低溫雪上環(huán)境場地場館精準(zhǔn)形變監(jiān)測系統(tǒng)方案研究

張穎芝 姚勇

一、前言

依托北斗高精度定位系統(tǒng)，結(jié)合風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度、降水量、雪深等傳感器數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)低溫雪上環(huán)境下的場地場館精準(zhǔn)形變監(jiān)測。

本文提供一套技術(shù)方案，通過研究雪場關(guān)鍵位置精準(zhǔn)定位與傳感設(shè)備布設(shè)方案，結(jié)合雪場GIS/BIM模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建覆蓋雪場區(qū)域的毫米級雪層/雪上場館形變監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對冬奧雪場的全天候連續(xù)實時精準(zhǔn)監(jiān)測，同時形成多級預(yù)警機制，將監(jiān)測點位異常狀況信息推送至不同應(yīng)急管理部門，切實保障冬奧場館運營安全。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究

（一） 技術(shù)方案

目前監(jiān)測雪層厚度變化的方式主要依賴于雪深儀的監(jiān)測，主要通過反射雪層表面至雪深儀的高差來對雪層厚度進行識別。北斗多傳感器系統(tǒng)主要監(jiān)測地面位移變化，通過北斗基準(zhǔn)站、北斗監(jiān)測站以及滲壓計、固定式測斜儀、雨量計、裂縫計等設(shè)備結(jié)合，對地表及地面深處的位移變化進行2小時靜態(tài)毫米級的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測值得變化結(jié)果進行實時預(yù)等服務(wù)。對地面和雪層厚度的監(jiān)測方式目前應(yīng)用比較廣泛且成熟。

但對于一些大型高山滑雪賽事的比賽場地（如冬奧會），其地勢往往陡峭且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上大量的觀眾對賽場的沖擊，會對山地地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。而雪層厚度的實時變化會對運動員的比賽結(jié)果造成一定程度的影響。由于雪深儀的監(jiān)測是相對結(jié)果，在監(jiān)測其變化時，無法準(zhǔn)確判定是由于地面沉降引起的雪層厚度變化，還是冰雪融化引起的雪層厚度變化，如果因為地面沉降，但雪層厚度實際上沒有發(fā)生變化，一味進行人工造雪也會對比賽產(chǎn)生影響，而且會威脅到運動員及觀眾的生命安全。給監(jiān)測結(jié)果帶來非常大的影響。

一個改進方案是將北斗監(jiān)測站的監(jiān)測墩與雪深儀支架進行剛體連接，形成一體，北斗監(jiān)測站結(jié)合傳感器監(jiān)測的是地面的位移變化，雪深儀監(jiān)測的是雪層的厚度變化，二者充分結(jié)合，即可準(zhǔn)確判定出究竟是由于地面沉降還是冰雪融化引起的雪層厚度變化，為比賽的順利進行、運動員的高水平發(fā)揮以及現(xiàn)場人員的人身安全等提供重要的保障依據(jù)。其原理如圖 1所示。

北斗監(jiān)測站和雪深儀的布設(shè)方式如圖 2所示。

其他關(guān)聯(lián)傳感器包括滲壓計、固定式測斜儀、裂縫計、雨量計、風(fēng)速風(fēng)向計、溫度傳感器等。數(shù)據(jù)通訊方式可以是地面網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）、網(wǎng)線、LORA、NBIOT、無線網(wǎng)橋、北斗短報文等多種方式；數(shù)據(jù)可直接網(wǎng)絡(luò)傳輸，也可通過專用網(wǎng)關(guān)進行傳輸；設(shè)備供電方式為電池供電、太陽能供電、220V供電、380V工業(yè)用電等。

結(jié)合幾種傳感器的數(shù)據(jù)，其預(yù)測模型判斷方式如表1所示。

其中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)所下所述。

（二） 北斗高精度位移形變監(jiān)測方法

北斗高精度位移形變安全監(jiān)測技術(shù)用于位移及沉降形變安全通常用到的是北斗相對定位原理。相對定位是用兩臺（或多臺）接收機分別安置在一條（或多條）基線的兩端，同步觀測相同的北斗衛(wèi)星，以確定基線端點的相對位置或基線向量。在相對定位時，通過對觀測量求差，可以消除衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差，削弱電離層和對流層折射的影響，消去整周模糊度參數(shù)等，使基線精度提高。如圖 3所示，如果A和B兩點在同一時間內(nèi)觀測了相同的一組衛(wèi)星（至少四顆）。而且A是一個已知點，通過某種數(shù)據(jù)鏈，把原始改正信息傳到B點，那么B點的位置就可以加以確定。

