基于GPS与GIS的土石坝自动化监测预警系统研究

潘国兵，曾广燃，吴森阳

(1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074;2.湖北大禹水利水电建设有限责任公司，武汉 430061)

我国社会经济的发展迅猛，迫切需求对水资源进行有效保护和高效利用。新修水利工程日益增加，大坝的建设随之增加，其安全与否成为新修水利工程成败的关键。如何及时提供大坝工作性态及其变化信息降低大坝风险是各国大坝安全管理工作者关心的主要问题，大坝实时安全监控显得越来越重要［1－2］。

土石坝是采用最普遍的一种坝型，世界上土石坝占大坝总数的82.9%，在中国土石坝数量占到大坝总数的93%。因此，如何顺利实现对土石坝监测的自动化是科研界近十余年来一直在探索与实践的问题，通过多年研究与实践，发现GPS与GIS相融合可以有效实现大坝监测的智能化，可利用GPS实时对土石坝的外部变形形态进行监测(对于混凝土大坝而言，对外观变形的监测精度较高，一般不采用GPS方法来监测)，内部变形可通过埋设内部观测仪器获得变形数据。这些监测数据可实时地通过传输网络传到时刻运行的监测系统计算机终端，再利用监测系统软件实现对传输回来的GPS监测数据进行实时的存储、计算分析、预警辅助决策。这对提高土石坝的安全管理水平以及促进大坝设计理论的完善等具有重要的现实意义［3－8］。

1 系统架构及功能

ArcGIS是ESRI(美国环境系统研究所)推出的一套完整的GIS软件产品，具有海量空间数据存储、编辑、分析等功能，通过它提供的GIS开发工具还可创建客户化GIS桌面应用程序，具有很好的系统集成性。

本系统采用 ArcGIS Engine和 VB 6.0编程开发，其系统的整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构图Fig.1 Overall structure of the system

该系统具备如下几个功能:

(1)数据录入功能。传输来的GPS监测数据，能够做到数据的自动及时录入，也可以手动录入。

(2)数据的转换功能。对传输来的GPS数据进行读取和分析转化成系统容易操作的数据格式。

(3)数据访问功能。访问数据是程序和底层数据库的访问接口，使得系统的管理人员能够查看、删除、添加数据。这个模块使得程序和数据分离开来，增加数据的安全性。

(4)数据的备份和还原。对有可能遇到一些突发情况造成数据的丢失进行先备份，使得系统的安全性更高。

(5)土石坝监测区域直观显示。管理员不用到现场，通过这个功能就知道该土石坝地理位置和监测状况如何。

(6)绘图功能。将数据绘成直观的图表形式，更能分辨监测点的状况和走势。

(7)监测数据查询。能随时查询管理人员关心的GPS的监测数据信息。

(8)预警值的设置。针对不同监测区域的最大位移危险报警界限不一样，该系统能针对不同监测点进行灵活的设置。

(9)报警功能。监测点位移超过设置的预警值，系统会立即向预先设置的职能部门相关人员发出声音或短信报警。

(10)报表的生成。根据监测数据可以实时生成日报表、月报表、位移时间图等相关统计专题图表，为辅助决策提供重要参考资料。

2 监测系统的实现

系统运行主界面如图2所示。

图2 系统运行主菜单Fig.2 Main menu of the system operation

3 报警功能模块实现

由于篇幅有限不能对该系统的全部功能一一介绍，下面仅对本系统最核心的功能(预警功能)的实现进行详细的说明。

土石坝在施工和运营过程中，每一个项目都应根据客观环境及实际情况，预先确定出该监测项目的允许位移、受力的临界值，以判断施工过程中的安全程度。每一临界值由允许变化总量和单位时间允许变化量2个部分进行控制。

土石坝预警值是一个定量指标，在其允许范围内可认为工程是安全的，否则认为工程处于不稳定状态，将对工程自身及其周围环境产生有害影响。确定预警值时应注意下列基本原则:

(1)满足现行相关规范和规程的要求;

(2)满足工程设计的要求;

(3)考虑各主管部门对所辖保护对象的要求;

