基于GPS與GIS的土石壩自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

潘國兵，曾廣燃，吳森陽

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074;2.湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢 430061)

我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迅猛，迫切需求對水資源進(jìn)行有效保護(hù)和高效利用。新修水利工程日益增加，大壩的建設(shè)隨之增加，其安全與否成為新修水利工程成敗的關(guān)鍵。如何及時(shí)提供大壩工作性態(tài)及其變化信息降低大壩風(fēng)險(xiǎn)是各國大壩安全管理工作者關(guān)心的主要問題，大壩實(shí)時(shí)安全監(jiān)控顯得越來越重要［1－2］。

土石壩是采用最普遍的一種壩型，世界上土石壩占大壩總數(shù)的82.9%，在中國土石壩數(shù)量占到大壩總數(shù)的93%。因此，如何順利實(shí)現(xiàn)對土石壩監(jiān)測的自動(dòng)化是科研界近十余年來一直在探索與實(shí)踐的問題，通過多年研究與實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)GPS與GIS相融合可以有效實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測的智能化，可利用GPS實(shí)時(shí)對土石壩的外部變形形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(對于混凝土大壩而言，對外觀變形的監(jiān)測精度較高，一般不采用GPS方法來監(jiān)測)，內(nèi)部變形可通過埋設(shè)內(nèi)部觀測儀器獲得變形數(shù)據(jù)。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)地通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳到時(shí)刻運(yùn)行的監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算機(jī)終端，再利用監(jiān)測系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對傳輸回來的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)、計(jì)算分析、預(yù)警輔助決策。這對提高土石壩的安全管理水平以及促進(jìn)大壩設(shè)計(jì)理論的完善等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［3－8］。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

ArcGIS是ESRI(美國環(huán)境系統(tǒng)研究所)推出的一套完整的GIS軟件產(chǎn)品，具有海量空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編輯、分析等功能，通過它提供的GIS開發(fā)工具還可創(chuàng)建客戶化GIS桌面應(yīng)用程序，具有很好的系統(tǒng)集成性。

本系統(tǒng)采用 ArcGIS Engine和 VB 6.0編程開發(fā)，其系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

該系統(tǒng)具備如下幾個(gè)功能:

(1)數(shù)據(jù)錄入功能。傳輸來的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠做到數(shù)據(jù)的自動(dòng)及時(shí)錄入，也可以手動(dòng)錄入。

(2)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能。對傳輸來的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)容易操作的數(shù)據(jù)格式。

(3)數(shù)據(jù)訪問功能。訪問數(shù)據(jù)是程序和底層數(shù)據(jù)庫的訪問接口，使得系統(tǒng)的管理人員能夠查看、刪除、添加數(shù)據(jù)。這個(gè)模塊使得程序和數(shù)據(jù)分離開來，增加數(shù)據(jù)的安全性。

(4)數(shù)據(jù)的備份和還原。對有可能遇到一些突發(fā)情況造成數(shù)據(jù)的丟失進(jìn)行先備份，使得系統(tǒng)的安全性更高。

(5)土石壩監(jiān)測區(qū)域直觀顯示。管理員不用到現(xiàn)場，通過這個(gè)功能就知道該土石壩地理位置和監(jiān)測狀況如何。

(6)繪圖功能。將數(shù)據(jù)繪成直觀的圖表形式，更能分辨監(jiān)測點(diǎn)的狀況和走勢。

(7)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢。能隨時(shí)查詢管理人員關(guān)心的GPS的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

(8)預(yù)警值的設(shè)置。針對不同監(jiān)測區(qū)域的最大位移危險(xiǎn)報(bào)警界限不一樣，該系統(tǒng)能針對不同監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行靈活的設(shè)置。

(9)報(bào)警功能。監(jiān)測點(diǎn)位移超過設(shè)置的預(yù)警值，系統(tǒng)會(huì)立即向預(yù)先設(shè)置的職能部門相關(guān)人員發(fā)出聲音或短信報(bào)警。

(10)報(bào)表的生成。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)生成日報(bào)表、月報(bào)表、位移時(shí)間圖等相關(guān)統(tǒng)計(jì)專題圖表，為輔助決策提供重要參考資料。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)運(yùn)行主界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行主菜單Fig.2 Main menu of the system operation

