智慧海塘物联网感知数据汇聚系统研究与实践

金芳义，胡 琦

（温州市瓯飞经济开发投资有限公司，浙江 温州 325000）

1 问题提出

温州市浙南产业集聚区海塘智慧提升工程的核心任务之一是保障海塘堤防的安全。虽然前几年的建设有了一定的基础，但是目前主要存在问题有两个：（1）由于前期建设的新旧物联感知设备系统众多，包括表面位移沉降监测、深层水平位移监测、浸润线监测、波浪爬高监测、风速监测、水文监测、安防监测等系统设备，各系统及机电设备的联动控制及数据实时获取要求高，这些新旧物联感知设备厂家的通信接口所监测、监听、接口参数等内容各不相同，如何对这些不同厂家不同接口合理化融合开发配置是本次研究集成联调的重点难点。（2）新旧物联感知设备系统均有自成体系的配置方式和联调界面，这对系统联调人员的技术水平和业务全面性提出了很高的要求，调试人员必须熟悉并具备各系统不同厂商的配置联调技能。

为了解决物联感知新旧系统众多、感知设备设施多样、通信协议不同、集成接入繁琐、设备在线状态难于诊断等问题，本研究建立了感知数据汇聚系统，按照相关标准规范，通过协议解析、转换、处理，为海塘现有和续建的水利感知设备提供和建设规范。实现海塘水利物联感知数据资源的高效共享，为海塘强监管和科学决策提供数据支撑[1]。

2 总体框架设计

项目数据来源具有多种途径包括纵向省、市、县三级水行政主管部门、横向与地图平台、水利数据中心等系统的数据交互。同时这些数据来源具有数据结构相异和数据标准不统一等特点。为保障项目数据遵循“一数一源”为原则，需要开展数据的集成融合工作。采用数据集成自适应技术，通过对现有数据集成进行归集整合，形成数据集成技术框架工具，具体见图1。

图1 自适应数据集成技术框架工具图

对于横向的省、市、县三级的数据来源不论是实时数据（如水雨情）、动态数据（如巡查检查）或静态数据（如工程基础信息）可以采用WebService和Webapi接口两个途径实现数据的采集，对于采集到的数据再做清理和处理存储，实现数据标准统一。

对于纵向的省厅数据中心、地图平台、统一门户等系统通过单点登录、消息集成、DB接口方式，在遵循统一数据资源目录的前提下，进行数据的交互[2]。

同时，基于省市间数据共享交换服务，采用省级数据服务管理模块，以此实现数据服务注册、发布、调用、监控的统一管理。数据服务建设基于瓯飞海塘水利数据仓，建设基础数据共享交换服务，实现与省、市两级水利数据仓的基础数据共享交换，以及与温州市大数据局的数据共享交换。其中省级水利数据仓中的基础数据共享交换服务，直接使用省级服务即可。业务应用的数据服务在业务应用建设过程中建设[3]。

3 感知体系汇聚

3.1 堤防安全监测系统

（1）总体框架

瓯飞海塘的堤防安全监测总体框架如图2所示，主要设备包括测斜仪、渗压计、风速仪和电子水尺的安装。

图2 堤防安全监测总体框架

（2）安全自动化监测实施

海堤观测项目包括：海堤表面变形、深层水平位移、浸润线、波浪爬高、风速和塘前冲淤等。

1）表面变形监测

海堤表面变形自动化观测沿堤线每2 km布置1个观测断面，每个断面在堤顶设置1个表面变形测点，另在工程区域外稳定区域（或者国家等级点附近）分别布设两个基准点，共计布置12个表面变形测点。表面变形自动化观测采用GNSS一体化监测系统，集成全星座定位终端、无线通信技术等智能模块，毫米级远程监测、电子围栏、地灾预警秒级响应。

为增强海塘安全监测自动化水平，本次将高精度北斗卫星定位系统，GNSS监测系统具有以下特点：

不受气候等外界条件影响，可全天候监测。常规方法所用的仪器设备是基于几何光学原理工作，故不能在黑夜、雨、雾、雪、大风等气象条件下正常观测。而GNSS监测系统则不受外界气候条件的影响，实现全天候观测，尤其在关系到塘身安全的关键时刻，如风、雨交加的汛期，都能及时提供塘身变形量，这是常规方法无法实现的[4]。

