應用架構概述

通達北斗監測解決方案是基于“北斗+物聯網+云計算”技術,根據監測業務的需求將衛星天線和其他的環境傳感器安裝在監測物上,實時采集監測數據,采集的數據進行本地緩存和打包,通過4G通信網傳到云服務器。由于形變監測數據采集頻次高,數據量累計快,所以普通“服務器+數據庫”模式無法滿足系統要求,只能采用云方式對采集的數據進行存儲、管理、統計分析。客戶可直接通過PC的網頁、手機APP、微信等進行訪問,并可根據業務需求建立多級、多渠道的預警方式,如下圖:

應用方案優勢

應用架構-硬件展示

監測傳感器:安裝在監測物上(樓宇、壩體、橋梁、滑坡山體等),可以實時采集監測物的外部形狀變化、內部變化、周圍環境的參數,常用的傳感器有表面形變監測、內部形變監測、雨量、視頻等等,如下圖:



· GNSS表面形變位移監測

利用高精GNSS衛星定位技術結合現代通訊技術、計算機技術、系統集成技術等技術手段,實時在線獲得形變體上監測點高精度的三維坐標。通過對坐標變化數據的定量分析,實現對監測物的表面位移狀況的實時監測,精度可達亞毫米級,實時水平解算精度優于±2.0mm,實時高程解算精度優于±5.0mm。



· 內部位移監測

固定式測斜儀由固定式測斜儀、測桿、導向輪、連接軟纜、傳輸電纜等組成。測斜儀采用的是耐沖擊型傾斜傳感器,可靠性好穩定時間快,安裝附件少組裝方便,配合測斜管使用,可方便實現測量的自動化,廣泛適用于測量土石壩、面板壩、邊坡、路基、基坑、巖體滑坡等結構物的水平或垂直位移、垂直沉降及滑坡的監測,安裝示意如下:



· 降雨量監測

翻斗式雨量計是一個可以實時觀測雨量數據數字化的重要雨量觀測儀器,它具有時間準確、自動記錄數據和便于數據采集整編處理等優勢川,安裝示意如下:



· 數據采集器

大型的監測項目,單一的監測傳感設備往往不能滿足要求,需要融合多種監測傳感設備協同監測,通過通達智能盒子將現場傳感器端和云管理平臺緊密結合,同時盒子內部提供BS結構的管理頁面,方便維護遠程管理監測設備。

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技術架構圖

技術架構主要包括北斗接收設備層、數據采集層、數據傳輸層、數據存儲層、業務功能平臺層組成,系統架構圖如下:

傳感器部署示意圖(實景)

數據采集層

由布置在地質和結構形變監測點的GNSS接收機、GNSS天線及各種環境監控傳感器組成,完成設備自檢和數據采集,采集的數據進行本地緩存,通過消息隊列進行發送,支持斷點續傳。

數據傳輸層

由有線網絡、光纖、無線網絡及3G/4G/WiFi組成,將采集到的傳感器數據完整、安全、及時傳輸到數據中心,整個數據傳輸過程不被篡改,設備接入安全認證。

數據存儲層

數據存儲,通過公有云(阿里云)和客戶私有云雙云模式,建立安全監控數據中心和災備中心。數據存儲結構兼容政府、應急預警、災害預報系統的要求。

功能平臺層

構建云端一體化(端:遠程監測現場部署的傳感器設備和視頻、音頻監控設備,云:指的是公有云或私有云的應用管理平臺,一體化:通過通達盒子將端設備和應用云平臺緊密聯系,實現傳感器數據實時采集,采集后的數據能安全、完整的傳送到云應用平臺,云應用平臺發出的設備控制指令能安全、完整的傳送到端設備里,整個過程實現無人值守),實現“監+測+管+控”一體化管理。

建立有效的云架構數據管理中心,以監測對象為單位進行,存儲監測設施基本信息、結構信息、使用信息、巡檢及修繕改造信息,還包括工程圖紙、照片等文件信息,除了能管理存儲與監測設施有關的普通結構化數據,還要能管理存儲動態監測的大數據,實現多維數據集中管理平臺,加工、處理、分析、存儲、發布。

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如何解讀形變曲線圖

由于衛星觀測結果存在不確定性的誤差,通過一次的觀測結果很難找到準確的形變數據,所以必須要通過連續觀測,積累足夠的樣本數據集,通過數據集的整體趨勢變化找到真正的形變數據,如下圖:

穩定模式形變變化:監測數據始終在原點附近波動:

連續變化模式:指的是監測數據波動逐漸遠離原點,如下圖:

