堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用

黃玉標(biāo)

(東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 東莞 523115)

0 引言

對(duì)江河堤防實(shí)施安全監(jiān)測(cè)是抗洪防汛的重要技術(shù)手段，我國(guó)歷來(lái)都十分重視堤防的建設(shè)和安全。過(guò)去對(duì)堤防的安全監(jiān)測(cè)基本都以傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式為主，這種監(jiān)測(cè)方式不僅工作條件艱苦，工作量巨大，難以順利實(shí)施，而且在水位上漲的情況下，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，特別是對(duì)迎水坡的監(jiān)測(cè)問(wèn)題根本就很難實(shí)施[1]。為了解決這個(gè)難題，構(gòu)建符合堤防特點(diǎn)的自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是確保江河堤防安全，實(shí)施抗洪防汛，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重大戰(zhàn)略舉措。為此，本文以堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用為研究課題，作如下探討。

1 構(gòu)建堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要性及其目標(biāo)與原則

1.1 構(gòu)建堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)堤防建設(shè)安全管理由手工、半手工方式向自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)管理的轉(zhuǎn)換，從某種意義上講，是堤防建設(shè)管理上的一次技術(shù)革命[2]。堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所提供的，各種巖土信息以及空間化、可視化的管理模式，為各級(jí)地方政府和有關(guān)部門(mén)提供了決策依據(jù)。構(gòu)建堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施目標(biāo)有3個(gè)方面：(1)實(shí)現(xiàn)堤防可視化的信息管理表達(dá)。(2)實(shí)現(xiàn)巖土信息檢索和各類(lèi)空間實(shí)體的瀏覽。(3)建立堤防預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)堤防自動(dòng)化、安全評(píng)價(jià)和預(yù)警預(yù)報(bào)一體化[3]。

1.2 構(gòu)建堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原則

設(shè)計(jì)堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)遵循的原則有6個(gè)方面。(1)系統(tǒng)性。既要考慮堤防管理的實(shí)際需求，又要考慮上級(jí)主管部門(mén)的信息需求。(2)實(shí)用性。既要考慮運(yùn)行的穩(wěn)定性，又要考慮提供信息的準(zhǔn)確性。(3)先進(jìn)性。在軟硬件和數(shù)據(jù)庫(kù)管理方面，要盡量運(yùn)用當(dāng)前的先進(jìn)技術(shù)。(4)標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一性原則。在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)接口等方面，要按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。(5)安全與保密的原則。要為不同用戶設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限。(6)可拓展性原則。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用要有戰(zhàn)略眼光，要考慮將來(lái)的升級(jí)和發(fā)展[4]。

2 堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為B/S的多層架構(gòu)體系，采用的是MVC模式，即整個(gè)系統(tǒng)分為4個(gè)層次：交互層、Web層、邏輯層和數(shù)據(jù)層。其中：交互層的作用是系統(tǒng)的公共接口。Web層功能與作用主要是：一是負(fù)責(zé)交互層用戶的發(fā)送請(qǐng)求，二是具有防火墻的功能作用，排除非法用戶的鏈接請(qǐng)求，從而確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全。邏輯層是在ArcGIS S ewer平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)置的GIS服務(wù)器中心；這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的全部分析處理數(shù)據(jù)，甚至包括空間數(shù)據(jù)在內(nèi)的所有調(diào)用都是在GIS服務(wù)器中才得以最后實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)層主要是對(duì)堤防安全監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行集中有效的管理。總體結(jié)構(gòu)的具體情況如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)

本安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)分別由堤防工程模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊、險(xiǎn)控導(dǎo)工程模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、用戶管理控制模塊以及歷史加固數(shù)據(jù)模塊7種子模塊構(gòu)成。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)自思想的5個(gè)方面：(1)需求分析階段。主要有兩點(diǎn)：一是考慮擴(kuò)充和修改的可能；二是從用戶的參入需求方面來(lái)進(jìn)行考慮。(2)概念的雛形設(shè)計(jì)階段。就是這個(gè)設(shè)計(jì)的模型要能真實(shí)反映客觀事物的本來(lái)面目。(3)邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形成階段。在這個(gè)階段，作為對(duì)象信息的屬性，必須是具有原子性的；要確定數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系。(4)物理設(shè)計(jì)的形成階段。這個(gè)階段主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)定義，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行試運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裝載。(5)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的正常運(yùn)行進(jìn)行有效的維護(hù)階段。在這個(gè)階段，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)和恢復(fù)，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全和完整。數(shù)據(jù)庫(kù)的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的嵌入