(4)考虑工程质量、施工进度、技术措施和经济等因素。

但目前，土石坝的变形预警值在相关规范没有明确规定，只能根据设计预估值、经验类比值或者召开专家会议进行讨论确定，然后把确定好的预警值输入预警系统之中。

3.1 报警功能的开启

开启此报警功能之后，如有监测数据超出预警范围，就会马上报警。开启与关闭时系统会有提示，见图3、图4。

图3 开启预警功能时状态图Fig.3 System prompt of turning on the early warning function

图4 未开启预警功能时状态图Fig.4 System prompt of turning off the early warning function

3.2 预警画面显示

当画图程序开启之后，预警功能也已经开启。当发生了危险情况，系统会调用如图5的窗体，窗体里面显示的是:超出设定位移的类型(空间、竖直、平面)、GPS基站号、日期、超出距离。

图5 预警画面Fig.5 Screen of the early warning

通过预警窗体的实现，直观地表现出了危险发生的状况。从而使工作人员准确地掌握了危险发生的位置，以及位移偏移量等。

3.3 报警方式

预警功能模块由声音报警和短消息报警两大功能构成，现简单叙述如下。

3.3.1 声音预警提示

声音预警是预警功能中最常用也是最重要的预警方式，其原理是在有危险情况发生之后，系统通过“Windows Media Player”控件来调用声音文件播放。声音文件的选择是危险报警声。

声音文件在网络上下载，并且保存在“...数据存放声音源warning.mp3”

核心代码:

WindowsMediaPlayer1.URL=App.Path ＆ "数据存放声音源warning.MP3"

3.3.2 短信预警功能

手机的短消息实现目前有3种方法:

(1)通过移动网关发送短消息，使用该方法不需要附加的硬件，但需要到电信部门申请网关，比较适用于一些大型的项目。

(2)在电脑上通过GSM MODEM向手机发送中文短消息，这是目前比较适合于小项目开发的一种方法。硬件只需一款手机和提供GSM MODEM，以及相应的数据线或是红外线适配器。该方法编码也比较容易，只需编程人员对AT指令和串口编程比较熟悉就可以实现，就能自动收发短消息。

(3)通过一些网站上提供的短信发送功能(图6)来实现，比如新浪网、网易都提供这方面的服务。这是3种方法中实现起来最简单、所需资源最少的1种方法。

图6 短信功能设置主界面Fig.6 Main interface of setting the message-sending function

前2种方法都需要大量资金的投入，第3种方法几乎免费，它利用移动飞信能够免费发短信的原理发送短信，因此本系统尝试采用第3种方法进行。其原理是:目前飞信开通了139邮箱的绑定，如果开通了139邮箱(邮箱的账号为手机号)，当你接收到139邮件的时候就会以邮件的方式发送到你的邮箱里面，同时还会发送一份短信到你的手机上。所以，只要利用163邮箱发送报警信息到接收者的139邮箱里面，接收者的手机也会同时接收到预警短信。

发信的邮箱为163邮箱，其账号和密码为默认，可更改为163邮箱账号。联系人的电话号码可循环输入，次数无限制。完成后可以进行短信报警。

该功能使用时短信的接收者必须要登陆飞信，绑定139邮箱后，收到信息后才能查看邮箱的全部内容。如果不绑定，也可以收到提示消息，但需登录邮箱才能查看全部短信。

测试的结果如图7。

4 结论与展望

4.1 结 论

针对大坝自动化监测的特点，本系统利用GPS监测站对土石坝的外观变形进行实时监测，同时也通过埋设内部观测仪器进行内部变形监测，并对外观与内部变形监测数据进行收集，然后发送到电脑终端上运行的大坝自动化监测系统，系统对接收的监测数据进行读取、归纳、整理为符合数据分析需要的数据类型格式并存储在数据库。通过对这些监测数据的管理分析，可以制作直观的位移变形图并能灵活地生成监测报表，实现监测数据处理的自动化，大大提高监测人员的工作效率。

另外，系统最核心的功能之一是实现了预警的自动化，管理员可以按照规范或者工程经验，设置警戒值，监测位移如果超出了警戒线，就会播放音乐文件发出警报，并同时向系统设置好的相关人员发送手机短信进行警告。这样就能对大坝的变形状态进行实时监控，最大程度地保障国家和人民的生命财产安全。

4.2 展 望

目前的监测系统大多是基于windows操作系统，成熟的操作系统具有很多的优势，但是和手机比起来，占用的空间位置比较大，而且可移动性很差。当监测区域发生一些人为或者其他震动等偶然因素导致剧烈位移的时候，如果管理员必须回到电脑前对监测系统的警报进行判断，那么会使预警错报或者预警不及时。但如果能够开发出一套基于安卓(Android)系统在手机上运行的监测系统，那么就能够更加方便地随时随地掌握预警信息。相信随着科技的发展，在手机上运行的监测系统会得以实现。

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