(yù)案，保障海堤的安全運(yùn)行，確保工業(yè)園區(qū)的安全生產(chǎn)。

GNSS監(jiān)測原理：

GNSS參考點設(shè)置在非形變區(qū)，GNSS監(jiān)測點設(shè)置在形變監(jiān)測區(qū)(監(jiān)測斷面的布置和監(jiān)測點的數(shù)量根據(jù)監(jiān)測項目的要求來設(shè)置)，各GNSS監(jiān)測點與參考點接收機(jī)實時接收GNSS信號，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器GNSS數(shù)據(jù)處理軟件HCmonitor實時差分解算出各監(jiān)測點三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測點實時三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對比而獲得該監(jiān)測點變化量，同時分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進(jìn)行報警，如圖1所示。

圖1 GNSS監(jiān)測示意圖

5 監(jiān)測系統(tǒng)組成

海堤自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)利用高精度GNSS接收機(jī)和專業(yè)的監(jiān)測軟件平臺，通過TCP/IP的數(shù)據(jù)協(xié)議實現(xiàn)現(xiàn)場GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)與計算機(jī)軟件之間的互通，實現(xiàn)了海堤形變監(jiān)測系統(tǒng)無需人工值守、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與處理分析可在監(jiān)控室主機(jī)自動控制下完成的設(shè)計目的。該系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、性能穩(wěn)定等特點，其組成包括：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、控制中心子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)4個部分(見圖2)。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

5.1 傳感器子系統(tǒng)

系統(tǒng)由布置在各個監(jiān)測點上的華測N71 GNSS接收機(jī)和A220測量型天線組成，主要作用是全天候24h不間斷采集監(jiān)測點的GNSS原始數(shù)據(jù)。

5.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

系統(tǒng)由布置在各個監(jiān)測點上的GPRS模塊和SIM卡組成，主要作用是將現(xiàn)場所有N71接收機(jī)采集到的GNSS原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)模式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心服務(wù)器上。

5.3 監(jiān)控中心系統(tǒng)

系統(tǒng)由布置在監(jiān)控中心的服務(wù)器、操作終端、數(shù)據(jù)采集軟件HCsim、GNSS解算軟件HCmonitor、客戶端平臺軟件HCmas、預(yù)警模塊等組成，主要作用是將現(xiàn)場回傳的GNSS原始數(shù)據(jù)通過GNSS解算軟件HCmonitor進(jìn)行處理，再由數(shù)據(jù)采集軟件HCsim負(fù)責(zé)存儲，并最終通過平臺軟件HCmas將處理成果進(jìn)行分析并展示出來，如果處理結(jié)果超出預(yù)先設(shè)定的報警值，則預(yù)警模塊將對外發(fā)出警報。

5.4 輔助子系統(tǒng)

系統(tǒng)由供電和避雷兩部分組成，供電是為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，供電方式采用太陽能供電；避雷則是防止設(shè)備被雷擊損壞，通過在監(jiān)測點附近增設(shè)避雷針來防雷。

6 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

a.系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的采集、顯示、存儲、數(shù)據(jù)通信、管理、系統(tǒng)自檢和報警功能。

b.系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制功能，可通過串口利用網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行遙控監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集軟件上的所有功能，并對數(shù)據(jù)采集軟件中的歷史數(shù)據(jù)有訪問權(quán)限的進(jìn)行提取。

c.系統(tǒng)可監(jiān)視運(yùn)行期間堤壩的狀態(tài)變化和運(yùn)行情況，在發(fā)現(xiàn)不正常現(xiàn)象時及時分析原因，采取措施，防止事故發(fā)生，以保證生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

d.系統(tǒng)可定期進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的整編，為以后的設(shè)計、施工、管理提供資料。

e.系統(tǒng)可隨時對觀測資料進(jìn)行分析，開展對堤壩運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行技術(shù)鑒定，總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗，為改善運(yùn)行方式和制定安全措施、評價生產(chǎn)狀態(tài)提供數(shù)據(jù)。

f.系統(tǒng)能綜合歷史數(shù)據(jù)和實時采集形變數(shù)據(jù)，按照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)過程線分析、位勢分析、沉降分析、等值線分析、安全狀態(tài)分析等有關(guān)堤壩安全分析。

g.系統(tǒng)具有良好的防雷抗干擾，確保系統(tǒng)不因雷擊而損壞。

7 安全報警與應(yīng)急處置流程

安全報警與應(yīng)急處置流程見圖3。

圖3 安全報警與應(yīng)急處置流程

8 系統(tǒng)對管理方的意義

8.1 現(xiàn)場巡視員

巡視員定期對海堤進(jìn)行人工巡視，迅速了解現(xiàn)場詳細(xì)情況，發(fā)現(xiàn)隱患，及時向總調(diào)度室匯報，同時也接受總調(diào)度室針對異常情況而發(fā)出的巡視指令，立即檢查異常部位，并匯報情況。