滑移模式:指的是突然發生劇烈形變變化,如下圖,該建筑物監測從 2017-10-20至2018-05-22,這個期間總共發生了4次裂縫式沉降:

PC與手機端監測效果

監控大屏顯示效果

安全預警模塊

安全預警模塊是根據用戶設置的預警閥值進行預警的功能,系統支持多種報警提醒方式,手機短信通知和聲光報警的提醒方式,從而確保用戶能夠及時收到預警。

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危樓監測

地鐵沿線建筑、基坑、危舊房等受施工、地下水開采、地震、建筑工藝等內在和外力的影響下,會產生一定的起伏波動和姿態變化,如果超過一定界限,建筑就會產生變形、開裂、坍塌、傾倒等致命的危險。

利用北斗高精度自動化連續監測技術為基礎,結合建筑領域相關傳感器,建立一套高效率、高集成度、高可靠性的安全監測預警系統,能為城鄉公共安全、防災減災能力的建設提供預警和有力的決策支持。

危樓監測(示范應用)

硬件部署示意圖

建筑檔案管理界面

做到對管轄區域內所有老舊危房建筑“一樓一檔”管理功能,為房屋的安全、評估、修繕、防汛、災害等數據進行全方位網絡信息化管理,保障信息及時、準確和完整,掌握危險房屋治理和滅失情況,建立健全危險房屋登記、注銷制度。

可視化形變監控

利用三維仿真技術,根據結構實時監測數值與初始數值繪成三維圖形,并進行疊加進行展示。

建筑狀態監控

根據每棟建筑的監控權限,有權限的客戶可以查看每個建筑每個點的監測數據,并可以按時間段進行監測數據趨勢分析,系統主要功能界面。

巡檢日志管理

巡檢人員可以查詢自己的巡檢日志記錄,負責人可以查詢到自己負責建筑的巡檢日志記錄。

地質滑坡監測

通過基于北斗高精度的毫米級服務,充分利用移動互聯網等通信技術,對威脅城鎮、重大工程所在區域、交通干線及其它重要設施的地質災害隱患,布設專業監測儀器進行實時監測,形成監測數據智能采集、及時發送和自動分析的監測預警系統,來連續獲得地質災害大數據,并形成科學的預判,將會是有效的防災減災辦法。

應用架構

硬件安裝示例

在滑坡體尋找相對穩固的監測點,通過硬連接方式使得衛星天線與滑坡體成為一個整體,衛星天線和電纜都是防水的,接收機需要加裝防水機柜,系統供電可以通過太陽能電池板進行。

滑坡差分數據算法

在滑坡體附近的穩固地基,設立1個或更多的參考監測點,并通過人工手段獲得參考點的實際坐標值,參考點實際坐標值與衛星觀測值進行比較,算出誤差修正值,修正監測點的觀測值。

山體滑坡預測理論模型

山體滑坡變形具有階段性,典型的滑坡變形位移可分為3個階段,即①初始變形階段(監測點日變率在1mm以下)、②穩定變形階段(監測點日變率在1-10mm之間)、③加速變形階段(監測點日變率在10mm以上)。

多數據融合監測

山體滑坡監測長期暴露的在野外,受自然環境影響造成監測數據失真,遇突發極端天氣(如暴雨)需要提高數據上傳的頻次,系統可以增加環境監控傳感器,通過外部環境的數據融合對目標觀測值和系統參數進行校準和調節。

橋梁監測

由于地震、撞擊、共振等對橋梁的重要承重墩梁造成傷害的,可以根據橋梁的結構特性和觀測需求,在關鍵部位安裝北斗位置傳感器,實時監測結構點的位移變化,及時判斷橋梁的沉降及水平位移,通過人機聯防、多維度的預警,及時降低重大事故的發生。

橋梁監測監測網部署示意

橋梁形變衛星監測點的數量通常為5個,分別布設于橋梁起始點、跨中1/4、跨中1/2、跨中3/4、橋梁的結束點,同時在橋梁的周邊穩固地段設立基準觀測點,兩個基準觀測點分別位于橋頭和橋尾,基準觀測點與監測點共同構成橋梁的監測網。此外可以在橋頭、跨中1/2、橋尾同時設置視頻監控點,衛星監測點監控到形變異常時,可以驅動附近的視頻監控進行視頻抓拍,并將抓拍的視頻與形變數據同時傳到監控中心。

橋梁監測硬件拓撲圖

礦山采空區監測

礦山采空區是威脅礦山安全的重要因素。特別是周圍采礦,放炮對采空區的影響,經常造成采空區礦頂巖石墜落和巷道坍塌。給礦上生產帶來巨大的麻煩,嚴重威脅到礦山生產員工。可能給礦上帶來災害性效果。因而需要對采空區重點地段進行長期實時監測。

