北斗衛星導航定位系統在人工島安全監測中的應用

呂達昕

【摘 要】人工島在完成填島后，尤其是島上大規模工程建設后，島嶼的穩定性備受管理者和居民的關注。文章對北斗衛星導航定位系統及其高精度定位終端在人工島安全監測上的應用進行探討。通過監測島嶼變形的連續變化，掌握島嶼結構變化的情況。基于大量的監測數據記錄和分析，為人工島的工程建設、城市管理與維護及其他地區的人工島建設提供決策依據。

【關鍵詞】人工島;安全監測;北斗衛星導航系統

【中圖分類號】TN96.1;P228【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）05-0113-02

雙魚島位于漳州開發區，是全國首例離岸式人工島。人工島的穩定性主要受以下因素的綜合影響：區域地殼穩定性（地質構造特征、地震、板塊地面沉降）、地基穩定性（持力層性質、工程軟弱層）、海洋環境穩定性（風暴潮、海流、波高、水深）。本文對基于北斗高精度位置服務平臺在雙魚島護岸的安全監測進行討論。項目選取對雙魚島安全性影響最大的島上綜合地下管廊和護岸進行安全監測。監測其變形的連續變化情況，提供預警分析、降低由位移沉降引起的災害所造成的損害。同時，基于大量的監測數據記錄和分析，為人工島上的工程建設、城市管理與維護及其他地區的人工島建設提供決策依據。

1 系統設計原則

安全監測系統應能全面、準確地反映監測對象在施工期和運行期的實際工作性態。根據地質條件、結構特點，以及在相同類型對象的代表性等因素，確定重點監測對象和一般監測對象。測點布置需突出重點。監測項目應統籌安排，配合布置。重要監測斷面或部位的某些重要測點，可綜合采用幾種監測手段，并針對關鍵部位的重要物理量的監測設備備份儀器。應結合影響工程安全的主要因素，有針對性地設置監測項目和布置監測儀器。應選擇性能穩定可靠且適宜于在惡劣環境中長期工作的監測儀器和設備。儀器的量程和精度應滿足監測要求。需要長期觀測的重要監測項目，其儀器設備應便于更換。

2 雙魚島安全監測方案

2.1 雙魚島地下管廊監測方案

雙魚島地下管廊是雙魚島的生命線，是島上資源傳輸的主要通道，也是雙魚島獲取能源的重要渠道。作為人工填島，地處較復雜的海洋環境中，可能發生不規則沉降、滲水等問題，對地下綜合管廊構成威脅。此外，地下綜合管廊在投入使用后，將處于高頻、高負荷的工作狀態。由此引發的老化、結構損傷等問題也將成為雙魚島地下管線及雙魚島地面的安全隱患。

鑒于此，對雙魚島地下綜合管廊的監測應包括以下內容（見表1）。

2.2 雙魚島護岸安全監測

由于護岸對于人工島基礎安全的重要性，以及其本身受自然環境影響的不確定性，因此雙魚島護岸的安全和穩定性對填島工程非常關鍵。護岸是整島抵御海洋災害的重要屏障，因此了解其運行狀態非常關鍵，有必要進行安全監測。沉降及位移監測，為護岸的安全使用提供依據。監測內容主要包括表面位移監測和深部位移監測。從人工島大小考慮，該監測對象的監測網點設計為60個表面位移點、20個內部（深部）位移點，網點設計采用沿護岸輪廓組網。

3 軟件系統設計

安全監測系統的主要功能是監測數據的接收、轉換、存儲、分析與展示。大數據的功能應用決定了系統的架構要具有靈活性、可維護性、可擴展性、可靠性、安全性等最根本特性。因此，系統主要由數據接入層、后臺服務層、數據層、服務接口層、應用層組成，以及信息標準規范體系、信息安全保障體系、項目統一規劃的基礎設施及信息運行保障體系構成。采用多層體系結構模型能更好地對監測服務平臺進行擴展。