所有变形监测点的观测时间同步，能客观反映某一时刻塘身各监测点的变形状况。用常规监测方法，在进行塘身外部变形监测时，总是逐测点观测，导致各监测点观测的时间不在同一时刻，监测结果反映不出塘身同一时刻的变形状况。而GNSS监测系统可避免以上的缺陷，能测出同一时刻塘身上各监测点的变形量, 即所有监测点观测时间是同步的, 能客观地反映出塘身在某一时刻各坝段的变形情况。

可实现全自动监测。常规外部变形监测方法，大多使用的是经纬仪、水准仪或全站仪，处于人工或半人工观测，不仅观测周期长，且无法或不便于实现自动化。而GNSS监测系统则能实现数据采集、传输、分析计算全自动。北斗测点布置如下：

①基准站布置

基准基准点是监测的坐标起算基准，同时是各GNSS表面位移测点的基准站，与国家高等级GNSS网定时联测以获取高精度的起算坐标。

基准点选择在土质坚实、供电稳定、交通通信条件较好的位置。同时也要满足以下要求：

距易产生多路径效应的地物（如高大建筑、树木、水体、海滩和易积水地带等） 的距离不小于200 m；应有20°以上地平高度角的卫星通视条件；距电磁干扰区（如微波站、无线电发射台、高压线穿越地带等） 的距离不小于200 m；避开易产生振动的地带；实地进行卫星定位观测，以5 s采样间隔记录不小于连续4 h的观测数据。当载波相位数据利用率低于95%时，应变更站址；基准点要与所有监测区域分散成面状分布，要覆盖整个监测区域，但距离各监测点的距离要适中。

②测站布置

监测站是管理人员实时掌握塘身位移沉降变化量的依据，各监测点长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据通信网络实时传输观测数据到云中心，并结合各参考站的观测数据与起算坐标通过中心软件准实时解算处理，最终得到各监测点的三维坐标。

根据监测区域的实际情况及参照《GPS测量规范》，各监测站点的位置应尽量避开高大的构筑物，选择能够代表整个塘身变化较大的地段及运行有异常反应处的几个断面上，分别设置若干监测点[5]。

基点采用钢筋混凝土结构，在选定的基点位置建设观测墩。需要在监测体上挖1个长宽高为1 m×1 m×0.2 m的坑，在坑里安装钢筋地笼并且浇筑混凝土，浇筑至地面齐平，留出上表面钢筋（用于固定立柱钢筋笼），并用水平尺严格整平底座上表面。以此标准完成所有底座安置。12 h后，将预扎好的立柱钢筋笼（0.3 m×0.3 m×1.0 m）立于底座中央，并用扎丝固定牢，将底座未浇筑部分浇筑完成。将混凝土倒入模板中并随时捣固，浇筑至顶部时候，及时将强制对中基座安置于观测墩顶端，并使之水平。待混凝土平台凝固后，用冲击钻在混凝土平台上打孔，使用膨胀螺丝，固定住设备箱。将GNSS主机、采集模块、通信设备等固定在设备箱内，并使用信号线连接各个设备，如果有信号线外漏则使用PE管保护。将上断面的数据线穿管引到下断面的设备箱内。将天线固定在强制对中器上，安装天线保护罩，从天线到设备箱用预埋在墩子内的PE管穿线。

2）深层水平位移监测

海堤深层水平位移自动化观测拟沿北堤和东堤堤线选取6个断面，每个断面在海堤内坡坡顶设置1孔深层水平位移测点，孔深40 m，每孔放置5支固定测斜仪探头，共计布置6孔深层水平位移测点。深层水平位移选用GN-1B型固定测斜仪，主要由测杆、导向轮、连接钢丝绳、观测电缆等组成。测斜管选用DN70的ABS管，壁厚≥3 mm。

图3 断面位置示意图

测斜仪广泛用于测量土石坝、面板坝、岩体、边坡、海塘等建筑物的水平位移，可方便实现自动化监测。测斜仪由固定式测斜传感器、测杆、导向轮、连接杆、传输电缆等组成。水平位移监测通过测斜仪串联装在测斜管内，利用测斜传感器测量出塘身的切斜角度，测量出塘身的变形量，描绘塘身变形曲线[6]。

3）浸润线观测

海堤浸润线观测拟沿北堤和东堤的堤线选取6个断面（同深层水平位移位置），每个断面设置4个观测点，共计布置24个观测点。浸润线监测仪器选用VWP型渗压计，主要由透水部件、渗压计、观测电缆、振弦及激振电磁线圈等组成。测压管选用DN70的ABS管，壁厚≥3 mm。