礦區監測網絡拓撲圖

采空區是威脅礦山安全的重要因素,特別是周圍采礦,放炮對采空區的影響,經常造成采空區礦頂巖石墜落和巷道坍塌。給礦上生產帶來巨大的麻煩,嚴重威脅到礦山生產員工,可能給礦上帶來災害性效果。因而需要對采空區重點地段進行長期實時監測,采空區觀測,是在礦區主、副井井筒及其主井井塔和副井井架周邊架設衛星監測點,通過衛星監測點沉降反應出整個礦區的沉降情況,為了提高觀測精度,可以在主副井周邊穩固地段架設基準站,基準站和監測點共同構建整個礦區的監測網絡。

硬件連接拓撲圖

監測點安裝示意圖

監測點安裝,是在主副礦井周邊特別是地表承重的地段架設衛星監測天線,為了保證衛星信號的良好接收,衛星天線最好安裝在離地1—1.5米的架子上,架子通過水泥底座與地表形成硬連接。由于礦區多處于開闊地帶,所以架子上需要安裝避雷設施。整個監測點的供電可以通過太陽能蓄電池進行,并將衛星接收機、太陽能蓄電池、無線路由器放置在防水機柜中。

基準站安裝示意圖

基準站應布設在采空區外圍穩定地表,選點的要求是點位穩固,盡量埋設在基巖上或在樓頂上,基準點附近沒有遮擋、視野開闊,以保證衛星信號的良好接收。為便于進行基準點的穩定性校核,同時為今后礦區的監測網提供可靠的,高精度的基準數據,基準點的數量最好為2個,構成框架網。

功能架構圖

鐵塔監測

監測因地面變化、地質災害引起的塔基形變,在塔基旁邊安裝北斗高精度監測傳感器,數據發送到千尋見微(FindMM)云平臺,獲得毫米級的結果。通達位置云平臺獲取各監測點實時三維坐標,并與初始坐標進行對比而獲得該監測點傾斜和沉降變化量。

大壩監測

水庫大壩安全一直是我國防汛抗洪的難點和重點,目前中國的大壩數量已居世界首位,但潰敗率亦居世界前列,水庫大壩在水負荷作用下會產生變形,當變形過大時,大壩將處于疲勞狀態,嚴重時會有潰壩的危險,大壩及庫區滑坡的變形監測不僅關系到工程自身的安危,更關系到下游人民的生命、財產安全,使用北斗靜態毫米級的三維位置服務,生成高精度單元形變信息,通達位置云平臺調用這些數據進行分析預警,并且將這些數據直觀的展示在界面上,有效的對大壩進行監測和分析。

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北斗產業情況介紹

2018年3月30日我國成功發射第三十、三十一顆北斗導航衛星,并與此前發射的北斗三號衛星進行組網運行,按計劃2018年底服務“一帶一路 ”沿線國家和地區,基于北斗的位置產業將進入爆發期,北斗和云計算、大數據、互聯網進行了融合,實現了‘北斗+互聯網’新的產業模式,這種位置服務產業模式未來市場巨大。據統計,過去5年國內衛星導航產業年產值年均增長率超過15%,2017年突破2500億元,北斗貢獻率超過70%。樂觀估計,2020年國內位置服務產業產值將達到4000億元。

信息中心與北斗的關系

2014年,中國兵器工業集團公司成功競標國家北斗地基增強系統研制建設項目,信息中心作為副總師單位,承擔了項目的核心建設任務,包括:國家框架網基準網絡系統、國家數據綜合處理系統、國家北斗數據中心、信息安全防護體系及系統運維管理等工作。經過兩年的艱苦努力,信息中心完成150個基準站和地震、氣象、國土等6個分中心的鏈路建設,完成國家北斗數據綜合處理中心建設,為整個國家北斗產業化應用奠定了堅實的基礎。

通達與北斗的關系

中國兵器工業信息中心——北斗地面增強系統建設運維;地面增強系統數據中心管理維護。

北京通達信科科技有限公司——中國兵器工業信息中心全資子公司;應用軟件研發、實施、服務與咨詢為主營業務的高科技企業。

千尋位置服務——千尋位置是全球領先的精準位置服務公司,公司成立于2015年8月,有中國兵器工業集團和阿里巴巴集團共同出資設立。

通達位置服務云平臺——2016年通達與千尋位置合作,開發基于北斗高精準位置服務的云應用平臺。

通達的優勢

通達位置服務體系框架

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心与龙闯关