大壩外觀自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與環(huán)境因素影響評價

華 博 深， 劉 滿 江， 劉 峰

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

大壩外觀自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與環(huán)境因素影響評價

華 博 深， 劉 滿 江， 劉 峰

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

介紹了三種外觀自動化系統(tǒng)，結(jié)合國內(nèi)某大型電站混凝土重力壩進行了初步設(shè)計；介紹了自動化系統(tǒng)的組成構(gòu)架及各子系統(tǒng)的功能與聯(lián)系；對外觀自動化系統(tǒng)中的控制網(wǎng)分系統(tǒng)、GNSS和機器人組合監(jiān)測分系統(tǒng)、監(jiān)控中心分系統(tǒng)進行了功能設(shè)計，并對現(xiàn)場觀測環(huán)境進行了測試，以便充分考慮各系統(tǒng)的誤差源，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

大壩自動化監(jiān)測；GNSS；測量機器人；環(huán)境因素

1 概 述

目前，外部變形自動化監(jiān)測方法應(yīng)用較多的主要有基于全球衛(wèi)星定位技術(shù)的GNSS系統(tǒng)和基于測量機器人的自動化系統(tǒng)以及二者的綜合系統(tǒng)。由于各系統(tǒng)的工作特性各異，其在實際應(yīng)用中適用性有所不同。在混凝土重力壩監(jiān)測方面，由于水庫大壩往往地處深山峽谷，受環(huán)境影響明顯且其所要求的監(jiān)測精度較高，難度更大。

筆者以國內(nèi)某大型混凝土重力壩為例，介紹了其大壩外觀自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。該壩址位于高山峽谷區(qū)，谷坡陡峻，地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜，兩岸地形總體坡面較為整齊，山體渾厚，河谷呈不對稱的“V”型。

2 自動化系統(tǒng)的組成

2.1 GNSS系統(tǒng)

GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)已被國內(nèi)外橋梁、鐵路、水電站大壩等各行業(yè)普遍應(yīng)用。近年來，隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)量不斷增多，組網(wǎng)逐步完善，同時，科技工作人員研發(fā)出了GNSS多頻多星接收機，提高了GNSS系統(tǒng)自動化監(jiān)測的可靠性和穩(wěn)定性，基于GNSS多頻多星接收機的自動化監(jiān)測系統(tǒng)在水電工程大壩、高邊坡自動化監(jiān)測中已逐步使用，如溪洛渡、錦屏、長河壩水電工程等。

GNSS系統(tǒng)具有的主要優(yōu)點：全天候無人值守連續(xù)自動監(jiān)測；可遠程配置接收機，監(jiān)控狀態(tài)，自動獲取數(shù)據(jù)；提供位移數(shù)據(jù)的限差檢核和報警；提供實時數(shù)據(jù)分析和圖形化報表；可隨時增配功能模塊并持續(xù)升級；受天氣變化影響較全站儀小。

GNSS系統(tǒng)具有的主要缺點：受地形條件影響較大。

2.2 測量機器人系統(tǒng)

由于測量機器人的測量精度較高，為±(1 mm+1 ppm)，加之其又可以做到無人值守，故其在很多變形監(jiān)測工程和精密工程中被較為廣泛的應(yīng)用，如小浪底工程外部變形監(jiān)測，二灘水電站大壩外部變形監(jiān)測，小灣水電站高邊坡監(jiān)測等。

測量機器人系統(tǒng)具有的主要優(yōu)點：

無人值守，可遠程控制多臺全站儀，24 h連續(xù)觀測；實時在線獲得監(jiān)測結(jié)果，即時限差檢核并超限警告；提供多種圖形化分析報告；系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

測量機器人系統(tǒng)具有的主要缺點：

測量機器人儀器費用高；雨雪霧天及暴曬等惡劣氣象條件下均不可靠或無法正常作業(yè)。

2.3 GNSS和測量機器人聯(lián)合系統(tǒng)

GNSS和測量機器人組成聯(lián)合系統(tǒng)。測量機器人彌補了GNSS系統(tǒng)受地形觀測環(huán)境影響造成的觀測精度較差的缺限，而GNSS又滿足了雨雪霧天及暴曬等惡劣氣象條件下連續(xù)全天候觀測的要求，從而使系統(tǒng)的可實施性和時效性得到提高。而且基準點通過GNSS基準網(wǎng)的聯(lián)測解算，可對其坐標進行修正，從而提高了監(jiān)測成果的可靠度。

