GNSS自动化监测技术在海堤监测应用的探索

王宏晖 毛 伟

(1.福建省惠安县外走马埭海堤管理处，福建 泉州 362100；2.上海华测导航技术股份有限公司，上海 201702)



GNSS自动化监测技术在海堤监测应用的探索

王宏晖1毛 伟2

(1.福建省惠安县外走马埭海堤管理处，福建 泉州 362100；2.上海华测导航技术股份有限公司，上海 201702)

随着监测技术的不断发展，GNSS自动化监测以其连续实时、无需通视、自动化程度高等特性，在监测领域发挥着传统监测手段不可替代的作用，本文通过GNSS自动化监测技术在惠安县外走马埭海堤监测中的应用，分析了GNSS数据的采集、传输、分析等关键技术，旨在分析总结GNSS自动化监测技术的在形变监测中的优势及其发展趋势。

GNSS； 自动化监测； 形变监测

1 引 言

随着社会经济的不断发展，各地正大规模规划建设、维修、加固各段海堤，作为抵抗风暴潮，特别是台风和高潮袭击的第一道防线，海堤可以说是海岸带的人工屏障，其运行状态将会直接影响临海地区的安全等级。

由于各种因素的影响，海堤在施工和运营期间，会产生各种危险源，如果超出了规定的限度，就会影响海堤的施工和正常使用，严重时还会危及安全，带来严重的后果。因此，在海堤工程施工和运营期间，对其进行有效监测显得尤为重要。

2 项目概况

福建省泉州外走马埭海堤提级扩建工程位于福建省湄洲湾南岸惠安县境内，地处惠安县辋川、东桥、净峰三镇辖区内。工程区东面临海，西连走马埭现代农业综合开发示范区，北临福建省石化基地——泉港区，南靠湄洲湾国际中转港——斗尾港和斗尾大型船舶修造厂。该区域海湾滩涂平坦，近海环境功能分区为三类海区。工程区距泉州市区40km，离惠安县城10km。陆路、水路交通便捷，福厦公路、泉惠高速公路、福建省道201线、泉州沿海大通道从工程区外围通过。工程原为大型围垦工程，防护面积5.15万亩，现已规划为泉惠石化工业园区。

外走马埭海堤2004年8月开工，2009年14.011km的海堤工程整体完工，原设计为3级防堤，防潮标准为50年一遇，保护对象为外走马埭垦区。2012年下半年，福建省人民政府批准在围垦区内成立泉惠石化工业区，垦区的用途发生了转变，外走马埭海堤工程防护对象变为国家级大型石化基地为主的工业园区，根据《防洪标准》(GB 50201—1994)和《海堤工程设计规范》(SL 435—2008)的要求，外走马埭海堤工程防护标准提升至200年一遇，工程等级为1级。

海堤是抵御海潮侵袭、保护沿海城乡安全和生产的堤防工程，如堤坝多处存在不均匀沉降和塌陷，将严重影响堤坝的正常运行，一旦因为自然或者人为原因失事，将给沿海人民生命财产造成巨大的灾害和损失，所以海堤的安全监测显得尤为重要，本文主要讲述的是GNSS自动化监测技术在海堤形变监测中的应用。

3 监测现状

目前外走马埭海堤的监测方式为GNSS人工监测，即测量工程师定期使用GNSS接收机到每个监测点上进行RTK测量，待所有监测点完成测量工作之后，测量工程师返回办公室，将测量结果导入电脑，与各个监测点的初始坐标进行对比，得出各个监测点的变形量；结合项目现场特性，在监测过程中存在以下难点：

a.受天气影响，在大风大雨等极端天气下，测量工程师在工作中存在安全风险。

b.每次测量设备的对中跟之前不可能在同一个位置，存在一定的误差。

c.RTK测量的精度相对较低，为1～2cm。

d.监测点带状分布，且距离长，外业工作量大，耗时长。

e.时效性低。

4 监测系统原理

GNSS监测系统是利用现代电子、信息、通信及计算机技术，实现对海堤形变监测数据实时、自动、连续采集以及传输、管理、分析的监测技术。

系统建立综合性的监管平台，依托智能的软件系统，当海堤形变监测数据出现异常时，及时预报预警，提醒企业尽快启动相应的处理措施及预案，保障海堤的安全运行，确保工业园区的安全生产。

GNSS监测原理：

GNSS参考点设置在非形变区，GNSS监测点设置在形变监测区(监测断面的布置和监测点的数量根据监测项目的要求来设置)，各GNSS监测点与参考点接收机实时接收GNSS信号，并通过数据通信网络实时发送到控制中心，控制中心服务器GNSS数据处理软件HCmonitor实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警，如图1所示。

图1 GNSS监测示意图

5 监测系统组成

海堤自动化变形监测系统利用高精度GNSS接收机和专业的监测软件平台，通过TCP/IP的数据协议实现现场GNSS接收机数据与计算机软件之间的互通，实现了海堤形变监测系统无需人工值守、监测数据采集与处理分析可在监控室主机自动控制下完成的设计目的。该系统具备结构简单、易于维护、性能稳定等特点，其组成包括：传感器子系统、数据传输子系统、控制中心子系统、辅助子系统4个部分(见图2)。

