基于北斗高精度的航道建筑物形變監(jiān)測應(yīng)用

陳家輝，張俊杰，王繼龍

（1.廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，南寧 530000，2.交信北斗科技有限公司 北京 100011）

0 引言

建設(shè)“智慧西江”是新時(shí)期國家實(shí)施“一帶一路”倡議、加快西部大開發(fā)、深化陸海雙向開放的重大戰(zhàn)略舉措。2020年，西江干線全年貨物通過量達(dá)到10.5 億t，長洲水利樞紐過閘貨運(yùn)量突破1.5 億t，成為全國天然河流過貨量第一船閘[1]。目前西江流域共有長洲、桂平、貴港、那吉、魚梁等12個(gè)梯級17座船閘，為及時(shí)掌握船閘在各種工況條件下的工作狀態(tài)，保障過閘船舶航行安全，降低航運(yùn)業(yè)安全事故風(fēng)險(xiǎn)，需要通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的北斗高精度服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)厘米級、后處理毫米級定位，可實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施微小形變的精準(zhǔn)監(jiān)測。建立基于北斗的船閘運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，可通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)船閘全天候安全健康監(jiān)測，保證航道通航建筑物運(yùn)行安全[2]。

1 基于北斗高精度的航道建筑物形變監(jiān)測原理

基于北斗高精度的航道建筑物形變監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)集北斗高精度定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程，整個(gè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控服務(wù)中心和終端用戶等4個(gè)部分，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示[3]。

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要是對衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的跟蹤、采集、傳輸，對設(shè)備完好性和航道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)信息的采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由參考站、監(jiān)測站和本地服務(wù)器組成，參考站和監(jiān)測站設(shè)備構(gòu)成主要有北斗天線、北斗接收機(jī)、控制設(shè)備、防雷保護(hù)設(shè)施、供電設(shè)施和現(xiàn)場總線等。

（2）傳輸網(wǎng)絡(luò)

本地局域網(wǎng)主要用于將北斗監(jiān)測站、參考站數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器。系統(tǒng)產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果、形變信息、統(tǒng)計(jì)信息通過專網(wǎng)傳送到監(jiān)控服務(wù)中心，監(jiān)控服務(wù)中心可通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)為用戶端提供服務(wù)。

（3）監(jiān)控中心

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對采集的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和處理，通過軟件進(jìn)行專業(yè)分析和展示。同時(shí)監(jiān)控中心還是整個(gè)系統(tǒng)的管理、維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控中心；管理服務(wù)器硬件和軟件；對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和核心交換的部署；對數(shù)據(jù)存儲備份，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。

（4）終端用戶

根據(jù)不同用戶提供不同的數(shù)據(jù)服務(wù)，主要通過WEB和APP模式實(shí)現(xiàn)。

2 北斗高精度在航道建筑物形變監(jiān)測的應(yīng)用

本案例以西江那吉、魚梁的船閘和靠船墩形變監(jiān)測為例。為了推進(jìn)西江航運(yùn)船閘等基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測，首先選擇更靠近西江上游右江的那吉、魚梁兩座船閘進(jìn)行基于北斗高精度的形變監(jiān)測示范應(yīng)用。通過對船閘區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析和評價(jià)船閘基礎(chǔ)設(shè)施的安全狀態(tài)，研究變形規(guī)律，及時(shí)發(fā)布變形預(yù)報(bào)。對位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過繪制位移變形影響線或影響面來監(jiān)測船閘區(qū)域各部位位移的實(shí)時(shí)變化情況，預(yù)測其變形規(guī)律，為船閘區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施的維修、養(yǎng)護(hù)和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

項(xiàng)目實(shí)施前首先通過船閘、靠船墩等基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)場勘查，選定擬建設(shè)的基準(zhǔn)站和監(jiān)測站的位置，選址規(guī)劃如圖2 所示。其次對現(xiàn)場開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號質(zhì)量測試，判斷船閘等基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測應(yīng)用現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和環(huán)境可用性。再次勘查服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備安裝空間、基站現(xiàn)場至機(jī)房走線方案、機(jī)房環(huán)境、電力系統(tǒng)、機(jī)柜系統(tǒng)等。最后了解機(jī)房至監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)情況，確保網(wǎng)絡(luò)暢通可用，保障北斗監(jiān)測數(shù)據(jù)可以完整地傳輸至指揮中心。

項(xiàng)目建設(shè)完成后監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)站采集的數(shù)據(jù)通過4G 公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)傳送到船閘本地服務(wù)器進(jìn)行算法分析，解算出船閘位移變化信息，船閘本地服務(wù)器通過專網(wǎng)實(shí)時(shí)向監(jiān)控服務(wù)中心報(bào)送各船閘監(jiān)測信息。在監(jiān)測界面用戶可以查詢船閘基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測數(shù)據(jù)、變化分析等數(shù)據(jù)信息，通過預(yù)警和報(bào)警及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)狀況。船閘等形變監(jiān)測分析包含5個(gè)方面：一是監(jiān)測點(diǎn)變化過程分析，變化過程分析主要是通過GNSS 監(jiān)測值的表面位移分析，以及輔助監(jiān)測手段的深度位移分析。表面位移分析分為X、Y、H3 個(gè)方向，隨著時(shí)間的延續(xù)各個(gè)方向的向量值可以生成與時(shí)間相關(guān)的線性函數(shù)。形變趨勢分析通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫的歷史存儲數(shù)據(jù)生成變形曲線，對比兩段時(shí)間的變形特征，統(tǒng)計(jì)出兩段時(shí)間的變形速率，分析形變情況。二是斷面變形分析，對于一個(gè)橫向監(jiān)測點(diǎn)的變形統(tǒng)計(jì)，通過形成一條斷面線，將其生成與時(shí)間相關(guān)的圖形，分析整個(gè)斷面隨時(shí)間的波動情況，監(jiān)測變形最大的部位。三是（加）速度過程線分析，從數(shù)據(jù)庫中讀取位移變化（加）速度數(shù)據(jù)，以曲線的形式顯示選中點(diǎn)的變化（加）速度曲線，分X、Y、H方向分別表示。四是對比分析，通過歷史數(shù)據(jù)分析，對同一監(jiān)測點(diǎn)不同時(shí)刻數(shù)據(jù)的對比分析，以及不同監(jiān)測點(diǎn)同一時(shí)刻數(shù)據(jù)的對比分析。五是數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)過一段時(shí)間監(jiān)測后，分析出超過某個(gè)限差的概率，從而分析出整個(gè)監(jiān)測區(qū)域的穩(wěn)定情況。位移變化監(jiān)測數(shù)據(jù)和變化分析如圖3、圖4所示。

3 結(jié)語

基于北斗高精度的航道建筑物形變監(jiān)測已經(jīng)在西江開展了示范應(yīng)用，并且取得了顯著的應(yīng)用效果，《國家綜合交通立體規(guī)劃綱要》《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》等文件中反復(fù)提及了要加強(qiáng)內(nèi)河航運(yùn)安全建設(shè)，提升航運(yùn)信息化水平，由此也可以看到，國家對大力發(fā)展內(nèi)河航運(yùn)，全面提升航運(yùn)安全管理及信息化水平給予了高度重視，充分利用北斗系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)我國內(nèi)河領(lǐng)域船閘及航道基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測，未來具有良好的發(fā)展前景。