北斗卫星导航定位系统在人工岛安全监测中的应用

吕达昕

【摘 要】人工岛在完成填岛后，尤其是岛上大规模工程建设后，岛屿的稳定性备受管理者和居民的关注。文章对北斗卫星导航定位系统及其高精度定位终端在人工岛安全监测上的应用进行探讨。通过监测岛屿变形的连续变化，掌握岛屿结构变化的情况。基于大量的监测数据记录和分析，为人工岛的工程建设、城市管理与维护及其他地区的人工岛建设提供决策依据。

【关键词】人工岛;安全监测;北斗卫星导航系统

【中图分类号】TN96.1;P228【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）05-0113-02

双鱼岛位于漳州开发区，是全国首例离岸式人工岛。人工岛的稳定性主要受以下因素的综合影响：区域地壳稳定性（地质构造特征、地震、板块地面沉降）、地基稳定性（持力层性质、工程软弱层）、海洋环境稳定性（风暴潮、海流、波高、水深）。本文对基于北斗高精度位置服务平台在双鱼岛护岸的安全监测进行讨论。项目选取对双鱼岛安全性影响最大的岛上综合地下管廊和护岸进行安全监测。监测其变形的连续变化情况，提供预警分析、降低由位移沉降引起的灾害所造成的损害。同时，基于大量的监测数据记录和分析，为人工岛上的工程建设、城市管理与维护及其他地区的人工岛建设提供决策依据。

1 系统设计原则

安全监测系统应能全面、准确地反映监测对象在施工期和运行期的实际工作性态。根据地质条件、结构特点，以及在相同类型对象的代表性等因素，确定重点监测对象和一般监测对象。测点布置需突出重点。监测项目应统筹安排，配合布置。重要监测断面或部位的某些重要测点，可综合采用几种监测手段，并针对关键部位的重要物理量的监测设备备份仪器。应结合影响工程安全的主要因素，有针对性地设置监测项目和布置监测仪器。应选择性能稳定可靠且适宜于在恶劣环境中长期工作的监测仪器和设备。仪器的量程和精度应满足监测要求。需要长期观测的重要监测项目，其仪器设备应便于更换。

2 双鱼岛安全监测方案

2.1 双鱼岛地下管廊监测方案

双鱼岛地下管廊是双鱼岛的生命线，是岛上资源传输的主要通道，也是双鱼岛获取能源的重要渠道。作为人工填岛，地处较复杂的海洋环境中，可能发生不规则沉降、渗水等问题，对地下综合管廊构成威胁。此外，地下综合管廊在投入使用后，将处于高频、高负荷的工作状态。由此引发的老化、结构损伤等问题也将成为双鱼岛地下管线及双鱼岛地面的安全隐患。

鉴于此，对双鱼岛地下综合管廊的监测应包括以下内容（见表1）。

2.2 双鱼岛护岸安全监测

由于护岸对于人工岛基础安全的重要性，以及其本身受自然环境影响的不确定性，因此双鱼岛护岸的安全和稳定性对填岛工程非常关键。护岸是整岛抵御海洋灾害的重要屏障，因此了解其运行状态非常关键，有必要进行安全监测。沉降及位移监测，为护岸的安全使用提供依据。监测内容主要包括表面位移监测和深部位移监测。从人工岛大小考虑，该监测对象的监测网点设计为60个表面位移点、20个内部（深部）位移点，网点设计采用沿护岸轮廓组网。

3 软件系统设计

安全监测系统的主要功能是监测数据的接收、转换、存储、分析与展示。大数据的功能应用决定了系统的架构要具有灵活性、可维护性、可扩展性、可靠性、安全性等最根本特性。因此，系统主要由数据接入层、后台服务层、数据层、服务接口层、应用层组成，以及信息标准规范体系、信息安全保障体系、项目统一规划的基础设施及信息运行保障体系构成。采用多层体系结构模型能更好地对监测服务平台进行扩展。