3 報(bào)警功能模塊實(shí)現(xiàn)

由于篇幅有限不能對該系統(tǒng)的全部功能一一介紹，下面僅對本系統(tǒng)最核心的功能(預(yù)警功能)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的說明。

土石壩在施工和運(yùn)營過程中，每一個(gè)項(xiàng)目都應(yīng)根據(jù)客觀環(huán)境及實(shí)際情況，預(yù)先確定出該監(jiān)測項(xiàng)目的允許位移、受力的臨界值，以判斷施工過程中的安全程度。每一臨界值由允許變化總量和單位時(shí)間允許變化量2個(gè)部分進(jìn)行控制。

土石壩預(yù)警值是一個(gè)定量指標(biāo)，在其允許范圍內(nèi)可認(rèn)為工程是安全的，否則認(rèn)為工程處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將對工程自身及其周圍環(huán)境產(chǎn)生有害影響。確定預(yù)警值時(shí)應(yīng)注意下列基本原則:

(1)滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范和規(guī)程的要求;

(2)滿足工程設(shè)計(jì)的要求;

(3)考慮各主管部門對所轄保護(hù)對象的要求;

(4)考慮工程質(zhì)量、施工進(jìn)度、技術(shù)措施和經(jīng)濟(jì)等因素。

但目前，土石壩的變形預(yù)警值在相關(guān)規(guī)范沒有明確規(guī)定，只能根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)估值、經(jīng)驗(yàn)類比值或者召開專家會(huì)議進(jìn)行討論確定，然后把確定好的預(yù)警值輸入預(yù)警系統(tǒng)之中。

3.1 報(bào)警功能的開啟

開啟此報(bào)警功能之后，如有監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)警范圍，就會(huì)馬上報(bào)警。開啟與關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)會(huì)有提示，見圖3、圖4。

圖3 開啟預(yù)警功能時(shí)狀態(tài)圖Fig.3 System prompt of turning on the early warning function

圖4 未開啟預(yù)警功能時(shí)狀態(tài)圖Fig.4 System prompt of turning off the early warning function

3.2 預(yù)警畫面顯示

當(dāng)畫圖程序開啟之后，預(yù)警功能也已經(jīng)開啟。當(dāng)發(fā)生了危險(xiǎn)情況，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用如圖5的窗體，窗體里面顯示的是:超出設(shè)定位移的類型(空間、豎直、平面)、GPS基站號、日期、超出距離。

圖5 預(yù)警畫面Fig.5 Screen of the early warning

通過預(yù)警窗體的實(shí)現(xiàn)，直觀地表現(xiàn)出了危險(xiǎn)發(fā)生的狀況。從而使工作人員準(zhǔn)確地掌握了危險(xiǎn)發(fā)生的位置，以及位移偏移量等。

3.3 報(bào)警方式

預(yù)警功能模塊由聲音報(bào)警和短消息報(bào)警兩大功能構(gòu)成，現(xiàn)簡單敘述如下。

3.3.1 聲音預(yù)警提示

聲音預(yù)警是預(yù)警功能中最常用也是最重要的預(yù)警方式，其原理是在有危險(xiǎn)情況發(fā)生之后，系統(tǒng)通過“Windows Media Player”控件來調(diào)用聲音文件播放。聲音文件的選擇是危險(xiǎn)報(bào)警聲。

聲音文件在網(wǎng)絡(luò)上下載，并且保存在“...數(shù)據(jù)存放聲音源warning.mp3”

核心代碼:

WindowsMediaPlayer1.URL=App.Path ＆ "數(shù)據(jù)存放聲音源warning.MP3"

3.3.2 短信預(yù)警功能

手機(jī)的短消息實(shí)現(xiàn)目前有3種方法:

(1)通過移動(dòng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送短消息，使用該方法不需要附加的硬件，但需要到電信部門申請網(wǎng)關(guān)，比較適用于一些大型的項(xiàng)目。

