堤防自动化安全监测系统的实现与实际应用

黄玉标

(东莞市水利勘测设计院有限公司，广东 东莞 523115)

0 引言

对江河堤防实施安全监测是抗洪防汛的重要技术手段，我国历来都十分重视堤防的建设和安全。过去对堤防的安全监测基本都以传统的人工监测方式为主，这种监测方式不仅工作条件艰苦，工作量巨大，难以顺利实施，而且在水位上涨的情况下，很难及时发现险情，特别是对迎水坡的监测问题根本就很难实施[1]。为了解决这个难题，构建符合堤防特点的自动化安全监测系统，是确保江河堤防安全，实施抗洪防汛，保障人民生命财产安全的重大战略举措。为此，本文以堤防自动化安全监测系统的实现与实际应用为研究课题，作如下探讨。

1 构建堤防自动化安全监测系统的重要性及其目标与原则

1.1 构建堤防自动化安全监测系统的目标

实现堤防建设安全管理由手工、半手工方式向自动化安全监测管理的转换，从某种意义上讲，是堤防建设管理上的一次技术革命[2]。堤防自动化安全监测系统所提供的，各种岩土信息以及空间化、可视化的管理模式，为各级地方政府和有关部门提供了决策依据。构建堤防自动化安全监测系统的实施目标有3个方面：(1)实现堤防可视化的信息管理表达。(2)实现岩土信息检索和各类空间实体的浏览。(3)建立堤防预警系统，实现堤防自动化、安全评价和预警预报一体化[3]。

1.2 构建堤防自动化安全监测系统的原则

设计堤防自动化安全监测系统，应遵循的原则有6个方面。(1)系统性。既要考虑堤防管理的实际需求，又要考虑上级主管部门的信息需求。(2)实用性。既要考虑运行的稳定性，又要考虑提供信息的准确性。(3)先进性。在软硬件和数据库管理方面，要尽量运用当前的先进技术。(4)标准化和统一性原则。在数据库设计、系统的开发、数据接口等方面，要按国家标准、行业标准执行。(5)安全与保密的原则。要为不同用户设置不同的访问权限。(6)可拓展性原则。系统的开发应用要有战略眼光，要考虑将来的升级和发展[4]。

2 堤防自动化安全监测系统的总体设计

2.1 系统总体架构的设计

本文设计的堤防自动化安全监测系统为B/S的多层架构体系，采用的是MVC模式，即整个系统分为4个层次：交互层、Web层、逻辑层和数据层。其中：交互层的作用是系统的公共接口。Web层功能与作用主要是：一是负责交互层用户的发送请求，二是具有防火墙的功能作用，排除非法用户的链接请求，从而确保系统的运行安全。逻辑层是在ArcGIS S ewer平台的基础上设置的GIS服务器中心；这个系统内部的全部分析处理数据，甚至包括空间数据在内的所有调用都是在GIS服务器中才得以最后实现的。数据层主要是对堤防安全监测管理信息系统中的所有数据进行集中有效的管理。总体结构的具体情况如图1所示。

2.2 系统结构模块的设计

本安全监测信息系统分别由堤防工程模块、数据统计模块、险控导工程模块、数据查询模块、多媒体数据库模块、用户管理控制模块以及历史加固数据模块7种子模块构成。

2.3 系统数据库结构设计

系统数据库结构的设计来自思想的5个方面：(1)需求分析阶段。主要有两点：一是考虑扩充和修改的可能；二是从用户的参入需求方面来进行考虑。(2)概念的雏形设计阶段。就是这个设计的模型要能真实反映客观事物的本来面目。(3)逻辑结构的设计形成阶段。在这个阶段，作为对象信息的属性，必须是具有原子性的；要确定数据之间的依赖关系。(4)物理设计的形成阶段。这个阶段主要是对数据库的结构进行科学定义，对数据库进行试运行，对数据进行装载。(5)对数据库的正常运行进行有效的维护阶段。在这个阶段，要进行数据的转储和恢复，保证数据库的安全和完整。数据库的具体结构如图2所示。

2.4 系统关键技术的嵌入

2.4.1 WebGIS原理

WebGIS是万维网一种地理信息系统。它是在Internet平台的基础上，运用WWW协议在万维网上运行的一种地理信息系统，它借用了互联网技术来进一步完善和发展自己，也可以说是在互联网技术的基础上发展起来的一项新技术。其核心所在就是将HTTP和TCP/IP标准的应用体系，嵌入地理信息管理系统，从而实现互联网背景下的空间信息管理等地理信息管理系统的功能。

图1 堤防安全监测信息系统结构

图2 系统数据库总体结构

2.4.2 SQL技术

SQL是数据库管理系统的一种标准语言，实现数据库的网络通信，完成数据库的数据检索、更新等方面的操作是SQL的主要任务。使用SQL关系数据库管理系统比较多的有：Access，SQL Server，Oracle Sybase等。其中，SQL Server系统，不仅能独立于硬件平台，而且具有多任务管理、安全、容错等功能，维修起来也很方便，对大型或超大型数据库服务器端的应用非常适用。