浸润线监测采用物联网、云技术实现自动化监测。通过现地布置渗压计和量水堰计对海堤渗流物理量进行监测，生成电信号，通过无线数据采集仪将监测电信号转化为数字信息，经物联网建立与渗流监测采集软件通信，实现云自动化监测采集。

图4 浸润线监测断面布置图

测压管埋设采用钻孔法，钻孔孔径采用Φ 100 mm的孔径，成孔后布置Φ 60 mm的镀锌钢管。测压管内布设渗压计，管口设置保护设施。

渗流监测采用振弦式渗压计，振弦式渗压计主要用于长期测量测压管、钻孔、堤坝、管道和压力容器里的液体及孔隙水压力，其主要部件均用特殊钢材制造，有足够的强度适合各种恶劣环境安装使用。

渗压计主要由透水石、膜片、钢弦、激励和接收线圈、半导体温度计、保护外壳等组成。仪器中有一个灵敏的不锈钢膜片，在它上面连接振弦，使用时，膜片上压力的变化引起它移动，这个微小位移量可用振弦元件的张力和振动频率来测量，振动频率的平方正比于膜片上的压力。共有两个线圈，分别紧靠钢弦对称放置。使用时，一个变频的脉冲信号（扫描频率）加到线圈上，这就使钢弦在它的固有频率上振动。激励结束时，钢弦还继续振动，但固有频率的正弦信号在线圈上逐渐减弱，并传输到读数仪上，并在此被解调和显示，通过换算即可得到外界作用于膜片上的压力。

4）塘前冲淤

为及时了解堤前的冲淤情况，在海堤沿线每1 km左右布置1个冲淤观测点，水闸上下位置各布设1个冲淤观测点，海塘全线共布置29个冲淤观测点，对堤脚滩地的冲淤变化情况进行定期测量。经费按照测来测量取费规范，从日常运维费列支。数据上传至智慧管理系统。

3.2 水闸自动化监测

水闸观测包括表面变形、水位、渗流压力、底板脱空、接缝变形、钢筋应力、土压力及温度观测，本期建设表面变形自动化监测。水闸表面变形自动化观测拟布置3个表面变形观测点，基准点与海堤共用，共计12个表面变形观测点（共4座水闸，含西河堤闸）。表面变形自动化观测采用GNSS一体化监测系统。

其余海塘位移和沉降观测点位沿用人工观测，并对上述新建设的自动化监测点位采用人工观测数据复核。

本次海塘智慧管理能力提升建设总长度23.369 km。根据上述布置原则和预留的19个断面，选取其中10个断面提升建设为表面变形自动化监测断面，其中6条提升建设为全要素（表面变形、深层水平位移、浸润线、风速和塘前冲淤）自动化监测断面；新建2个自动化监测基准点，选在变形范围外远离建筑物地区的国家等级点附近。以上断面的后续建设可根据现场实际情况合理调整布置。

3.3 水文感知监测系统设计

为实现智慧管理，全要素动态感知的水文监测体系是必要条件。基于温州市浙水安澜平台的水文在线数据和设计新建的水文感知设备数据，实现对水位、流速流量和雨量情况等方面信息的动态监测和全面感知[7]。

水位和雨量从现有的监测站点接入数据。海塘现有3座水闸均有水位观测设备，分别位于北堤和东堤上。东堤设计布设2处雨量感知设备。北1号闸、北2号闸和东1号闸的每孔分别设计设置1个雷达流速监测计，共计19个雷达流速仪，配合已有水位监测计，统计分析流量。

3.4 海塘智能安防系统

（1）视频安防点位

在海塘23.3 km范围内，普通堤段每隔0.5 km设置1处视频点位，用以监测整个堤防的情况，重点在堤防出入口、L型路口、T型路口、水闸上游河道、码头等位置设置视频点位，布设防雾、透光、防雨的高清安全警戒摄像机。位置根据现场实际情况调整。

3号景观平台至2号隔堤，结合已有视频监控设备，设计新增设高清安全警戒摄像机21套，安装方式采用立杆式。该段为应急工程，上述内容及电气等配套设施已先行建设，但内容为本工程的一部分，概算纳入本工程。