巡視員在線報告巡檢情況，現(xiàn)場核實監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測指標(biāo)；巡視員巡查軌跡實時跟蹤、記錄。

8.2 現(xiàn)場值班室

值班人員能夠?qū)崟r查看各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，及時了解堤壩的運(yùn)行情況。

作為數(shù)據(jù)接收和處理中心，通過配套的各種專用軟件系統(tǒng)，隨時監(jiān)控堤壩危險源動態(tài)，對堤壩危險源做動態(tài)安全評估，在突發(fā)情況下，通過警燈、警號、計算機(jī)模擬語音、手機(jī)短信等多種渠道向上級發(fā)送發(fā)現(xiàn)的危險源險情。

8.3 控制中心

配置服務(wù)器，保證服務(wù)器24h工作，能夠及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，發(fā)布到WEB客戶端上，實時顯示各監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況，掌握堤壩的安全動態(tài)，并通過多種手段進(jìn)行報警。

8.4 海堤監(jiān)管部門

a.可不受地域限制隨時掌握堤壩的運(yùn)行情況。

b.及時掌握堤壩監(jiān)測預(yù)警信息。當(dāng)危險源預(yù)警時，可通過手機(jī)接收預(yù)警信息。

c.隨時掌控堤壩監(jiān)測危險源動態(tài)。可通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)查看堤壩的相關(guān)實時數(shù)據(jù)和圖像。

d.隨時掌控堤壩監(jiān)測的運(yùn)行情況。平時可通過綜合監(jiān)管系統(tǒng)全面、及時、準(zhǔn)確了解各項監(jiān)測工作情況，在突發(fā)情況下，迅速調(diào)閱第一手資料，及時指揮應(yīng)急處置與救援。

e.預(yù)留外網(wǎng)訪問該監(jiān)測系統(tǒng)的功能，如果需要可以開放該端口，給上級安全監(jiān)督主管單位。

9 結(jié) 語

GNSS監(jiān)測技術(shù)具有精度高、速度快，不受天氣、通視條件限制等優(yōu)點，恰到好處地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測方式的缺陷，同時，GNSS以其全天候自動化監(jiān)測的特性，克服了14km海堤監(jiān)測的難點，不用監(jiān)測人員進(jìn)行人工監(jiān)測，避免了人工監(jiān)測的誤差，同時即便是暴雨、大霧等天氣，GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)依然可穩(wěn)定有效運(yùn)行，不需監(jiān)測人員在極端惡劣的環(huán)境下進(jìn)行危險監(jiān)測，管理人員也能了解海堤在極端天氣下的安全運(yùn)行狀況；GNSS自動化監(jiān)測技術(shù)是一種值得推廣的有效方法，尤其適用于大型工程建筑物的形變監(jiān)測。

[2] 謝向進(jìn)，榮幸.GNSS技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用，科技資訊，2008(23).

[2] 徐紹銓,張華海,楊志強(qiáng).GPS測量原理及應(yīng)用[M].3版.武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

Exploration of the application of GNSS automatic monitoring technology in seawall monitoring

WANG Honghui1, MAO Wei2

(1. Fujian Hui’an County Waizoumadai Seawall Management Office, Quanzhou 362100, China;2.ShanghaiHuaceNavigationTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201702,China)

GNSS automatic monitoring has an irreplaceable role of traditional monitoring means in monitoring field by its continuous real-time, sighting-free, high automation degree and other features with the continuous development of monitoring technology. In the paper, GNSS data collection, transmission, analysis and other key technologies are analyzed through applying GNSS automatic monitoring technology in Hui’an Waizoumadai Seawall monitoring, thereby analyzing and summarizing the advantages and development trend of GNSS automatic monitoring technology in deformation monitoring.

GNSS; automatic monitoring; deformation monitoring

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.019

TV698.1+1

A

1005-4774(2016)12- 0073- 04