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病險水庫監(jiān)測預警北斗應用示范

　　“毫米級”監(jiān)測水庫大壩變形

　　受全球氣候變化影響，暴雨、臺風、洪災等極端天氣現象頻發(fā)，水庫大壩的安全風險陡增，且潰壩潰堤事件時有發(fā)生。因此，應用包括北斗技術在內的信息化、數字化、智能化技術進行雨水情監(jiān)測、工程安全監(jiān)測，是提高水庫大壩特別是病險水庫安全監(jiān)測預警和風險防范能力的必然選擇。

　　北斗高精度定位的空天地一體化變形監(jiān)測和基于北斗短報文通訊的雨水情信息自動采集傳輸，在病險水庫監(jiān)測預警方面有著廣闊的應用前景，“病險水庫監(jiān)測預警北斗應用示范”對此進行了大量探索。

　　我國大中型病險水庫安全監(jiān)測系統不完善、監(jiān)測自動化程度普遍較低，大量的小型病險水庫甚至沒有安全監(jiān)測設施。

　　變形是水庫大壩抵御庫水位等環(huán)境量荷載能力的綜合反映，變形監(jiān)測設施缺失不利于掌握水庫大壩的工作性態(tài)和安全狀況，嚴重影響大壩運行風險的預測預警。

　　傳統的人工監(jiān)測方式費時費力，且對操作人員的專業(yè)素養(yǎng)要求較高；傳統自動化監(jiān)測實施成本高，水利系統難以大范圍推廣實施�；�于北斗高精度定位的空天地一體化變形監(jiān)測系統具有布設靈活、全自動、全天候、穩(wěn)定性高、精度高、運行維護成本低等特點，實時觀測精度達到±3毫米以內，能夠滿足規(guī)范要求的土石壩及高邊坡的觀測精度要求。尤其是通過技術攻關，技術人員研發(fā)出延時觀測精度達到±1毫米的高精度變形監(jiān)測設備，可進一步保障水庫大壩安全。

　　水庫中的水位、降雨量等水文數據，是水利部門增加有效預見期、提前預警、實現水庫安全度汛的關鍵信息。據統計，我國水庫雨水情自動測報比例不到40%，有些縣區(qū)通訊網絡條件差，有線、無線、公共網絡無法覆蓋，水文數據的及時傳輸得不到保障。

　　2021年7月17日至24日，河南遭遇特大暴雨洪災，部分地區(qū)公網通訊和電力被破壞，除621處北斗衛(wèi)星雙發(fā)遙測站點外，其他監(jiān)測站全部中斷報汛。依靠北斗短報文通訊，救災人員在8天時間內共接收北斗衛(wèi)星數據87萬余份，為暴雨洪水預警、預報、調度和抗洪搶險提供了及時準確的水文測報信息。

　　2022年3月，河南省板橋水庫開始實施病險水庫試點應用。在水庫選擇多個位置進行典型測點布置，埋設觀測墩并架設基于北斗三號的高精度變形監(jiān)測終端，同時選擇沉降穩(wěn)定位置布設參考站，實現實時三向位移采集并上傳至云端后臺服務器。目前該項工作進展順利，試點成功后將會為大規(guī)模推廣奠定技術基礎。

　　用導航衛(wèi)星發(fā)送“預警短信”

　　我國特殊的地形地貌條件、人口分布和降雨時空不均的特點導致了山洪災害風險長期存在，已建山洪災害監(jiān)測預警體系和群測群防體系整體尚處于初級階段。山洪災害防御仍面臨著防治能力與保障山丘區(qū)人民群眾生命安全和經濟社會高質量發(fā)展需求不匹配的矛盾。

　　以往山洪災害監(jiān)測預警信息傳送難，大多存在山洪災害重點部位的自動監(jiān)測站點缺少衛(wèi)星通信信道，地面網絡信號較弱甚至沒有地面網絡覆蓋等問題。然而這些問題，應用北斗可以迎刃而解。

　　北斗的短報文功能可以實現雙向通信，只要在服務范圍，就能夠將“短信”發(fā)到衛(wèi)星上。它主要面向普通移動通信信號不能覆蓋的地區(qū)（如無人區(qū)、荒漠、海洋、極地等）或通信基站遭受破壞的情況（如地震，洪水，臺風等）。

