智慧界桩在水利工程中的应用实践

张小利 焦宾太

（山西省水利建筑工程局有限公司山西太原030006）

水利工程确权划界是践行水利工程补短板、水利行业强监管的有力举措，而界桩是确权划界的重要标识，在信息化高速发展的今天，将界桩赋予“智慧”势在必行。智慧界桩在山西省晋中市田家湾水库的试点实施，是山西首次将智慧界桩应用于水利工程，智慧界桩的应用提升了水利工程确权划界的管理水平，为江、河、湖、库管理的专业化、精细化、标准化和科学化保驾护航。

1 界桩概述

界桩作为地界标志的桩子，起到地界标识标志、确权划界的作用。界桩按照用途划分有水利界桩、铁路界桩、公路界桩、自然景区保护界桩、农田保护区界桩等；界桩按照材质分类有钢筋混凝土桩、玻璃钢桩、花岗岩桩、塑钢桩等。界桩的布设间距一般为50 m 至100 m，依据自然环境、社会环境等因素影响，其布设间距不同，重要的保护区和人口集中区域布设较密集，水库河湖、铁路公路等受地形条件制约区段布设较稀疏。水利界桩示意见图1。

图1 水利界桩示意

2 智慧界桩概述

智慧界桩是利用信息化手段对界桩进行远程管理，即赋予界桩“智慧”。智慧界桩采用物联网、互联网等信息化技术，对界桩及其周边环境进行透彻感知、网络互联和智能分析，为界桩管理、地界管理、环境分析等提供现代化服务支撑。

通过界桩定位、界桩倾斜预警、界桩振动报警、周边拍照，可以有目的和精确位置地进行现场了解勘察，能有效地减少相关管理人员对界桩的巡逻和排查时间，能及时准确地掌握界桩周边环境，能有效地提高管理人员的工作效率，对界桩区域进行有效地监督和管理。通过系统软件实现确权划界的可视化呈现。

3 智慧界桩功能及作用

3.1 智慧界桩功能

智慧界桩的基础功能包括：界桩定位、界桩倾斜预警、界桩振动报警。智慧界桩由智慧化电子硬件和管理软件组成。电子硬件主要是对界桩及周边环境的信息进行采集和传输，智慧化电子硬件可嵌入界桩桩体内，或加盖在桩体外；软件负责接收并分析硬件传输的信息，实现对界桩及周边环境的远程可视化呈现和远程操控。

1）界桩定位：智慧界桩的硬件集成了北斗和GPS定位模块，可以将位置信息进行远程传输，基于GIS的地理位置，能准确地定位界桩坐标。

2）界桩防盗：界桩位置发生一定距离的偏移和较大幅度的振动时，智慧界桩电子硬件可将偏移和振动信息进行远程传输，智慧界桩的软件平台会远程接收到报警信息。

3）界桩倾倒：界桩倾斜较大角度式，智慧界桩的电子硬件会将界桩的倾斜信息进行传输，智慧界桩的软件平台会在监控中心进行远程预警，将倾倒的界桩编号和位置及时有效地传递给监控中心。

4）远程智慧界桩信息平台：智能硬件与系统软件的有效集成，实现界桩的近距离智慧监测报警，远程软件预警和报警。智慧界桩实体见图2。

图2 智慧界桩实体

3.2 智慧界桩作用

目前国内有关河湖及水利工程中已安装的界桩多为混凝土桩，存在易遭受人为破坏且不易及时发现，边界范围受地形限制巡视极其困难，管理成本很大。鉴于此，通过智慧界桩，利用信息化技术进行远程监管，实现在办公室实时监管和数据存储一体化管理，可远程及时了解界桩位置、是否被盗、是否倾倒等信息，通过远程预警和报警，可精确定位进行现场勘察，能有效地减少巡查人员的排查时间，提高界桩管理人员的工作效率，对界桩区域进行动态监督和管理。通过系统软件可实现确权划界的界桩、边线可视化呈现。

由于大部分界桩的布设间距在50～100 m 之间，用界桩进行划界标识的范围较大、数量很多，以水库为例，水库的划界范围一般在淹没区周边，一个小（I）型水库的划界周长在5 km 以上，较大的水库划界周长都在10 km 以上，而且大部分界桩都布设在没有道路可通行的地方。利用人工对界桩进行巡检时，只能依靠步行巡检，巡检一圈需要耗费很长时间，划界范围较小的一天内可以完成，划界范围较大时甚至需要几天时间，而且不可能每天派人巡检。智慧界桩的出现，弥补了界桩管理的不便，可实现界桩的实时监管，发现界桩有问题再安排人员进行处置。