2.4.1 WebGIS原理

WebGIS是萬(wàn)維網(wǎng)一種地理信息系統(tǒng)。它是在Internet平臺(tái)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用WWW協(xié)議在萬(wàn)維網(wǎng)上運(yùn)行的一種地理信息系統(tǒng)，它借用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)進(jìn)一步完善和發(fā)展自己，也可以說(shuō)是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。其核心所在就是將HTTP和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用體系，嵌入地理信息管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)背景下的空間信息管理等地理信息管理系統(tǒng)的功能。

圖1 堤防安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)

2.4.2 SQL技術(shù)

SQL是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的一種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)通信，完成數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)檢索、更新等方面的操作是SQL的主要任務(wù)。使用SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)比較多的有：Access，SQL Server，Oracle Sybase等。其中，SQL Server系統(tǒng)，不僅能獨(dú)立于硬件平臺(tái)，而且具有多任務(wù)管理、安全、容錯(cuò)等功能，維修起來(lái)也很方便，對(duì)大型或超大型數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端的應(yīng)用非常適用。

3 堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大體形式有3種：集中式、分布式、混合式。現(xiàn)代自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)一般都采用監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的分布式結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的組成，主要包括5個(gè)方面：信息傳輸設(shè)備、信息采集單元、傳感器及系統(tǒng)軟件。按管理范圍劃分，堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)又分為遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心、監(jiān)控主站、監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站多設(shè)立在堤防監(jiān)測(cè)斷面(或堤段)，堤防會(huì)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)立若干個(gè)監(jiān)測(cè)站，各個(gè)監(jiān)測(cè)站都用4G信號(hào)將堤防的監(jiān)測(cè)情況分別發(fā)送到監(jiān)控主站，同時(shí)，各個(gè)監(jiān)測(cè)站都會(huì)同時(shí)被監(jiān)控主站所控制。監(jiān)控主站可隨時(shí)向堤防的各個(gè)監(jiān)測(cè)站采集監(jiān)控參數(shù)、發(fā)送傳感器設(shè)置和報(bào)警參數(shù)等相關(guān)指令。具體結(jié)合到堤防自動(dòng)化安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，可從4個(gè)方面進(jìn)行。

3.1 設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

堤防的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的布置，要根據(jù)堤防的具體實(shí)際和可能會(huì)發(fā)生險(xiǎn)情的地段來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。江河堤防的可能險(xiǎn)情主要是堤防沉降變形，位移變形和堤內(nèi)地基發(fā)生滲透水引發(fā)變形。本文對(duì)堤防預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要考慮了兩種情況：(1)高洪水水位情況下的滑動(dòng)穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定狀況監(jiān)測(cè)。(2)急速退水情況下的堤坡滑動(dòng)穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定狀況監(jiān)測(cè)。對(duì)堤防實(shí)施安全監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目主要有3項(xiàng)：(1)堤身沉降變形；(2)堤身位移變形；(3)堤基和堤身的滲透水壓力。堤防沉降變形采用的設(shè)備是監(jiān)測(cè)沉降儀；堤防位移變形采用的設(shè)備是監(jiān)測(cè)測(cè)斜儀；地基和堤身滲透水壓力采用的觀測(cè)設(shè)備是滲壓計(jì)；對(duì)江河水位的自動(dòng)觀測(cè)采用的設(shè)備，一般都使用液位壓力傳感器，也有用氣泡水位計(jì)。該系統(tǒng)從工作方便和滿足精度要求考慮，可以采用高精度液位計(jì)測(cè)量江河水位。以上傳感器的輸出信號(hào)穩(wěn)定，不易受環(huán)境干擾。

