智慧海塘物聯網感知數據匯聚系統研究與實踐

金芳義，胡 琦

（溫州市甌飛經濟開發投資有限公司，浙江 溫州 325000）

1 問題提出

溫州市浙南產業集聚區海塘智慧提升工程的核心任務之一是保障海塘堤防的安全。雖然前幾年的建設有了一定的基礎，但是目前主要存在問題有兩個：（1）由于前期建設的新舊物聯感知設備系統眾多，包括表面位移沉降監測、深層水平位移監測、浸潤線監測、波浪爬高監測、風速監測、水文監測、安防監測等系統設備，各系統及機電設備的聯動控制及數據實時獲取要求高，這些新舊物聯感知設備廠家的通信接口所監測、監聽、接口參數等內容各不相同，如何對這些不同廠家不同接口合理化融合開發配置是本次研究集成聯調的重點難點。（2）新舊物聯感知設備系統均有自成體系的配置方式和聯調界面，這對系統聯調人員的技術水平和業務全面性提出了很高的要求，調試人員必須熟悉并具備各系統不同廠商的配置聯調技能。

為了解決物聯感知新舊系統眾多、感知設備設施多樣、通信協議不同、集成接入繁瑣、設備在線狀態難于診斷等問題，本研究建立了感知數據匯聚系統，按照相關標準規范，通過協議解析、轉換、處理，為海塘現有和續建的水利感知設備提供和建設規范。實現海塘水利物聯感知數據資源的高效共享，為海塘強監管和科學決策提供數據支撐[1]。

2 總體框架設計

項目數據來源具有多種途徑包括縱向省、市、縣三級水行政主管部門、橫向與地圖平臺、水利數據中心等系統的數據交互。同時這些數據來源具有數據結構相異和數據標準不統一等特點。為保障項目數據遵循“一數一源”為原則，需要開展數據的集成融合工作。采用數據集成自適應技術，通過對現有數據集成進行歸集整合，形成數據集成技術框架工具，具體見圖1。

圖1 自適應數據集成技術框架工具圖

對于橫向的省、市、縣三級的數據來源不論是實時數據（如水雨情）、動態數據（如巡查檢查）或靜態數據（如工程基礎信息）可以采用WebService和Webapi接口兩個途徑實現數據的采集，對于采集到的數據再做清理和處理存儲，實現數據標準統一。

對于縱向的省廳數據中心、地圖平臺、統一門戶等系統通過單點登錄、消息集成、DB接口方式，在遵循統一數據資源目錄的前提下，進行數據的交互[2]。

同時，基于省市間數據共享交換服務，采用省級數據服務管理模塊，以此實現數據服務注冊、發布、調用、監控的統一管理。數據服務建設基于甌飛海塘水利數據倉，建設基礎數據共享交換服務，實現與省、市兩級水利數據倉的基礎數據共享交換，以及與溫州市大數據局的數據共享交換。其中省級水利數據倉中的基礎數據共享交換服務，直接使用省級服務即可。業務應用的數據服務在業務應用建設過程中建設[3]。

3 感知體系匯聚

3.1 堤防安全監測系統

（1）總體框架

甌飛海塘的堤防安全監測總體框架如圖2所示，主要設備包括測斜儀、滲壓計、風速儀和電子水尺的安裝。

圖2 堤防安全監測總體框架

（2）安全自動化監測實施

海堤觀測項目包括：海堤表面變形、深層水平位移、浸潤線、波浪爬高、風速和塘前沖淤等。

1）表面變形監測

海堤表面變形自動化觀測沿堤線每2 km布置1個觀測斷面，每個斷面在堤頂設置1個表面變形測點，另在工程區域外穩定區域（或者國家等級點附近）分別布設兩個基準點，共計布置12個表面變形測點。表面變形自動化觀測采用GNSS一體化監測系統，集成全星座定位終端、無線通信技術等智能模塊，毫米級遠程監測、電子圍欄、地災預警秒級響應。

為增強海塘安全監測自動化水平，本次將高精度北斗衛星定位系統，GNSS監測系統具有以下特點：

不受氣候等外界條件影響，可全天候監測。常規方法所用的儀器設備是基于幾何光學原理工作，故不能在黑夜、雨、霧、雪、大風等氣象條件下正常觀測。而GNSS監測系統則不受外界氣候條件的影響，實現全天候觀測，尤其在關系到塘身安全的關鍵時刻，如風、雨交加的汛期，都能及時提供塘身變形量，這是常規方法無法實現的[4]。