4 智慧界桩技术方案概述

4.1 智慧界桩整体设计

智慧界桩硬件由MCU 微控处理模块（中央大脑，数据的分析处理）、信息探测模块（数据抓取）、无线通讯模块组成（数据传输），数据及功能的展示由可视化软件完成。如图3所示。

图3 智慧界桩原理示意

4.2 智慧界桩网络组成概述

智慧界桩网络组成分为三部分，分别是：感知层、网络层、应用层，见图4。

图4 智慧界桩网络示意

感知层：该终端安装在界桩上方，通过界桩监测器对界桩进行管理，作用是收集界桩数据后通过无线网络传输到服务器。

网络层：网络层通过无线通讯模块4G 网络进行连接，上传到云平台上。

应用层：应用层通过云服务平台系统，方便使用者对界桩数据进行调取。系统自动对界桩异常区域进行告警，同时可以将信息进行对外发布。

4.3 智慧界桩软件概述

智慧界桩各类信息的可视化展示，都是通过软件端体现。软件分两部分，数据接收软件和管理系统软件，部署在管理中心，该软件将承接所管理界桩的监测信息。

1）数据接收软件功能

（1）数据接收和指令发送；

（2）数据存储入库。

2）管理系统软件基本功能

通过地图GIS 系统（布置图）上任一界桩点，能浏览其基本信息、监测信息，能查询或浏览其界桩点基本信息。同时能操作系统其他功能，比如查询分析、报表管理等。以高亮闪烁的方式显示出各测点的预警情况，不同颜色表示不同等级，可以直接进行预警信息查询及发布等相关操作。

（1）数据全局监测

采集所有界桩（位置信息、倾斜、防盗、周边环境等）监测数据。以列表形式实时显示各界桩点的监测数据；可按时段查询显示任意时段内的监测数据。

（2）预警管理

可以动态设置各种预警参数值，当监测数据达到预警值时可以高亮闪烁的方式显示出各测点的预警情况，不同颜色表示不同等级，可以直接进行预警信息查询及发布等相关操作。

3）界桩基础数据库管理

（1）工程信息：简介工程的基本情况，包括工程代码、工程名称、工程所在县市、工程类别、工程等别、完成时间、设计标准等。

（2）界桩档案：对界桩的使用属性进行归类，进行档案管理（桩号、位置、材质、形状、大小等）。

（3）远程智能装置：以列表形式显示远程智能装置基本信息（设备运行情况、是否亏电）。同时可以动态管理增删远程智能装置信息。

（4）监测项目：以列表形式显示监测项目基本信息，包括监测项目名称（界桩位置信息、震动信息、温湿度信息、倾斜信息、图像信息、环境信息等）。同时可以动态管理增删监测项目信息。

4）历史数据查询

查询包含原始数据查询、位置-GIS 地图、界桩点工作状态查询等功能。用户可以根据需要打印出来。

5）历史报表分析

能够直观方便地查询系统各界桩信息及系统内各种特征信息，能直观显示各界桩点的数据。并能生成日报表、月报表、年报表等项功能。

6）系统日志管理

在该系统中所有发生了实际操作，需要记录操作日志的情况下，调用该日志管理模块相关接口，记录下何人何时于何处进行了何操作，即记录所有用户登陆后的操作步骤，记录登陆IP 和mac 地址，并写入数据库中，以供管理员查询和事件追溯。针对整个系统所有角色产生的所有操作日志，以多种查询方式供管理员进行查询。查询方式包括：按操作用户、操作时间段、操作功能、操作方式、操作IP 和MAC 地址、按以上方式组合查询，见图5、6。

图5 软件界面示意

图6 软件接收数据示意

5 智慧界桩在水利工程的实践及应用前景

智慧界桩近几年在个别领域有所应用，但应用案例较少，尤其在水利工程确权划界中，智慧界桩应用尚处空白。山西水利建筑工程局有限公司将“智慧界桩”创新性的应用于山西省晋中市田家湾水库。远程智慧界桩管理系统的实施，迈出了水利工程信息化建设的重要一步，为山西省内河湖划界管理提供示范样板和工程借鉴。智慧界桩施工见图7。

图7 智慧界桩施工

随着现代信息化产业的快速发展，信息化、智能化是所有产业的趋势，万物互联、信息互通是信息化管理的主题。因此界桩实现物联和信息化管理是大势所趋。

6 结语

在科技快速发展的时代，尤其是在信息化时代，物联网、互联网、云计算、大数据、人工智能等新兴技术迅速崛起，改变了各行业的工作和管理方式。界桩作为确权划界标识的重要环节，进行信息化的升级和管理是大势所趋。水利界桩信息化的建设，可加速水利运行管理由传统管理迈向现代化管理、由粗放管理迈向精细化管理。远程智慧界桩信息管理系统，可实现工程与信息化融合，既起到降本增效的作用，又可以有效提高水利工程的精细化和现代化管理水平。