（三） 多傳感器輔助監(jiān)測方法

多傳感器輔助形變安全監(jiān)測方法主要是通過布設(shè)在地表深處的滲壓計監(jiān)測地下水壓力值來判定地下深處土層的變化、通過布設(shè)在地下深處的固定式測斜儀（一般每8米布設(shè)一個）通過專用套管分段布設(shè)，來監(jiān)測地下每一個深度范圍的地層變化，再輔以裂縫計、雨量計、風(fēng)速風(fēng)向計、溫度計等傳感器，通過外界環(huán)境的變化監(jiān)測，進行地下及地表形變的綜合判定。

（四） 雪深儀雪層厚度監(jiān)測方法

雪深儀雪層厚度識別方法主要是通過雪深儀照射雪層，通過雪層反射光線與雪深儀之間的相對距離變化來監(jiān)測雪層厚度的變化，具體工作原理如圖 4所示：

雪場北斗監(jiān)測站及傳感器布設(shè)如圖 5所示。

三、系統(tǒng)方案設(shè)計

（一） 總體設(shè)計

雪上場館形變監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)層、服務(wù)接口層、應(yīng)用層，項目統(tǒng)一規(guī)劃的基礎(chǔ)設(shè)施及信息運行保障體系構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 6所示。

數(shù)據(jù)發(fā)布負責(zé)雪場各種監(jiān)測目標(biāo)上所布設(shè)的各種傳感器數(shù)據(jù)的采集與傳輸。在本項目中，主要用到北斗、固定測斜儀、滲壓計、水位計、雨量計、裂縫計等多種傳感器，這些傳感器所采集的數(shù)據(jù)實時通過數(shù)據(jù)采集模塊實時傳輸?shù)椒?wù)器。同時，系統(tǒng)支持監(jiān)測目標(biāo)、監(jiān)測目標(biāo)類型、監(jiān)測傳感器的擴展。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入、解算、處理、存儲、查詢以及分析。

數(shù)據(jù)層負責(zé)北斗和各類傳感器所感知的監(jiān)測原始數(shù)據(jù)及管理數(shù)據(jù)的存儲管理。

應(yīng)用層主要針對業(yè)務(wù)需要構(gòu)建多種應(yīng)用系統(tǒng)，本項目中包括安全監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)及預(yù)警發(fā)布。

（二） 數(shù)據(jù)接入層設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)進行集成化，即傳感器、數(shù)據(jù)采集工控機、通訊系統(tǒng)、接收服務(wù)器集成在一起，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，如圖 7所示。

本系統(tǒng)中采用北斗終端及水位計、雨量計、裂縫計、滲壓計、測斜儀等多種傳感器設(shè)備。設(shè)備有多種輸出類型，包括數(shù)字信號、振弦信號、模擬電壓信號等，不同信號類型又包含對應(yīng)多種協(xié)議。

數(shù)據(jù)采集使用多種數(shù)據(jù)采集工控機，將振弦信號、模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，將多種數(shù)字信號通過數(shù)傳模塊匯集到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器中，系統(tǒng)總線方案如圖8所示。

（三） 監(jiān)測服務(wù)展示系統(tǒng)

雪場形變監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)通過服務(wù)接口層調(diào)用基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)、經(jīng)過監(jiān)測分析系統(tǒng)處理的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)測場景的展示、以監(jiān)測點或者傳感器實體為單元進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時或歷史展示和查詢、預(yù)警數(shù)據(jù)展示。

基于3DGIS，調(diào)用其他子系統(tǒng)所發(fā)布的DOM、DEM、矢量、標(biāo)注、模型等數(shù)據(jù)服務(wù)，構(gòu)建監(jiān)測對象及周邊的三維場景，能直觀的了解監(jiān)測對象所處的地理環(huán)境；各種監(jiān)測設(shè)備的布設(shè)點位；同時，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析也有參考意義。展示效果如圖 9所示。

四、結(jié)語

依托北斗高精度定位服務(wù)，本項工作提出了一套低溫雪上環(huán)境場地場館的精準(zhǔn)形變監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案，包括雪場雪層形變監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)。

結(jié)合雪場GIS/BIM，可以實現(xiàn)對冬奧雪場、雪上場館和人造施工場地等進行全天候、全方位、多角度、多維度地連續(xù)實時精準(zhǔn)監(jiān)測，同時形成多級預(yù)警機制，將監(jiān)測點位異常狀況信息分等級、分角色推送至不同應(yīng)急管理部門，切實保障冬奧場館運營安全。

作者單位：北京北控智慧城市科技發(fā)展有限公司

【基金項目】國家重點研發(fā)計劃科技冬奧專項“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場館設(shè)計建造運維關(guān)鍵技術(shù)”（編號：2018YFF0300300）