3.1 软件系统架构

安全监测软件系统由核心处理分析引擎、安全监测服务系统、紧急指挥系统3个子系统组成，并需要系列接口支持。

3.2 核心处理分析引擎

核心处理分析引擎是整个安全监测数据处理分析的核心引擎，驱动其他所有业务系统有效运行。核心处理分析引擎需要达成以下目标：？譹？訛系统可以连续、自动、实时地完成监测对象外部变形数据的采集及处理。？譺？訛根据引擎处理的数据，可实现分析、過程线图形绘制、判断、预测、报表打印和WEB发布等多种功能。？譻？訛数据可通过互联网或者无线通信网络转发至其他系统。？譼？訛参考相关标准规范及经验数据，为变形体设置预警值，实现超限报警功能。？譽？訛支持边坡、自然斜坡、水库、建筑、护岸、管廊等多种场景的变形监测引擎。

系统软件功能结构如图1所示。

3.3 安全监测服务系统

安全监测服务系统可通过网络访问核心处理分析引擎的监测站数据，针对各测点数据进行实时展示和查询，主要包含以下功能模块。

数据采集及处理：该功能包括前端数据采集、数据传输、数据处理。前端由北斗卫星接收机、应力应变、风力、湿度等各类传感器实时采集数据，数据由数据通信网络传输并进行数据处理，核心处理分析引擎对数据进行分析，实时监测变形体的位移情况。

数据查询：按时间、时间段、空间、项目、设备类型、设备状态、数据状态查询。

数据通道：实现数据导入、数据导出、报表生成、报表导出、报表定时导出、报表展示（趋势图、比重图、对比图、地图展示等）等功能。

预警告知：实现信息发送、发送群组管理、发送频率、信息屏蔽、信息优先级、信息内容编辑、个性化设置、费用查询、到期查询等功能。

数据展示：以项目、设备为单位，显示位移、沉降、内部位移、含水率、内部水位、侧部测斜、应力、应变、震动、风力风速、加速度、拉力、温度、湿度、突变、报警、离线等指标及综合分析结果，可以对上述数据进行时间维度和空间维度的类比、同比、速度对比、速率对比，输出各类报表，其目的是快速发现险情，分析险情原因，排除险情误报，预知风险趋势。

安全业务服务：包括护岸安全管理服务、地下管廊安全管理服务，其目的是根据开发区组织结构及业务需要，均衡分配管理任务，方便各业务部门组织安全管理工作。每个系统均包含快速预览页面，以快速直观的方式将最关注的突变、告警、离线、正常等设备信息和项目信息呈现出来。

4 北斗卫星导航系统在双鱼岛安全监测中的应用实现

本项目所记录的关键数据为双鱼岛整体及各监测点所在局部的位移和沉降，因篇幅所限，现就护岸的数据的记录做简要说明。

4.1 表面位移和沉降

通过北斗高精度定位终端，监测和记录系统上线以来双鱼岛的位移和沉降数据。系统记录并显示了其中一个或多个监测点位在可选定的时间段内的位移信息，并在监测总述中对异常点位进行提醒（同时管理员将收到短信）。

4.2 深部位移

岛屿的深部位移主要通过测斜仪实现。系统记录并显示了其中一个或多个监测点位在可选定的时间段内的深部位移量。

5 结语

作为全国首例离岸式人工岛，其填岛后尤其在岛上开始大规模建设后，岛屿的安全是管理者也是居民最关心的问题。本项目在岛上尚未大规模动工前，对整个人工岛的沉降、位移等进行了监测，从而掌握了岛屿的结构变化。大量的监测数据积累和分析，为人工岛的工程建设、城市管理与维护及其他地区的人工岛建设提供决策依据。同时，本项目是国内首个将北斗用于城市级的综合安全监测的案例，实现北斗高精度变形监测系统的产业化示范效应。

参 考 文 献

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