所有變形監測點的觀測時間同步，能客觀反映某一時刻塘身各監測點的變形狀況。用常規監測方法，在進行塘身外部變形監測時，總是逐測點觀測，導致各監測點觀測的時間不在同一時刻，監測結果反映不出塘身同一時刻的變形狀況。而GNSS監測系統可避免以上的缺陷，能測出同一時刻塘身上各監測點的變形量, 即所有監測點觀測時間是同步的, 能客觀地反映出塘身在某一時刻各壩段的變形情況。

可實現全自動監測。常規外部變形監測方法，大多使用的是經緯儀、水準儀或全站儀，處于人工或半人工觀測，不僅觀測周期長，且無法或不便于實現自動化。而GNSS監測系統則能實現數據采集、傳輸、分析計算全自動。北斗測點布置如下：

①基準站布置

基準基準點是監測的坐標起算基準，同時是各GNSS表面位移測點的基準站，與國家高等級GNSS網定時聯測以獲取高精度的起算坐標。

基準點選擇在土質堅實、供電穩定、交通通信條件較好的位置。同時也要滿足以下要求：

距易產生多路徑效應的地物（如高大建筑、樹木、水體、海灘和易積水地帶等） 的距離不小于200 m；應有20°以上地平高度角的衛星通視條件；距電磁干擾區（如微波站、無線電發射臺、高壓線穿越地帶等） 的距離不小于200 m；避開易產生振動的地帶；實地進行衛星定位觀測，以5 s采樣間隔記錄不小于連續4 h的觀測數據。當載波相位數據利用率低于95%時，應變更站址；基準點要與所有監測區域分散成面狀分布，要覆蓋整個監測區域，但距離各監測點的距離要適中。

②測站布置

監測站是管理人員實時掌握塘身位移沉降變化量的依據，各監測點長期連續跟蹤觀測衛星信號，通過數據通信網絡實時傳輸觀測數據到云中心，并結合各參考站的觀測數據與起算坐標通過中心軟件準實時解算處理，最終得到各監測點的三維坐標。

根據監測區域的實際情況及參照《GPS測量規范》，各監測站點的位置應盡量避開高大的構筑物，選擇能夠代表整個塘身變化較大的地段及運行有異常反應處的幾個斷面上，分別設置若干監測點[5]。

基點采用鋼筋混凝土結構，在選定的基點位置建設觀測墩。需要在監測體上挖1個長寬高為1 m×1 m×0.2 m的坑，在坑里安裝鋼筋地籠并且澆筑混凝土，澆筑至地面齊平，留出上表面鋼筋（用于固定立柱鋼筋籠），并用水平尺嚴格整平底座上表面。以此標準完成所有底座安置。12 h后，將預扎好的立柱鋼筋籠（0.3 m×0.3 m×1.0 m）立于底座中央，并用扎絲固定牢，將底座未澆筑部分澆筑完成。將混凝土倒入模板中并隨時搗固，澆筑至頂部時候，及時將強制對中基座安置于觀測墩頂端，并使之水平。待混凝土平臺凝固后，用沖擊鉆在混凝土平臺上打孔，使用膨脹螺絲，固定住設備箱。將GNSS主機、采集模塊、通信設備等固定在設備箱內，并使用信號線連接各個設備，如果有信號線外漏則使用PE管保護。將上斷面的數據線穿管引到下斷面的設備箱內。將天線固定在強制對中器上，安裝天線保護罩，從天線到設備箱用預埋在墩子內的PE管穿線。

2）深層水平位移監測

海堤深層水平位移自動化觀測擬沿北堤和東堤堤線選取6個斷面，每個斷面在海堤內坡坡頂設置1孔深層水平位移測點，孔深40 m，每孔放置5支固定測斜儀探頭，共計布置6孔深層水平位移測點。深層水平位移選用GN-1B型固定測斜儀，主要由測桿、導向輪、連接鋼絲繩、觀測電纜等組成。測斜管選用DN70的ABS管，壁厚≥3 mm。

圖3 斷面位置示意圖

測斜儀廣泛用于測量土石壩、面板壩、巖體、邊坡、海塘等建筑物的水平位移，可方便實現自動化監測。測斜儀由固定式測斜傳感器、測桿、導向輪、連接桿、傳輸電纜等組成。水平位移監測通過測斜儀串聯裝在測斜管內，利用測斜傳感器測量出塘身的切斜角度，測量出塘身的變形量，描繪塘身變形曲線[6]。

3）浸潤線觀測

海堤浸潤線觀測擬沿北堤和東堤的堤線選取6個斷面（同深層水平位移位置），每個斷面設置4個觀測點，共計布置24個觀測點。浸潤線監測儀器選用VWP型滲壓計，主要由透水部件、滲壓計、觀測電纜、振弦及激振電磁線圈等組成。測壓管選用DN70的ABS管，壁厚≥3 mm。

