堤防自動化安全監測系統的實現與實際應用

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測基本都以傳統的人工監測方式為主，這種監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，很難及時發現險情，特別是對迎水坡的監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測系統，是確保江河堤防安全，實施抗洪防汛，保障人民生命財產安全的重大戰略舉措。為此，本文以堤防自動化安全監測系統的實現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測系統的重要性及其目標與原則

1.1 構建堤防自動化安全監測系統的目標

實現堤防建設安全管理由手工、半手工方式向自動化安全監測管理的轉換，從某種意義上講，是堤防建設管理上的一次技術革命[2]。堤防自動化安全監測系統所提供的，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。構建堤防自動化安全監測系統的實施目標有3個方面：(1)實現堤防可視化的信息管理表達。(2)實現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，實現堤防自動化、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測系統的原則

設計堤防自動化安全監測系統，應遵循的原則有6個方面。(1)系統性。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。既要考慮運行的穩定性，又要考慮提供信息的準確性。(3)先進性。在軟硬件和數據庫管理方面，要盡量運用當前的先進技術。(4)標準化和統一性原則。在數據庫設計、系統的開發、數據接口等方面，要按國家標準、行業標準執行。(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。系統的開發應用要有戰略眼光，要考慮將來的升級和發展[4]。

2 堤防自動化安全監測系統的總體設計

2.1 系統總體架構的設計

本文設計的堤防自動化安全監測系統為B/S的多層架構體系，采用的是MVC模式，即整個系統分為4個層次：交互層、Web層、邏輯層和數據層。其中：交互層的作用是系統的公共接口。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；這個系統內部的全部分析處理數據，甚至包括空間數據在內的所有調用都是在GIS服務器中才得以最后實現的。數據層主要是對堤防安全監測管理信息系統中的所有數據進行集中有效的管理。總體結構的具體情況如圖1所示。

2.2 系統結構模塊的設計

本安全監測信息系統分別由堤防工程模塊、數據統計模塊、險控導工程模塊、數據查詢模塊、多媒體數據庫模塊、用戶管理控制模塊以及歷史加固數據模塊7種子模塊構成。

2.3 系統數據庫結構設計

系統數據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；要確定數據之間的依賴關系。(4)物理設計的形成階段。這個階段主要是對數據庫的結構進行科學定義，對數據庫進行試運行，對數據進行裝載。(5)對數據庫的正常運行進行有效的維護階段。在這個階段，要進行數據的轉儲和恢復，保證數據庫的安全和完整。數據庫的具體結構如圖2所示。

2.4 系統關鍵技術的嵌入

2.4.1 WebGIS原理

WebGIS是萬維網一種地理信息系統。它是在Internet平臺的基礎上，運用WWW協議在萬維網上運行的一種地理信息系統，它借用了互聯網技術來進一步完善和發展自己，也可以說是在互聯網技術的基礎上發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，從而實現互聯網背景下的空間信息管理等地理信息管理系統的功能。

圖1 堤防安全監測信息系統結構

圖2 系統數據庫總體結構

2.4.2 SQL技術

SQL是數據庫管理系統的一種標準語言，實現數據庫的網絡通信，完成數據庫的數據檢索、更新等方面的操作是SQL的主要任務。使用SQL關系數據庫管理系統比較多的有：Access，SQL Server，Oracle Sybase等。其中，SQL Server系統，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，對大型或超大型數據庫服務器端的應用非常適用。

3 堤防自動化安全監測系統的實現與應用

堤防自動化安全監測系統的大體形式有3種：集中式、分布式、混合式。現代自動監控系統一般都采用監測預警系統中的分布式結構。監測預警系統的組成，主要包括5個方面：信息傳輸設備、信息采集單元、傳感器及系統軟件。按管理范圍劃分，堤防自動化安全監測管理系統又分為遠程監控管理中心、監控主站、監測站。監測站多設立在堤防監測斷面(或堤段)，堤防會根據實際情況設立若干個監測站，各個監測站都用4G信號將堤防的監測情況分別發送到監控主站，同時，各個監測站都會同時被監控主站所控制。監控主站可隨時向堤防的各個監測站采集監控參數、發送傳感器設置和報警參數等相關指令。具體結合到堤防自動化安全監控管理系統的實際應用，可從4個方面進行。

3.1 設計監測項目

堤防的各個監測點和監測項目的布置，要根據堤防的具體實際和可能會發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生滲透水引發變形。本文對堤防預警系統的設計，主要考慮了兩種情況：(1)高洪水水位情況下的滑動穩定和滲透穩定狀況監測。(2)急速退水情況下的堤坡滑動穩定和滲透穩定狀況監測。對堤防實施安全監測的項目主要有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測沉降儀；堤防位移變形采用的設備是監測測斜儀；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定，不易受環境干擾。

3.2 布置監測點

堤防監測點的布置，以堤身斷面監測比較適宜，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。這種監測布置基于以下考慮：可以進行崩岸和滑坡監測；進行堤基、堤身的滲流監測，監測地基、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 安全監測系統的組成

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

3.4 安全監測系統的信息管理、評價與監測

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，取回存儲的數據，進行分析和作進一步處理。主站的數據庫軟件分為兩個部分，第一部分由組態王執行數據采集處理，第二部分由VB6.0軟件執行安全評價。遠程終端通過電話網監控主站的數據庫、各種參數、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測運行狀況。

3.4.2 評價分析

堤防安全監測的預警子系統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，為了能夠實現自動定量評價，本文引入了可靠度概率理論。為了能夠實現自動定量評價，在滑坡預測/崩岸突變模型中，將堤坡位移實測的時程曲線，經過一系列的變量代換以后，實現了由自變量的多項式向標準化的突變方程的轉變，從而對堤防的穩定性進行有效的判斷。

3.4.3 安全預警

安全預警的實現需要從監控主站調用數據庫的相關數據，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測系統的重要性基礎上 ，從系統的總體架構、 系統的結構模塊 、系統的數據庫結構、系統的關鍵技術嵌入4個方面，對堤防自動化安全監測系統進行了總體設計。在此基礎上，結合江河堤防設施的具體情況，從設計監測項目 、布置監測點、 安全監測系統的組成、 安全監測系統的信息管理和評價與監測4個方面，提出了堤防自動化安全監測系統應用方面的實際舉措。