(2)在電腦上通過GSM MODEM向手機(jī)發(fā)送中文短消息，這是目前比較適合于小項(xiàng)目開發(fā)的一種方法。硬件只需一款手機(jī)和提供GSM MODEM，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)線或是紅外線適配器。該方法編碼也比較容易，只需編程人員對AT指令和串口編程比較熟悉就可以實(shí)現(xiàn)，就能自動(dòng)收發(fā)短消息。

(3)通過一些網(wǎng)站上提供的短信發(fā)送功能(圖6)來實(shí)現(xiàn)，比如新浪網(wǎng)、網(wǎng)易都提供這方面的服務(wù)。這是3種方法中實(shí)現(xiàn)起來最簡單、所需資源最少的1種方法。

圖6 短信功能設(shè)置主界面Fig.6 Main interface of setting the message-sending function

前2種方法都需要大量資金的投入，第3種方法幾乎免費(fèi)，它利用移動(dòng)飛信能夠免費(fèi)發(fā)短信的原理發(fā)送短信，因此本系統(tǒng)嘗試采用第3種方法進(jìn)行。其原理是:目前飛信開通了139郵箱的綁定，如果開通了139郵箱(郵箱的賬號為手機(jī)號)，當(dāng)你接收到139郵件的時(shí)候就會(huì)以郵件的方式發(fā)送到你的郵箱里面，同時(shí)還會(huì)發(fā)送一份短信到你的手機(jī)上。所以，只要利用163郵箱發(fā)送報(bào)警信息到接收者的139郵箱里面，接收者的手機(jī)也會(huì)同時(shí)接收到預(yù)警短信。

發(fā)信的郵箱為163郵箱，其賬號和密碼為默認(rèn)，可更改為163郵箱賬號。聯(lián)系人的電話號碼可循環(huán)輸入，次數(shù)無限制。完成后可以進(jìn)行短信報(bào)警。

該功能使用時(shí)短信的接收者必須要登陸飛信，綁定139郵箱后，收到信息后才能查看郵箱的全部內(nèi)容。如果不綁定，也可以收到提示消息，但需登錄郵箱才能查看全部短信。

測試的結(jié)果如圖7。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

針對大壩自動(dòng)化監(jiān)測的特點(diǎn)，本系統(tǒng)利用GPS監(jiān)測站對土石壩的外觀變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)也通過埋設(shè)內(nèi)部觀測儀器進(jìn)行內(nèi)部變形監(jiān)測，并對外觀與內(nèi)部變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，然后發(fā)送到電腦終端上運(yùn)行的大壩自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)對接收的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、歸納、整理為符合數(shù)據(jù)分析需要的數(shù)據(jù)類型格式并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫。通過對這些監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理分析，可以制作直觀的位移變形圖并能靈活地生成監(jiān)測報(bào)表，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化，大大提高監(jiān)測人員的工作效率。

另外，系統(tǒng)最核心的功能之一是實(shí)現(xiàn)了預(yù)警的自動(dòng)化，管理員可以按照規(guī)范或者工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置警戒值，監(jiān)測位移如果超出了警戒線，就會(huì)播放音樂文件發(fā)出警報(bào)，并同時(shí)向系統(tǒng)設(shè)置好的相關(guān)人員發(fā)送手機(jī)短信進(jìn)行警告。這樣就能對大壩的變形狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，最大程度地保障國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

4.2 展 望

目前的監(jiān)測系統(tǒng)大多是基于windows操作系統(tǒng)，成熟的操作系統(tǒng)具有很多的優(yōu)勢，但是和手機(jī)比起來，占用的空間位置比較大，而且可移動(dòng)性很差。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域發(fā)生一些人為或者其他震動(dòng)等偶然因素導(dǎo)致劇烈位移的時(shí)候，如果管理員必須回到電腦前對監(jiān)測系統(tǒng)的警報(bào)進(jìn)行判斷，那么會(huì)使預(yù)警錯(cuò)報(bào)或者預(yù)警不及時(shí)。但如果能夠開發(fā)出一套基于安卓(Android)系統(tǒng)在手機(jī)上運(yùn)行的監(jiān)測系統(tǒng)，那么就能夠更加方便地隨時(shí)隨地掌握預(yù)警信息。相信隨著科技的發(fā)展，在手機(jī)上運(yùn)行的監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)得以實(shí)現(xiàn)。

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