3 堤防自动化安全监测系统的实现与应用

堤防自动化安全监测系统的大体形式有3种：集中式、分布式、混合式。现代自动监控系统一般都采用监测预警系统中的分布式结构。监测预警系统的组成，主要包括5个方面：信息传输设备、信息采集单元、传感器及系统软件。按管理范围划分，堤防自动化安全监测管理系统又分为远程监控管理中心、监控主站、监测站。监测站多设立在堤防监测断面(或堤段)，堤防会根据实际情况设立若干个监测站，各个监测站都用4G信号将堤防的监测情况分别发送到监控主站，同时，各个监测站都会同时被监控主站所控制。监控主站可随时向堤防的各个监测站采集监控参数、发送传感器设置和报警参数等相关指令。具体结合到堤防自动化安全监控管理系统的实际应用，可从4个方面进行。

3.1 设计监测项目

堤防的各个监测点和监测项目的布置，要根据堤防的具体实际和可能会发生险情的地段来进行设计。江河堤防的可能险情主要是堤防沉降变形，位移变形和堤内地基发生渗透水引发变形。本文对堤防预警系统的设计，主要考虑了两种情况：(1)高洪水水位情况下的滑动稳定和渗透稳定状况监测。(2)急速退水情况下的堤坡滑动稳定和渗透稳定状况监测。对堤防实施安全监测的项目主要有3项：(1)堤身沉降变形；(2)堤身位移变形；(3)堤基和堤身的渗透水压力。堤防沉降变形采用的设备是监测沉降仪；堤防位移变形采用的设备是监测测斜仪；地基和堤身渗透水压力采用的观测设备是渗压计；对江河水位的自动观测采用的设备，一般都使用液位压力传感器，也有用气泡水位计。该系统从工作方便和满足精度要求考虑，可以采用高精度液位计测量江河水位。以上传感器的输出信号稳定，不易受环境干扰。

3.2 布置监测点

堤防监测点的布置，以堤身断面监测比较适宜，它不仅可以观测到堤基的土层分布，而且还可以观察到堤段的堤身。一般来讲，在迎水坡视情况设置倾斜观测孔若干个；在堤基、堤身视情况设置渗压观测孔若干个；为观察水位在迎水坡坡脚处可埋设液位计一个。这种监测布置基于以下考虑：可以进行崩岸和滑坡监测；进行堤基、堤身的渗流监测，监测地基、堤身不同深度的渗水压力，可在内堤脚的堤基处，布置渗压计若干个。

3.3 安全监测系统的组成

本文的安全监测系统采用分布式结构，监测站可以有多个，但也可以根据实际情况来定，堤防自动安全监测管理系统监控主站的设备就是一台微机，用来接收各个监测站的监控数据，监控主站接收各个监测站的监控信息之后，再通过网络向远程终端计算机输送监测数据。

3.4 安全监测系统的信息管理、评价与监测

3.4.1 信息管理

对采集仪器要存储的内容进行预先设置，存储在仪器的静态存储器内，比如，温度、频率、通道号、年月日等。然后，通过随机配置的通信软件与微机、采集仪进行串联，取回存储的数据，进行分析和作进一步处理。主站的数据库软件分为两个部分，第一部分由组态王执行数据采集处理，第二部分由VB6.0软件执行安全评价。远程终端通过电话网监控主站的数据库、各种参数、历史曲线、实时变量、预测结果、安全评价等，以此了解堤防的实际安全监测运行状况。

3.4.2 评价分析

堤防安全监测的预警子系统有多种安全评价模型。主要的有：(1)渗流评价及预测确定性模型；(2)渗流评价及预测概率模型；(3)滑坡/崩岸突变预测模型。其中，渗流评价模型是针对地基渗透的，并对渗透坡降与临界渗透坡降进行比较。在渗流安全评价模型中，为了能够实现自动定量评价，本文引入了可靠度概率理论。为了能够实现自动定量评价，在滑坡预测/崩岸突变模型中，将堤坡位移实测的时程曲线，经过一系列的变量代换以后，实现了由自变量的多项式向标准化的突变方程的转变，从而对堤防的稳定性进行有效的判断。

3.4.3 安全预警

安全预警的实现需要从监控主站调用数据库的相关数据，才能进行在线预报和进行评价。报警信号有两种：一种是自动拨号电话报警，另一种是蜂鸣声报警。在实际防汛工作中，报警可分为多个等级。具体要用那个等级需要根据防汛的实际情况研究确定。

4 结语

综上所述，本文结合我国江河堤防设施的具体实际，在充分认识构建堤防自动化安全监测系统的重要性基础上 ，从系统的总体架构、 系统的结构模块 、系统的数据库结构、系统的关键技术嵌入4个方面，对堤防自动化安全监测系统进行了总体设计。在此基础上，结合江河堤防设施的具体情况，从设计监测项目 、布置监测点、 安全监测系统的组成、 安全监测系统的信息管理和评价与监测4个方面，提出了堤防自动化安全监测系统应用方面的实际举措。