3 聯(lián)合系統(tǒng)的工作原理

平面位移監(jiān)測控制網(wǎng)系統(tǒng)：建設(shè)3個GNSS基準點(其中2個用于起算，1個用于穩(wěn)定性校核)，系統(tǒng)采用具有存儲功能的GNSS雙頻接收機作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，GNSS接收機接收GNSS原始測量數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送(或直接下載)到監(jiān)控中心進行處理，根據(jù)處理結(jié)果分析基準網(wǎng)的可靠性及變形情況。

大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)：布置2個控制基準點(GNSS+測量機器人)，監(jiān)測點均采用“北斗+GNSS”的雙星高精度GNSS接收機并加裝360°棱鏡。GNSS接收機接收GNSS原始測量數(shù)據(jù)，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)或光纖發(fā)送到監(jiān)控中心進行處理，得到基準點與各監(jiān)測點之間的相對位置數(shù)據(jù)，并對位置數(shù)據(jù)進行分析，從而達到對各監(jiān)測點的位移進行監(jiān)測的目的。

4 外觀自動化系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由相對獨立的三個分系統(tǒng)組成：平面位移監(jiān)測控制網(wǎng)分系統(tǒng)、GNSS+測量機器人監(jiān)測分系統(tǒng)以及監(jiān)控中心分系統(tǒng)。總體框圖見圖1，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖2。

圖1 項目總體系統(tǒng)組成框圖

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

5 系統(tǒng)設(shè)計方案

5.1 平面位移監(jiān)測控制網(wǎng)分系統(tǒng)

5.1.1 系統(tǒng)功能

(1) 提供監(jiān)測點位移解算基準；

(2) 定期對基準點位置進行校準。

5.1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

為保證控制基準點觀測數(shù)據(jù)可靠，基準點采用GPS+北斗的雙星GNSS接收機作為觀測數(shù)據(jù)采集設(shè)備，既可以將觀測數(shù)據(jù)存儲到接收機內(nèi)部的CF卡上，還可以將觀測數(shù)據(jù)通過數(shù)傳鏈路傳輸至監(jiān)控中心。

平面位移監(jiān)測控制網(wǎng)以3個GNSS站作為基準點，在系統(tǒng)運行過程中，如果沒有發(fā)現(xiàn)控制基準點發(fā)生位移，則每3個月重新采集數(shù)據(jù)，按照國家B級GNSS網(wǎng)的精度進行觀測。控制網(wǎng)的基線解算采用高精度的專業(yè)軟件，觀測星歷采用IGS精密星歷。基線處理結(jié)果的檢驗應(yīng)滿足《全球定位系統(tǒng)(GNSS)測量規(guī)范》(GB/T 18314-2009)中相關(guān)條款的規(guī)定。平差計算采用配套專業(yè)軟件，全網(wǎng)在進行三維無約束和約束平差、整體平差后，提供在ITRF框架下各點的地心坐標和大地坐標、各基線的地心坐標分量和大地坐標分量、所有參與平差的基線改正數(shù)和平差值及其精度信息。

在提供轉(zhuǎn)換參數(shù)或提供至少3個GNSS控制基準點的土建施工坐標的前提下，將計算后的坐標系統(tǒng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為所需坐標系統(tǒng)。

5.1.3 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)組成框圖見圖3。

圖3 基準點系統(tǒng)組成框圖

5.2 GNSS和測量機器人組合監(jiān)測分系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)功能。

采集各監(jiān)測點的GNSS和測量機器人的原始觀測數(shù)據(jù)；

依據(jù)各監(jiān)測點位移變化情況，監(jiān)測并預(yù)測該區(qū)域滑坡趨勢。

(2)系統(tǒng)方案設(shè)計。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)中改造12個監(jiān)測點，測點安裝情況見圖4。其GNSS系統(tǒng)使用雙頻雙星系統(tǒng)的GNSS接收機、GNSS扼流圈天線并在天線下方安裝360°棱鏡。

5.3 監(jiān)控中心分系統(tǒng)

