堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)與實際應用

黃玉標

(東莞市水利勘測設計院有限公司，廣東 東莞 523115)

0 引言

對江河堤防實施安全監(jiān)測是抗洪防汛的重要技術手段，我國歷來都十分重視堤防的建設和安全。過去對堤防的安全監(jiān)測基本都以傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式為主，這種監(jiān)測方式不僅工作條件艱苦，工作量巨大，難以順利實施，而且在水位上漲的情況下，很難及時發(fā)現(xiàn)險情，特別是對迎水坡的監(jiān)測問題根本就很難實施[1]。為了解決這個難題，構建符合堤防特點的自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，是確保江河堤防安全，實施抗洪防汛，保障人民生命財產(chǎn)安全的重大戰(zhàn)略舉措。為此，本文以堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)與實際應用為研究課題，作如下探討。

1 構建堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要性及其目標與原則

1.1 構建堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的目標

實現(xiàn)堤防建設安全管理由手工、半手工方式向自動化安全監(jiān)測管理的轉換，從某種意義上講，是堤防建設管理上的一次技術革命[2]。堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)所提供的，各種巖土信息以及空間化、可視化的管理模式，為各級地方政府和有關部門提供了決策依據(jù)。構建堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的實施目標有3個方面：(1)實現(xiàn)堤防可視化的信息管理表達。(2)實現(xiàn)巖土信息檢索和各類空間實體的瀏覽。(3)建立堤防預警系統(tǒng)，實現(xiàn)堤防自動化、安全評價和預警預報一體化[3]。

1.2 構建堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的原則

設計堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，應遵循的原則有6個方面。(1)系統(tǒng)性。既要考慮堤防管理的實際需求，又要考慮上級主管部門的信息需求。(2)實用性。既要考慮運行的穩(wěn)定性，又要考慮提供信息的準確性。(3)先進性。在軟硬件和數(shù)據(jù)庫管理方面，要盡量運用當前的先進技術。(4)標準化和統(tǒng)一性原則。在數(shù)據(jù)庫設計、系統(tǒng)的開發(fā)、數(shù)據(jù)接口等方面，要按國家標準、行業(yè)標準執(zhí)行。(5)安全與保密的原則。要為不同用戶設置不同的訪問權限。(6)可拓展性原則。系統(tǒng)的開發(fā)應用要有戰(zhàn)略眼光，要考慮將來的升級和發(fā)展[4]。

2 堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計

2.1 系統(tǒng)總體架構的設計

本文設計的堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)為B/S的多層架構體系，采用的是MVC模式，即整個系統(tǒng)分為4個層次：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：一是負責交互層用戶的發(fā)送請求，二是具有防火墻的功能作用，排除非法用戶的鏈接請求，從而確保系統(tǒng)的運行安全。邏輯層是在ArcGIS S ewer平臺的基礎上設置的GIS服務器中心；這個系統(tǒng)內部的全部分析處理數(shù)據(jù)，甚至包括空間數(shù)據(jù)在內的所有調用都是在GIS服務器中才得以最后實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)層主要是對堤防安全監(jiān)測管理信息系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)進行集中有效的管理?？傮w結構的具體情況如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)結構模塊的設計

本安全監(jiān)測信息系統(tǒng)分別由堤防工程模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊、險控導工程模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、多媒體數(shù)據(jù)庫模塊、用戶管理控制模塊以及歷史加固數(shù)據(jù)模塊7種子模塊構成。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結構設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結構的設計來自思想的5個方面：(1)需求分析階段。主要有兩點：一是考慮擴充和修改的可能；二是從用戶的參入需求方面來進行考慮。(2)概念的雛形設計階段。就是這個設計的模型要能真實反映客觀事物的本來面目。(3)邏輯結構的設計形成階段。在這個階段，作為對象信息的屬性，必須是具有原子性的；要確定數(shù)據(jù)之間的依賴關系。(4)物理設計的形成階段。這個階段主要是對數(shù)據(jù)庫的結構進行科學定義，對數(shù)據(jù)庫進行試運行，對數(shù)據(jù)進行裝載。(5)對數(shù)據(jù)庫的正常運行進行有效的維護階段。在這個階段，要進行數(shù)據(jù)的轉儲和恢復，保證數(shù)據(jù)庫的安全和完整。數(shù)據(jù)庫的具體結構如圖2所示。

2.4 系統(tǒng)關鍵技術的嵌入

2.4.1 WebGIS原理

WebGIS是萬維網(wǎng)一種地理信息系統(tǒng)。它是在Internet平臺的基礎上，運用WWW協(xié)議在萬維網(wǎng)上運行的一種地理信息系統(tǒng)，它借用了互聯(lián)網(wǎng)技術來進一步完善和發(fā)展自己，也可以說是在互聯(lián)網(wǎng)技術的基礎上發(fā)展起來的一項新技術。其核心所在就是將HTTP和TCP/IP標準的應用體系，嵌入地理信息管理系統(tǒng)，從而實現(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)測信息系統(tǒng)結構

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫總體結構

2.4.2 SQL技術

SQL是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一種標準語言，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡通信，完成數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)檢索、更新等方面的操作是SQL的主要任務。使用SQL關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)比較多的有：Access，SQL Server，Oracle Sybase等。其中，SQL Server系統(tǒng)，不僅能獨立于硬件平臺，而且具有多任務管理、安全、容錯等功能，維修起來也很方便，對大型或超大型數(shù)據(jù)庫服務器端的應用非常適用。