图2 监测系统组成

5.1 传感器子系统

系统由布置在各个监测点上的华测N71 GNSS接收机和A220测量型天线组成，主要作用是全天候24h不间断采集监测点的GNSS原始数据。

5.2 数据传输子系统

系统由布置在各个监测点上的GPRS模块和SIM卡组成，主要作用是将现场所有N71接收机采集到的GNSS原始数据通过网络模式传输到监控中心服务器上。

5.3 监控中心系统

系统由布置在监控中心的服务器、操作终端、数据采集软件HCsim、GNSS解算软件HCmonitor、客户端平台软件HCmas、预警模块等组成，主要作用是将现场回传的GNSS原始数据通过GNSS解算软件HCmonitor进行处理，再由数据采集软件HCsim负责存储，并最终通过平台软件HCmas将处理成果进行分析并展示出来，如果处理结果超出预先设定的报警值，则预警模块将对外发出警报。

5.4 辅助子系统

系统由供电和避雷两部分组成，供电是为了保证设备的正常运行，供电方式采用太阳能供电；避雷则是防止设备被雷击损坏，通过在监测点附近增设避雷针来防雷。

6 系统实现的功能

a.系统具有稳定可靠的采集、显示、存储、数据通信、管理、系统自检和报警功能。

b.系统具有远程控制功能，可通过串口利用网络对监控主机进行遥控监测，实现数据采集软件上的所有功能，并对数据采集软件中的历史数据有访问权限的进行提取。

c.系统可监视运行期间堤坝的状态变化和运行情况，在发现不正常现象时及时分析原因，采取措施，防止事故发生，以保证生产的安全运行。

d.系统可定期进行观测数据的整编，为以后的设计、施工、管理提供资料。

e.系统可随时对观测资料进行分析，开展对堤坝运行状态进行技术鉴定，总结运行经验，为改善运行方式和制定安全措施、评价生产状态提供数据。

f.系统能综合历史数据和实时采集形变数据，按照国家有关标准进行相关过程线分析、位势分析、沉降分析、等值线分析、安全状态分析等有关堤坝安全分析。

g.系统具有良好的防雷抗干扰，确保系统不因雷击而损坏。

7 安全报警与应急处置流程

安全报警与应急处置流程见图3。

图3 安全报警与应急处置流程

8 系统对管理方的意义

8.1 现场巡视员

巡视员定期对海堤进行人工巡视，迅速了解现场详细情况，发现隐患，及时向总调度室汇报，同时也接受总调度室针对异常情况而发出的巡视指令，立即检查异常部位，并汇报情况。

巡视员在线报告巡检情况，现场核实监控系统的监测指标；巡视员巡查轨迹实时跟踪、记录。

8.2 现场值班室

值班人员能够实时查看各个监测点的数据，及时了解堤坝的运行情况。

作为数据接收和处理中心，通过配套的各种专用软件系统，随时监控堤坝危险源动态，对堤坝危险源做动态安全评估，在突发情况下，通过警灯、警号、计算机模拟语音、手机短信等多种渠道向上级发送发现的危险源险情。

8.3 控制中心

配置服务器，保证服务器24h工作，能够及时对数据进行解析处理，发布到WEB客户端上，实时显示各监测系统的运行情况，掌握堤坝的安全动态，并通过多种手段进行报警。

8.4 海堤监管部门

a.可不受地域限制随时掌握堤坝的运行情况。

b.及时掌握堤坝监测预警信息。当危险源预警时，可通过手机接收预警信息。

c.随时掌控堤坝监测危险源动态。可通过网络动态查看堤坝的相关实时数据和图像。

d.随时掌控堤坝监测的运行情况。平时可通过综合监管系统全面、及时、准确了解各项监测工作情况，在突发情况下，迅速调阅第一手资料，及时指挥应急处置与救援。

e.预留外网访问该监测系统的功能，如果需要可以开放该端口，给上级安全监督主管单位。

9 结 语

GNSS监测技术具有精度高、速度快，不受天气、通视条件限制等优点，恰到好处地弥补了传统监测方式的缺陷，同时，GNSS以其全天候自动化监测的特性，克服了14km海堤监测的难点，不用监测人员进行人工监测，避免了人工监测的误差，同时即便是暴雨、大雾等天气，GNSS自动化监测系统依然可稳定有效运行，不需监测人员在极端恶劣的环境下进行危险监测，管理人员也能了解海堤在极端天气下的安全运行状况；GNSS自动化监测技术是一种值得推广的有效方法，尤其适用于大型工程建筑物的形变监测。

[2] 谢向进，荣幸.GNSS技术在变形监测中的应用，科技资讯，2008(23).

[2] 徐绍铨,张华海,杨志强.GPS测量原理及应用[M].3版.武汉：武汉大学出版社，2008.

Exploration of the application of GNSS automatic monitoring technology in seawall monitoring

WANG Honghui1, MAO Wei2

(1. Fujian Hui’an County Waizoumadai Seawall Management Office, Quanzhou 362100, China;2.ShanghaiHuaceNavigationTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201702,China)

GNSS automatic monitoring has an irreplaceable role of traditional monitoring means in monitoring field by its continuous real-time, sighting-free, high automation degree and other features with the continuous development of monitoring technology. In the paper, GNSS data collection, transmission, analysis and other key technologies are analyzed through applying GNSS automatic monitoring technology in Hui’an Waizoumadai Seawall monitoring, thereby analyzing and summarizing the advantages and development trend of GNSS automatic monitoring technology in deformation monitoring.

GNSS; automatic monitoring; deformation monitoring

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.019

TV698.1+1

A

1005-4774(2016)12- 0073- 04