　　示范項目組采用前端北斗短報文、北斗高精度定位技術，后端采用人工智能、大數據技術、2D/3D GIS可視化技術等，利用北斗水利小型巡檢/調查終端、北斗高精度基準站等，搭建山洪災害監(jiān)測設備升級改造應用場景和山洪災害調查應用場景，完成對全國重點部位的自動監(jiān)測站點增加衛(wèi)星通信信道、利用國產化的終端設備支撐全國山洪災害補充調查評價等。

　　目前，根據基層群測群防工作要求和實際情況，設計了一款具有實用性的“北斗+4G”山洪災害群測群防調查終端，在提高山洪災害群測群防員的巡查監(jiān)管、預警信息上傳下達等能力水平的同時，保障在極端天氣情況下群測群防員的人身安全。在山洪災害北斗示范應用系統中，運用北斗衛(wèi)星系統回傳的調查監(jiān)測數據以及其他業(yè)務系統接入的數據，構建起山洪災害監(jiān)測設備升級改造應用、群測群防員山洪災害隱患巡查兩個場景的業(yè)務系統，集成到國家山洪災害監(jiān)測預報預警平臺，提升山洪災害監(jiān)測預警能力。今年6月，將在河北、河南、廣東、湖南、四川、寧夏、廣西等地進行推廣應用。

　　工程建設細節(jié)盡收眼底

　　在水利水電工程建設管理過程中，大力推動北斗規(guī)�；�深度應用，對于推動行業(yè)科學技術創(chuàng)新、促進產業(yè)結構調整、提高生產效率等具有重要作用。

　　具體到特高壩和高邊坡工程，采用地基增強服務，北斗系統的毫米級定位可應用于工程表面變形的自動化在線高精度監(jiān)測。同時，基于北斗高精度定位技術，可實時獲取碾壓施工機具的位置，并應用專門開發(fā)的施工質量監(jiān)控系統，可對碾壓遍數、行車速度、搭接條帶、層間間隔等進行綜合管控，對車輛駕駛員進行引導和預警，實現施工過程的全方位、立體化、多層次、精細化監(jiān)管，降低人工和材料成本投入，從而大幅度提升施工的效率和質量，實現工程建設全過程管理信息化。

　　目前，已研制開發(fā)基于北斗三號的高精度變形監(jiān)測終端，兼容多星多頻，在搜星能力、信號采集、星座篩選等方面取得明顯提升，優(yōu)化解算算法，滿足了水利水電工程高精密監(jiān)測的技術要求。

　　東莊水利樞紐工程是黃河重要防洪骨干工程和大型水源工程，工程擬建混凝土雙曲拱壩高230米，總庫容30多億立方米，是典型的特高壩、高邊坡工程。為保證圍堰施工質量，工程采用了基于北斗技術的碾壓施工質量智能監(jiān)控系統，實時獲取倉面施工的振動碾位置坐標，對振動碾碾壓軌跡、運動方向、振動碾振動狀態(tài)等進行實時監(jiān)控。并根據相關施工技術規(guī)范和工藝要求，對振動碾碾壓軌跡、碾壓速度等進行監(jiān)控分析，發(fā)現漏碾、欠碾、超速等問題及時報警反饋施工，有效保障了碾壓施工質量。碾壓施工質量智能監(jiān)控系統克服了圍堰兩側山體高陡、衛(wèi)星信號遮擋嚴重、定位條件差等難題，取得了預期示范效果。

　　填補特殊水域基礎資料空白

　　我國特殊區(qū)域河流眾多，特殊區(qū)域河流大多地處邊遠、自然環(huán)境復雜、基礎設施差、基礎資料獲取困難，以北斗導航定位、衛(wèi)星遙感技術相結合的通導遙一體化監(jiān)測手段成為流域基礎資料獲取、信息傳輸的必然選擇。

　　示范項目組為了更好推動特殊區(qū)域北斗應用效果，開展了基于北斗的水位高精度監(jiān)測終端研制，研發(fā)了北斗水位監(jiān)測預警軟件系統。目前已在北京懷柔水庫進行場景測試，能夠實現水文變化監(jiān)測和自動預警，并具備實時回傳數據的功能。此外，項目組還研制了小型便攜式巡檢定位終端，完成了冰湖、堰塞湖等通導遙一體化動態(tài)監(jiān)測與預警系統和缺資料地區(qū)水文信息北斗監(jiān)測預警系統框架設計，為特殊區(qū)域水安全監(jiān)測奠定了堅實的技術基礎。

　　來源：中國水利報 2022年5月26日