5.3.1 系統(tǒng)功能

(1) 采集控制基準點，定期控制基準點及各監(jiān)測點的觀測數(shù)據(jù)；

(2) 完成平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理及解算；

(3) 完成各監(jiān)測點數(shù)據(jù)處理及解算；

(4) 進行監(jiān)測分析。

5.3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

監(jiān)控中心分系統(tǒng)的主要功能是進行數(shù)據(jù)的處理和顯示，包括處理定期觀測點(定期控制基準點和監(jiān)測點)的數(shù)據(jù)。使用專用的專業(yè)軟件對控制網(wǎng)數(shù)據(jù)進行三維無約束和約束平差、整體平差，提供在ITRF框架下各點的地心坐標和大地坐標、各基線的地心坐標分量和大地坐標分量、所有參與平差的基線的改正數(shù)及平差值及其精度信息，并提供相應(yīng)點的地方坐標與系統(tǒng)坐標。

根據(jù)現(xiàn)有環(huán)境，該監(jiān)測中心由1個無線SM、3個數(shù)傳電臺及天線、串口設(shè)備服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理軟件及用戶自購設(shè)備(交換機、服務(wù)器、臺式計算機、UPS、避雷系統(tǒng)、供電系統(tǒng))等組成，并提供公網(wǎng)連接服務(wù)，完成對12個測點的改造并網(wǎng)。

數(shù)據(jù)處理軟件用于對控制網(wǎng)和各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行接收、處理和分析。

監(jiān)控中心的電臺天線安裝在監(jiān)控中心房頂，與相應(yīng)的監(jiān)測點電臺天線通視，天線和接收機之間采用在線避雷器進行避雷保護；無線SM同樣架設(shè)于房頂與基站觀測房的AP保持通訊。

5.3.3 軟件子系統(tǒng)設(shè)計

(1)變形監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)組成情況見圖5。

(2)軟件組成。

軟件由系統(tǒng)監(jiān)控軟件、控制網(wǎng)解算軟件、數(shù)據(jù)處理中心軟件、變形解算軟件組成。

圖5 變形監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)組成圖

(3)功能說明。

①系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

軟件根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心軟件發(fā)送過來的數(shù)據(jù)回傳信息，對基準點、監(jiān)測點的GNSS數(shù)據(jù)及常規(guī)觀測數(shù)據(jù)回傳狀態(tài)進行監(jiān)控，顯示數(shù)據(jù)回傳情況，查詢、顯示、分析各監(jiān)測點的變形情況及報警情況，并對系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)進行設(shè)置。系統(tǒng)監(jiān)控軟件用例圖見圖6。

②控制網(wǎng)解算軟件。

該軟件具有的功能是根據(jù)采集回來的基準點數(shù)據(jù)、其他控制基準點數(shù)據(jù)對控制網(wǎng)進行結(jié)算，并將解算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，提供變形解算軟件必要的參數(shù)。

③數(shù)據(jù)處理中心軟件。

該軟件通過無線網(wǎng)絡(luò)，從基準點、監(jiān)測點接收回傳回來的數(shù)據(jù)并進行格式轉(zhuǎn)換，保存為變形解算軟件可用的格式。

將基準點、監(jiān)測點的GNSS、全站儀的觀測信息發(fā)給系統(tǒng)監(jiān)控軟件，監(jiān)控數(shù)據(jù)回傳的狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控軟件用例圖

將系統(tǒng)監(jiān)控軟件對基準點、實時監(jiān)測點數(shù)據(jù)回傳時間間隔的設(shè)置信息轉(zhuǎn)發(fā)給基準點、實時監(jiān)測點的控制器。

④變形解算軟件。

該軟件對采集回來并轉(zhuǎn)換為標準格式的各監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行變形解算，并將解算出來的結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)監(jiān)控軟件分析變形時使用。

6 測區(qū)環(huán)境測試

通過對測區(qū)環(huán)境進行測試，分析各數(shù)據(jù)采集設(shè)備的觀測環(huán)境和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，可驗證系統(tǒng)的可實施性，同時有利于對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

