基于北斗高精度的航道建筑物形变监测应用

陈家辉，张俊杰，王继龙

（1.广西西江开发投资集团有限公司，南宁 530000，2.交信北斗科技有限公司 北京 100011）

0 引言

建设“智慧西江”是新时期国家实施“一带一路”倡议、加快西部大开发、深化陆海双向开放的重大战略举措。2020年，西江干线全年货物通过量达到10.5 亿t，长洲水利枢纽过闸货运量突破1.5 亿t，成为全国天然河流过货量第一船闸[1]。目前西江流域共有长洲、桂平、贵港、那吉、鱼梁等12个梯级17座船闸，为及时掌握船闸在各种工况条件下的工作状态，保障过闸船舶航行安全，降低航运业安全事故风险，需要通过技术手段实现船闸运行状态的实时监测。基于地基增强系统的北斗高精度服务，可实现动态厘米级、后处理毫米级定位，可实现对基础设施微小形变的精准监测。建立基于北斗的船闸运行监测系统，可通过技术手段实现船闸全天候安全健康监测，保证航道通航建筑物运行安全[2]。

1 基于北斗高精度的航道建筑物形变监测原理

基于北斗高精度的航道建筑物形变监测系统是一个集北斗高精度定位技术、计算机技术、通信技术和网络技术等高新技术于一体的综合系统工程，整个系统包括数据采集、传输网络、监控服务中心和终端用户等4个部分，系统总体架构如图1所示[3]。

（1）数据采集

数据采集主要是对卫星定位数据的跟踪、采集、传输，对设备完好性和航道基础设施运行状态信息的采集。数据采集系统主要由参考站、监测站和本地服务器组成，参考站和监测站设备构成主要有北斗天线、北斗接收机、控制设备、防雷保护设施、供电设施和现场总线等。

（2）传输网络

本地局域网主要用于将北斗监测站、参考站数据传输至本地服务器。系统产生的计算结果、形变信息、统计信息通过专网传送到监控服务中心，监控服务中心可通过有线或无线网络为用户端提供服务。

（3）监控中心

监控中心负责对采集的原始观测数据进行解算和处理，通过软件进行专业分析和展示。同时监控中心还是整个系统的管理、维护、状态监控中心；管理服务器硬件和软件；对计算机网络和核心交换的部署；对数据存储备份，维护网络安全。

（4）终端用户

根据不同用户提供不同的数据服务，主要通过WEB和APP模式实现。

2 北斗高精度在航道建筑物形变监测的应用

本案例以西江那吉、鱼梁的船闸和靠船墩形变监测为例。为了推进西江航运船闸等基础设施的健康监测，首先选择更靠近西江上游右江的那吉、鱼梁两座船闸进行基于北斗高精度的形变监测示范应用。通过对船闸区域基础设施状态性能的实时监测，分析和评价船闸基础设施的安全状态，研究变形规律，及时发布变形预报。对位移进行实时监测，并通过绘制位移变形影响线或影响面来监测船闸区域各部位位移的实时变化情况，预测其变形规律，为船闸区域基础设施的维修、养护和管理决策提供依据和指导。

项目实施前首先通过船闸、靠船墩等基础设施的现场勘查，选定拟建设的基准站和监测站的位置，选址规划如图2 所示。其次对现场开展卫星导航系统信号质量测试，判断船闸等基础设施监测应用现场的数据和环境可用性。再次勘查服务器、交换机等设备安装空间、基站现场至机房走线方案、机房环境、电力系统、机柜系统等。最后了解机房至监控中心网络情况，确保网络畅通可用，保障北斗监测数据可以完整地传输至指挥中心。

项目建设完成后监测点和基准站采集的数据通过4G 公网或专网传送到船闸本地服务器进行算法分析，解算出船闸位移变化信息，船闸本地服务器通过专网实时向监控服务中心报送各船闸监测信息。在监测界面用户可以查询船闸基础设施的监测数据、变化分析等数据信息，通过预警和报警及时发现危险状况。船闸等形变监测分析包含5个方面：一是监测点变化过程分析，变化过程分析主要是通过GNSS 监测值的表面位移分析，以及辅助监测手段的深度位移分析。表面位移分析分为X、Y、H3 个方向，随着时间的延续各个方向的向量值可以生成与时间相关的线性函数。形变趋势分析通过调用数据库的历史存储数据生成变形曲线，对比两段时间的变形特征，统计出两段时间的变形速率，分析形变情况。二是断面变形分析，对于一个横向监测点的变形统计，通过形成一条断面线，将其生成与时间相关的图形，分析整个断面随时间的波动情况，监测变形最大的部位。三是（加）速度过程线分析，从数据库中读取位移变化（加）速度数据，以曲线的形式显示选中点的变化（加）速度曲线，分X、Y、H方向分别表示。四是对比分析，通过历史数据分析，对同一监测点不同时刻数据的对比分析，以及不同监测点同一时刻数据的对比分析。五是数理统计分析，经过一段时间监测后，分析出超过某个限差的概率，从而分析出整个监测区域的稳定情况。位移变化监测数据和变化分析如图3、图4所示。

3 结语

基于北斗高精度的航道建筑物形变监测已经在西江开展了示范应用，并且取得了显著的应用效果，《国家综合交通立体规划纲要》《数字交通“十四五”发展规划》等文件中反复提及了要加强内河航运安全建设，提升航运信息化水平，由此也可以看到，国家对大力发展内河航运，全面提升航运安全管理及信息化水平给予了高度重视，充分利用北斗系统全面实现我国内河领域船闸及航道基础设施形变监测，未来具有良好的发展前景。