浸潤線監測采用物聯網、云技術實現自動化監測。通過現地布置滲壓計和量水堰計對海堤滲流物理量進行監測，生成電信號，通過無線數據采集儀將監測電信號轉化為數字信息，經物聯網建立與滲流監測采集軟件通信，實現云自動化監測采集。

圖4 浸潤線監測斷面布置圖

測壓管埋設采用鉆孔法，鉆孔孔徑采用Φ 100 mm的孔徑，成孔后布置Φ 60 mm的鍍鋅鋼管。測壓管內布設滲壓計，管口設置保護設施。

滲流監測采用振弦式滲壓計，振弦式滲壓計主要用于長期測量測壓管、鉆孔、堤壩、管道和壓力容器里的液體及孔隙水壓力，其主要部件均用特殊鋼材制造，有足夠的強度適合各種惡劣環境安裝使用。

滲壓計主要由透水石、膜片、鋼弦、激勵和接收線圈、半導體溫度計、保護外殼等組成。儀器中有一個靈敏的不銹鋼膜片，在它上面連接振弦，使用時，膜片上壓力的變化引起它移動，這個微小位移量可用振弦元件的張力和振動頻率來測量，振動頻率的平方正比于膜片上的壓力。共有兩個線圈，分別緊靠鋼弦對稱放置。使用時，一個變頻的脈沖信號（掃描頻率）加到線圈上，這就使鋼弦在它的固有頻率上振動。激勵結束時，鋼弦還繼續振動，但固有頻率的正弦信號在線圈上逐漸減弱，并傳輸到讀數儀上，并在此被解調和顯示，通過換算即可得到外界作用于膜片上的壓力。

4）塘前沖淤

為及時了解堤前的沖淤情況，在海堤沿線每1 km左右布置1個沖淤觀測點，水閘上下位置各布設1個沖淤觀測點，海塘全線共布置29個沖淤觀測點，對堤腳灘地的沖淤變化情況進行定期測量。經費按照測來測量取費規范，從日常運維費列支。數據上傳至智慧管理系統。

3.2 水閘自動化監測

水閘觀測包括表面變形、水位、滲流壓力、底板脫空、接縫變形、鋼筋應力、土壓力及溫度觀測，本期建設表面變形自動化監測。水閘表面變形自動化觀測擬布置3個表面變形觀測點，基準點與海堤共用，共計12個表面變形觀測點（共4座水閘，含西河堤閘）。表面變形自動化觀測采用GNSS一體化監測系統。

其余海塘位移和沉降觀測點位沿用人工觀測，并對上述新建設的自動化監測點位采用人工觀測數據復核。

本次海塘智慧管理能力提升建設總長度23.369 km。根據上述布置原則和預留的19個斷面，選取其中10個斷面提升建設為表面變形自動化監測斷面，其中6條提升建設為全要素（表面變形、深層水平位移、浸潤線、風速和塘前沖淤）自動化監測斷面；新建2個自動化監測基準點，選在變形范圍外遠離建筑物地區的國家等級點附近。以上斷面的后續建設可根據現場實際情況合理調整布置。

3.3 水文感知監測系統設計

為實現智慧管理，全要素動態感知的水文監測體系是必要條件?；跍刂菔姓闼矠懫脚_的水文在線數據和設計新建的水文感知設備數據，實現對水位、流速流量和雨量情況等方面信息的動態監測和全面感知[7]。

水位和雨量從現有的監測站點接入數據。海塘現有3座水閘均有水位觀測設備，分別位于北堤和東堤上。東堤設計布設2處雨量感知設備。北1號閘、北2號閘和東1號閘的每孔分別設計設置1個雷達流速監測計，共計19個雷達流速儀，配合已有水位監測計，統計分析流量。

3.4 海塘智能安防系統

（1）視頻安防點位

在海塘23.3 km范圍內，普通堤段每隔0.5 km設置1處視頻點位，用以監測整個堤防的情況，重點在堤防出入口、L型路口、T型路口、水閘上游河道、碼頭等位置設置視頻點位，布設防霧、透光、防雨的高清安全警戒攝像機。位置根據現場實際情況調整。

3號景觀平臺至2號隔堤，結合已有視頻監控設備，設計新增設高清安全警戒攝像機21套，安裝方式采用立桿式。該段為應急工程，上述內容及電氣等配套設施已先行建設，但內容為本工程的一部分，概算納入本工程。