3.1 軟件系統架構

安全監測軟件系統由核心處理分析引擎、安全監測服務系統、緊急指揮系統3個子系統組成，并需要系列接口支持。

3.2 核心處理分析引擎

核心處理分析引擎是整個安全監測數據處理分析的核心引擎，驅動其他所有業務系統有效運行。核心處理分析引擎需要達成以下目標：？譹？訛系統可以連續、自動、實時地完成監測對象外部變形數據的采集及處理。？譺？訛根據引擎處理的數據，可實現分析、過程線圖形繪制、判斷、預測、報表打印和WEB發布等多種功能。？譻？訛數據可通過互聯網或者無線通信網絡轉發至其他系統。？譼？訛參考相關標準規范及經驗數據，為變形體設置預警值，實現超限報警功能。？譽？訛支持邊坡、自然斜坡、水庫、建筑、護岸、管廊等多種場景的變形監測引擎。

系統軟件功能結構如圖1所示。

3.3 安全監測服務系統

安全監測服務系統可通過網絡訪問核心處理分析引擎的監測站數據，針對各測點數據進行實時展示和查詢，主要包含以下功能模塊。

數據采集及處理：該功能包括前端數據采集、數據傳輸、數據處理。前端由北斗衛星接收機、應力應變、風力、濕度等各類傳感器實時采集數據，數據由數據通信網絡傳輸并進行數據處理，核心處理分析引擎對數據進行分析，實時監測變形體的位移情況。

數據查詢：按時間、時間段、空間、項目、設備類型、設備狀態、數據狀態查詢。

數據通道：實現數據導入、數據導出、報表生成、報表導出、報表定時導出、報表展示（趨勢圖、比重圖、對比圖、地圖展示等）等功能。

預警告知：實現信息發送、發送群組管理、發送頻率、信息屏蔽、信息優先級、信息內容編輯、個性化設置、費用查詢、到期查詢等功能。

數據展示：以項目、設備為單位，顯示位移、沉降、內部位移、含水率、內部水位、側部測斜、應力、應變、震動、風力風速、加速度、拉力、溫度、濕度、突變、報警、離線等指標及綜合分析結果，可以對上述數據進行時間維度和空間維度的類比、同比、速度對比、速率對比，輸出各類報表，其目的是快速發現險情，分析險情原因，排除險情誤報，預知風險趨勢。

安全業務服務：包括護岸安全管理服務、地下管廊安全管理服務，其目的是根據開發區組織結構及業務需要，均衡分配管理任務，方便各業務部門組織安全管理工作。每個系統均包含快速預覽頁面，以快速直觀的方式將最關注的突變、告警、離線、正常等設備信息和項目信息呈現出來。

4 北斗衛星導航系統在雙魚島安全監測中的應用實現

本項目所記錄的關鍵數據為雙魚島整體及各監測點所在局部的位移和沉降，因篇幅所限，現就護岸的數據的記錄做簡要說明。

4.1 表面位移和沉降

通過北斗高精度定位終端，監測和記錄系統上線以來雙魚島的位移和沉降數據。系統記錄并顯示了其中一個或多個監測點位在可選定的時間段內的位移信息，并在監測總述中對異常點位進行提醒（同時管理員將收到短信）。

4.2 深部位移

島嶼的深部位移主要通過測斜儀實現。系統記錄并顯示了其中一個或多個監測點位在可選定的時間段內的深部位移量。

5 結語

作為全國首例離岸式人工島，其填島后尤其在島上開始大規模建設后，島嶼的安全是管理者也是居民最關心的問題。本項目在島上尚未大規模動工前，對整個人工島的沉降、位移等進行了監測，從而掌握了島嶼的結構變化。大量的監測數據積累和分析，為人工島的工程建設、城市管理與維護及其他地區的人工島建設提供決策依據。同時，本項目是國內首個將北斗用于城市級的綜合安全監測的案例，實現北斗高精度變形監測系統的產業化示范效應。

參 考 文 獻

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