在北堤至3号景观平台约13 km海堤段，结合已有视频监控设备，设计新增21套高清安全警戒摄像机；新增6套广播设备和6套声光报警设备。

（2）AI识别视频点位在闸站工程施工位置、堤防重点管理范围和堤防入口等布置智能AI识别球机，监测包括工程物资堆放、人员非法闯入和车辆进出等情况，智能AI识别球机与视频安防共用同款高清安全警戒摄像机，不另外增加成本投入。

（3）广播点位根据管理需求选取合适的视频安防点位布置广播站点，广播设备与视频安防设备共用1个立杆。

（4）声光报警设备位于东堤的码头采用立杆方式布设声光报警设备，其他声光报警设备根据管理需求布设至相应位置。

（5）道闸设置为保障海塘管理的规范性和全面性，在隔堤与进入海塘的交叉口处分别设置道闸，共计布设5座道闸。

3.5 感知数据汇聚系统

根据总体目标针对各类系统的特点对感知数据进行总体集成，实现界面统一、功能可复用、结构可扩展、流程可定制的综合性自动化系统。

为了实现不同厂家自动化系统建设数据及功能模块的规范接入，避免复开发。系统建设中，在信息采集、汇集、交换、存储、处理和服务等环节采用国家或水利部已有的标准规范，同时根据工程管理实际需要制定相关的规范文档。将需要建设的物联监控采集系统、自动化控制系统、调度中心、分中心、通信网络和计算机网络系统的硬件及网络环境进行集成。数据集成通过标准数据接口对已建系统数据进行接入。系统集成水闸自动化控制系统、安防管理系统、视频监控系统、安全监测系统等软件配套系统，最终集成至海塘智慧管理平台，实现统一平台、统一界面、统一控制。

4 结束语

由于在实施阶段正好经历梅雨台风季节，强烈的气候变化和大量的雨水对现场设备安装、基础施工带来影响。本建设历经梅雨、台风季节，测斜管、测压管基础施工和室外设备安装大大受到影响。主要经验和难点总结如下：

（1）监测仪器初始值确立

仪器埋设初始值的准确性将影响监测测值计算，测值的大小将影响工程安全特性和稳定性的判断。

1）渗流监测为保障渗压计埋设初始值的准确性，降低监测测值误差，渗压计安装埋设需严格按步执行，仪器采购后需送资质单位检测，合格后方可使用，埋设安装前将渗压计的透水部件拧下放在水中浸泡2 h以上，透水部件再次安装到渗压计上时一定要在水中进行，装好透水部件的渗压计拿出水面时进水口应朝上，避免腔内的水流出。如储水腔内含有空气，将影响测量的准确度。将准备好的渗压计放入测压管内，直至浸入水中。同温2 h后可进行测量，每隔5 min测1次频率和温度，连续3次测值相同，即仪器与水已经同温。将扬压力计拎出水面，让仪器处于刚好出水面的位置。这时测量仪器的频率和温度，此测值可作为仪器的基准值。

2）北斗卫星监测系统监测初始值确定和监测精度满足：

固定基准站及监测点上部对空条件良好，高度角15°以上范围无障碍物遮挡，应远离大功率无线电信号干扰源（如高压线、无线电发射站、电视台、微波站等)，且附近无GPS信号反射物。GPS接收机天线的水准器应严格居中，天线定向标志线指向正北，天线相位中心高度应量取两次，两次较差不应大于l mm。

监测数据解算：北斗卫星监测系统建设完成应开展高频次大量数据采集，通过大数据解算、平差后取得各个站点的三维位置数据，根据站点数据通过收敛后，剔除一定范围异常数据，通过有效数据取平均值作为各个站点位置数据的初始值。利用基准站和测站的位置关系计算出各测点的位移沉降值，在计算分析中应充分考虑监测设备误差，做出误差数据的辨别和剔除。

（2）物联感知设备施工作业面广

本系统涉及表面位移沉降监测、深层水平位移监测、浸润线监测、波浪爬高监测、风速监测、水文监测、安防监测等分项工程较多、作业面分散，给现场安全、环境管理带来一定难度。另外本工程沟槽、钻孔、放线等较长，给行人、车辆交通带来一定的隐患。本系统属于提升改造项目，与第三方交叉作业、施工场地重叠、存在立体交叉施工，不仅影响施工正常进行，而且给安全施工带来隐患。施工作业死角较多，如管线交叉处、新旧管线连接处、边角处、靠近建筑物及各类井室周围等部位，给机械开槽作业、钻孔等，带来很大难度。