在北堤至3號景觀平臺約13 km海堤段，結合已有視頻監控設備，設計新增21套高清安全警戒攝像機；新增6套廣播設備和6套聲光報警設備。

（2）AI識別視頻點位在閘站工程施工位置、堤防重點管理范圍和堤防入口等布置智能AI識別球機，監測包括工程物資堆放、人員非法闖入和車輛進出等情況，智能AI識別球機與視頻安防共用同款高清安全警戒攝像機，不另外增加成本投入。

（3）廣播點位根據管理需求選取合適的視頻安防點位布置廣播站點，廣播設備與視頻安防設備共用1個立桿。

（4）聲光報警設備位于東堤的碼頭采用立桿方式布設聲光報警設備，其他聲光報警設備根據管理需求布設至相應位置。

（5）道閘設置為保障海塘管理的規范性和全面性，在隔堤與進入海塘的交叉口處分別設置道閘，共計布設5座道閘。

3.5 感知數據匯聚系統

根據總體目標針對各類系統的特點對感知數據進行總體集成，實現界面統一、功能可復用、結構可擴展、流程可定制的綜合性自動化系統。

為了實現不同廠家自動化系統建設數據及功能模塊的規范接入，避免復開發。系統建設中，在信息采集、匯集、交換、存儲、處理和服務等環節采用國家或水利部已有的標準規范，同時根據工程管理實際需要制定相關的規范文檔。將需要建設的物聯監控采集系統、自動化控制系統、調度中心、分中心、通信網絡和計算機網絡系統的硬件及網絡環境進行集成。數據集成通過標準數據接口對已建系統數據進行接入。系統集成水閘自動化控制系統、安防管理系統、視頻監控系統、安全監測系統等軟件配套系統，最終集成至海塘智慧管理平臺，實現統一平臺、統一界面、統一控制。

4 結束語

由于在實施階段正好經歷梅雨臺風季節，強烈的氣候變化和大量的雨水對現場設備安裝、基礎施工帶來影響。本建設歷經梅雨、臺風季節，測斜管、測壓管基礎施工和室外設備安裝大大受到影響。主要經驗和難點總結如下：

（1）監測儀器初始值確立

儀器埋設初始值的準確性將影響監測測值計算，測值的大小將影響工程安全特性和穩定性的判斷。

1）滲流監測為保障滲壓計埋設初始值的準確性，降低監測測值誤差，滲壓計安裝埋設需嚴格按步執行，儀器采購后需送資質單位檢測，合格后方可使用，埋設安裝前將滲壓計的透水部件擰下放在水中浸泡2 h以上，透水部件再次安裝到滲壓計上時一定要在水中進行，裝好透水部件的滲壓計拿出水面時進水口應朝上，避免腔內的水流出。如儲水腔內含有空氣，將影響測量的準確度。將準備好的滲壓計放入測壓管內，直至浸入水中。同溫2 h后可進行測量，每隔5 min測1次頻率和溫度，連續3次測值相同，即儀器與水已經同溫。將揚壓力計拎出水面，讓儀器處于剛好出水面的位置。這時測量儀器的頻率和溫度，此測值可作為儀器的基準值。

2）北斗衛星監測系統監測初始值確定和監測精度滿足：

固定基準站及監測點上部對空條件良好，高度角15°以上范圍無障礙物遮擋，應遠離大功率無線電信號干擾源（如高壓線、無線電發射站、電視臺、微波站等)，且附近無GPS信號反射物。GPS接收機天線的水準器應嚴格居中，天線定向標志線指向正北，天線相位中心高度應量取兩次，兩次較差不應大于l mm。

監測數據解算：北斗衛星監測系統建設完成應開展高頻次大量數據采集，通過大數據解算、平差后取得各個站點的三維位置數據，根據站點數據通過收斂后，剔除一定范圍異常數據，通過有效數據取平均值作為各個站點位置數據的初始值。利用基準站和測站的位置關系計算出各測點的位移沉降值，在計算分析中應充分考慮監測設備誤差，做出誤差數據的辨別和剔除。

（2）物聯感知設備施工作業面廣

本系統涉及表面位移沉降監測、深層水平位移監測、浸潤線監測、波浪爬高監測、風速監測、水文監測、安防監測等分項工程較多、作業面分散，給現場安全、環境管理帶來一定難度。另外本工程溝槽、鉆孔、放線等較長，給行人、車輛交通帶來一定的隱患。本系統屬于提升改造項目，與第三方交叉作業、施工場地重疊、存在立體交叉施工，不僅影響施工正常進行，而且給安全施工帶來隱患。施工作業死角較多，如管線交叉處、新舊管線連接處、邊角處、靠近建筑物及各類井室周圍等部位，給機械開槽作業、鉆孔等，帶來很大難度。