3.2 布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

堤防監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，以堤身斷面監(jiān)測(cè)比較適宜，它不僅可以觀測(cè)到堤基的土層分布，而且還可以觀察到堤段的堤身。一般來(lái)講，在迎水坡視情況設(shè)置傾斜觀測(cè)孔若干個(gè)；在堤基、堤身視情況設(shè)置滲壓觀測(cè)孔若干個(gè)；為觀察水位在迎水坡坡腳處可埋設(shè)液位計(jì)一個(gè)。這種監(jiān)測(cè)布置基于以下考慮：可以進(jìn)行崩岸和滑坡監(jiān)測(cè)；進(jìn)行堤基、堤身的滲流監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)地基、堤身不同深度的滲水壓力，可在內(nèi)堤腳的堤基處，布置滲壓計(jì)若干個(gè)。

3.3 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

本文的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)站可以有多個(gè)，但也可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定，堤防自動(dòng)安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)監(jiān)控主站的設(shè)備就是一臺(tái)微機(jī)，用來(lái)接收各個(gè)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)控主站接收各個(gè)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)控信息之后，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程終端計(jì)算機(jī)輸送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.4 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息管理、評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)

3.4.1 信息管理

對(duì)采集儀器要存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，存儲(chǔ)在儀器的靜態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)，比如，溫度、頻率、通道號(hào)、年月日等。然后，通過(guò)隨機(jī)配置的通信軟件與微機(jī)、采集儀進(jìn)行串聯(lián)，取回存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和作進(jìn)一步處理。主站的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件分為兩個(gè)部分，第一部分由組態(tài)王執(zhí)行數(shù)據(jù)采集處理，第二部分由VB6.0軟件執(zhí)行安全評(píng)價(jià)。遠(yuǎn)程終端通過(guò)電話網(wǎng)監(jiān)控主站的數(shù)據(jù)庫(kù)、各種參數(shù)、歷史曲線、實(shí)時(shí)變量、預(yù)測(cè)結(jié)果、安全評(píng)價(jià)等，以此了解堤防的實(shí)際安全監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況。

3.4.2 評(píng)價(jià)分析

堤防安全監(jiān)測(cè)的預(yù)警子系統(tǒng)有多種安全評(píng)價(jià)模型。主要的有：(1)滲流評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)確定性模型；(2)滲流評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)概率模型；(3)滑坡/崩岸突變預(yù)測(cè)模型。其中，滲流評(píng)價(jià)模型是針對(duì)地基滲透的，并對(duì)滲透坡降與臨界滲透坡降進(jìn)行比較。在滲流安全評(píng)價(jià)模型中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)定量評(píng)價(jià)，本文引入了可靠度概率理論。為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)定量評(píng)價(jià)，在滑坡預(yù)測(cè)/崩岸突變模型中，將堤坡位移實(shí)測(cè)的時(shí)程曲線，經(jīng)過(guò)一系列的變量代換以后，實(shí)現(xiàn)了由自變量的多項(xiàng)式向標(biāo)準(zhǔn)化的突變方程的轉(zhuǎn)變，從而對(duì)堤防的穩(wěn)定性進(jìn)行有效的判斷。

3.4.3 安全預(yù)警

安全預(yù)警的實(shí)現(xiàn)需要從監(jiān)控主站調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行在線預(yù)報(bào)和進(jìn)行評(píng)價(jià)。報(bào)警信號(hào)有兩種：一種是自動(dòng)撥號(hào)電話報(bào)警，另一種是蜂鳴聲報(bào)警。在實(shí)際防汛工作中，報(bào)警可分為多個(gè)等級(jí)。具體要用那個(gè)等級(jí)需要根據(jù)防汛的實(shí)際情況研究確定。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合我國(guó)江河堤防設(shè)施的具體實(shí)際，在充分認(rèn)識(shí)構(gòu)建堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要性基礎(chǔ)上 ，從系統(tǒng)的總體架構(gòu)、 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊 、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)嵌入4個(gè)方面，對(duì)堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合江河堤防設(shè)施的具體情況，從設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 、布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)、 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息管理和評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)4個(gè)方面，提出了堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用方面的實(shí)際舉措。