3 堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的大體形式有3種：集中式、分布式、混合式?，F(xiàn)代自動監(jiān)控系統(tǒng)一般都采用監(jiān)測預警系統(tǒng)中的分布式結構。監(jiān)測預警系統(tǒng)的組成，主要包括5個方面：信息傳輸設備、信息采集單元、傳感器及系統(tǒng)軟件。按管理范圍劃分，堤防自動化安全監(jiān)測管理系統(tǒng)又分為遠程監(jiān)控管理中心、監(jiān)控主站、監(jiān)測站。監(jiān)測站多設立在堤防監(jiān)測斷面(或堤段)，堤防會根據(jù)實際情況設立若干個監(jiān)測站，各個監(jiān)測站都用4G信號將堤防的監(jiān)測情況分別發(fā)送到監(jiān)控主站，同時，各個監(jiān)測站都會同時被監(jiān)控主站所控制。監(jiān)控主站可隨時向堤防的各個監(jiān)測站采集監(jiān)控參數(shù)、發(fā)送傳感器設置和報警參數(shù)等相關指令。具體結合到堤防自動化安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的實際應用，可從4個方面進行。

3.1 設計監(jiān)測項目

堤防的各個監(jiān)測點和監(jiān)測項目的布置，要根據(jù)堤防的具體實際和可能會發(fā)生險情的地段來進行設計。江河堤防的可能險情主要是堤防沉降變形，位移變形和堤內地基發(fā)生滲透水引發(fā)變形。本文對堤防預警系統(tǒng)的設計，主要考慮了兩種情況：(1)高洪水水位情況下的滑動穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定狀況監(jiān)測。(2)急速退水情況下的堤坡滑動穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定狀況監(jiān)測。對堤防實施安全監(jiān)測的項目主要有3項：(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備是監(jiān)測沉降儀；堤防位移變形采用的設備是監(jiān)測測斜儀；地基和堤身滲透水壓力采用的觀測設備是滲壓計；對江河水位的自動觀測采用的設備，一般都使用液位壓力傳感器，也有用氣泡水位計。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測量江河水位。以上傳感器的輸出信號穩(wěn)定，不易受環(huán)境干擾。

3.2 布置監(jiān)測點

堤防監(jiān)測點的布置，以堤身斷面監(jiān)測比較適宜，它不僅可以觀測到堤基的土層分布，而且還可以觀察到堤段的堤身。一般來講，在迎水坡視情況設置傾斜觀測孔若干個；在堤基、堤身視情況設置滲壓觀測孔若干個；為觀察水位在迎水坡坡腳處可埋設液位計一個。這種監(jiān)測布置基于以下考慮：可以進行崩岸和滑坡監(jiān)測；進行堤基、堤身的滲流監(jiān)測，監(jiān)測地基、堤身不同深度的滲水壓力，可在內堤腳的堤基處，布置滲壓計若干個。

3.3 安全監(jiān)測系統(tǒng)的組成

本文的安全監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結構，監(jiān)測站可以有多個，但也可以根據(jù)實際情況來定，堤防自動安全監(jiān)測管理系統(tǒng)監(jiān)控主站的設備就是一臺微機，用來接收各個監(jiān)測站的監(jiān)控數(shù)據(jù)，監(jiān)控主站接收各個監(jiān)測站的監(jiān)控信息之后，再通過網(wǎng)絡向遠程終端計算機輸送監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.4 安全監(jiān)測系統(tǒng)的信息管理、評價與監(jiān)測

3.4.1 信息管理

對采集儀器要存儲的內容進行預先設置，存儲在儀器的靜態(tài)存儲器內，比如，溫度、頻率、通道號、年月日等。然后，通過隨機配置的通信軟件與微機、采集儀進行串聯(lián)，取回存儲的數(shù)據(jù)，進行分析和作進一步處理。主站的數(shù)據(jù)庫軟件分為兩個部分，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)行安全評價。遠程終端通過電話網(wǎng)監(jiān)控主站的數(shù)據(jù)庫、各種參數(shù)、歷史曲線、實時變量、預測結果、安全評價等，以此了解堤防的實際安全監(jiān)測運行狀況。

3.4.2 評價分析

堤防安全監(jiān)測的預警子系統(tǒng)有多種安全評價模型。主要的有：(1)滲流評價及預測確定性模型；(2)滲流評價及預測概率模型；(3)滑坡/崩岸突變預測模型。其中，滲流評價模型是針對地基滲透的，并對滲透坡降與臨界滲透坡降進行比較。在滲流安全評價模型中，為了能夠實現(xiàn)自動定量評價，本文引入了可靠度概率理論。為了能夠實現(xiàn)自動定量評價，在滑坡預測/崩岸突變模型中，將堤坡位移實測的時程曲線，經(jīng)過一系列的變量代換以后，實現(xiàn)了由自變量的多項式向標準化的突變方程的轉變，從而對堤防的穩(wěn)定性進行有效的判斷。

3.4.3 安全預警

安全預警的實現(xiàn)需要從監(jiān)控主站調用數(shù)據(jù)庫的相關數(shù)據(jù)，才能進行在線預報和進行評價。報警信號有兩種：一種是自動撥號電話報警，另一種是蜂鳴聲報警。在實際防汛工作中，報警可分為多個等級。具體要用那個等級需要根據(jù)防汛的實際情況研究確定。

4 結語

綜上所述，本文結合我國江河堤防設施的具體實際，在充分認識構建堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要性基礎上 ，從系統(tǒng)的總體架構、 系統(tǒng)的結構模塊 、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結構、系統(tǒng)的關鍵技術嵌入4個方面，對堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)進行了總體設計。在此基礎上，結合江河堤防設施的具體情況，從設計監(jiān)測項目 、布置監(jiān)測點、 安全監(jiān)測系統(tǒng)的組成、 安全監(jiān)測系統(tǒng)的信息管理和評價與監(jiān)測4個方面，提出了堤防自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)應用方面的實際舉措。