6.1 測量機器人測試

測試選擇三個測站分別對壩頂上游側(cè)13個測點進行觀測，觀測在不同的天氣情況下進行，其中陰天觀測1組、雨天觀測1組、晴天觀測2組，每組12測回。

測試儀器選用TM30，其具有自動照準和補償功能。

各測站正倒鏡互差的統(tǒng)計情況見表1,方向觀測中誤差統(tǒng)計情況見表2。

表1 各測站正倒鏡互差統(tǒng)計表 /″

表2 各測站方向觀測中誤差統(tǒng)計表 /″

測試所用全站儀(TM30)在不同天氣條件下均能穩(wěn)定運行，觀測到的最大2C值為6.1″，滿足一等觀測精度指標。

根據(jù)全站儀補償值計算原理，正倒鏡之差與全站儀軸系補償值具有相關(guān)性[4]，進而得到以下結(jié)論：不同的天氣條件下，陰天全站儀的運行情況最為穩(wěn)定，補償值最小；雨天次之；晴天受太陽照射和氣溫變化的影響，補償值較大。

在相同天氣情況下對測站之間的情況進行比較，三個測站中TN1測站角度觀測值最為穩(wěn)定，觀測條件最好；對同一測站在不同天氣情況下的情況進行比較，以陰天的方向觀測值中誤差最小，最適合觀測。

6.2 GNSS測試

使用TEQC和RTKlib軟件對壩頂部分監(jiān)測點的GNSS環(huán)境測試觀測數(shù)據(jù)進行計算分析，得到的主要數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標匯總見表3。

大壩壩頂GPS可見衛(wèi)星數(shù)為5～8顆，平均為6顆左右，數(shù)量偏少。采用BDS/GPS雙系統(tǒng)GNSS接收機能顯著提高測站可見衛(wèi)星數(shù)量，但新的BDS衛(wèi)星的加入并非一定能優(yōu)化測站的圖形結(jié)構(gòu)，這主要與BDS衛(wèi)星的軌道結(jié)構(gòu)有關(guān)。PDOP值總體上小于參考值7，左右岸壩段由于山體遮擋，PDOP值略大于河床段。

表3 壩頂監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標表

多路徑效應(yīng)指標MP1和MP2數(shù)值總體偏大，反映監(jiān)測站受到來自上游側(cè)水面和山體的多路徑影響較為明顯，特別是在采用BDS/GPS接收機和一般測量型天線情況下；而采用扼流圈天線，抗多路徑效果則較為明顯。對于同一測站，所觀測到的MP1和MP2指標均與接收機及其天線自身的性能有關(guān)。

7 結(jié) 語

大壩外觀監(jiān)測是水電工程一項重要的工作內(nèi)容，筆者介紹了根據(jù)目前外觀自動化監(jiān)測系統(tǒng)并結(jié)合國內(nèi)某大型水電站混凝土重力壩的實際情況設(shè)計的外觀自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)(包括GNSS加測量機器人自動化系統(tǒng)的組成及各模塊的功能)以對其實施自動化、全天候的變形監(jiān)測，并對控制網(wǎng)分系統(tǒng)、GNSS和機器人組合監(jiān)測分系統(tǒng)、監(jiān)控中心分系統(tǒng)提出了設(shè)想。

同時，通過對現(xiàn)場環(huán)境的全面測試，科學(xué)分析了試驗區(qū)Georobot測量和GNSS測量的主要誤差源，認為在今后系統(tǒng)設(shè)計、點位選取和設(shè)備選型時應(yīng)予以充分考慮。

[1] 徐紹銼，程溫鳴，等．GPS在大壩和滑坡安全監(jiān)測中應(yīng)用的研究[J]．水力發(fā)電，2003，29(1)：61-64．

[2] 王 川，楊姍姍，等．GNSS監(jiān)測系統(tǒng)在小灣拱壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．水電自動化與大壩監(jiān)測，2013，37(11)：63-67.

[3] 李征航．GPS定位技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．全球定位系統(tǒng)．2001，26 (2)：18-25．

[4] 鄒永濤．全站儀誤差分析及其測量自動化的研究[D]．北京：北京林業(yè)大學(xué),2012．

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV522

B

1001-2184(2017)01-0037-05

華博深(1988-)，男，江西臨川人，工程師，碩士，從事大壩及邊坡外觀變形監(jiān)測工作；

劉滿江(1975-)，男，陜西咸陽人，高級工程師，學(xué)士，從事工程測量與安全監(jiān)測工作；

劉 峰(1984-)，男，河南信陽人，工程師，碩士，從事工程測量與安全監(jiān)測工作.