淺談GNSS自動化監測在引漢濟渭黃金峽水利樞紐工程中的應用

馬光明

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100）

1 工程概況

黃金峽水利樞紐位于漢江干流上游峽谷段漢中市洋縣境內，是陜西省引漢濟渭工程的龍頭，施工總工期52個月。該樞紐擁有當前亞洲最大的泵站，總裝機12.6萬kW，設計流量70 m3/s，設計揚程106.5 m。工程以供水為主，多年平均調水10億m3，兼顧發電。

大壩采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程455m，庫容2.21億m3。雖然該工程壩高僅有63.00 m，但是由于地質條件十分復雜，左右岸邊坡開挖高度分別達到304 m、148 m。

2 使用GNSS變形監測自動化系統的必要性

2.1 壩肩地質條件差且超高邊坡安全穩定監測的需求

左壩肩邊坡高差大，地質條件差，巖石破碎，節理十分發育，共有15條斷層，其中有3條特大斷層。這種地質條件下，在開挖坡度小于1∶1的自穩情況下，可能發生不穩定滑坡體。2016年7月19日左壩肩因地質原因發生大滑坡，邊坡設計高度由原來的187 m變為現在的304 m。2019年～2022年度是壩體、電站及泵站施工的高峰期，壩肩安全穩定十分重要，每天24小時全天候監測監控壩肩變形情況，做出科學快速決策非常必要。

2.2 原設計方案的不足

原設計方案采用全站儀半自動化監測，存在以下不足之處：①容易受霧天、施工揚塵、刮風、下雨等環境條件影響，無法根據實際需要隨時開展邊坡監測；②邊坡監測自動化程度不高。數據下載、處理依賴監測人員手動完成，自動化程度低，容易出錯；③邊坡預警預仍采用傳統的人工分析預報，實時性以及適時性難以保證；④邊坡工作危險性高，勞動強度大。架站和立鏡都需要人員步行或攀爬，容易發生安全事故。

3 邊坡GNSS自動化監測原理與可行性分析

3.1 自動化監測原理

GNSS是全球衛星定位導航系統，泛指美國的GPS、俄羅斯的GLONSS、歐盟的GALIEO及中國的COMPASS（北斗），目前應用范圍較廣的是美國的GPS。GNSS可為用戶提供全天候的三維位置、三維速度和時間信息，在勘察勘探、航空航海、地殼監測和工程安全監測等領域應用廣泛。

其基本原理是在穩定的非變形區域設置基準站，在變形監測區域設置監測站，基準站和監測站安裝的GNSS接收機同步接收天空中衛星信號，數據傳輸系統將同一時刻的GNSS接收機獲得的原始觀測數據傳輸至遠端的數據處理中心，專業的監測軟件對原始觀測數據進行自動解算處理，解算出監測點的實時三維坐標，精度可達毫米級。平差解算后的監測點數據，自動傳入監測軟件的預警預報系統，為用戶及時提供預警預報信息。

3.2 可行性分析

要實現GNSS自動化監測，前提是衛星信號、網絡通訊、供電和交通等基礎設施服務條件的具備。基礎設施服務條件良好，才能順利實現該系統的安裝，實現各項子功能的發揮，從而保障高精度的自動化監測成果，給用戶準確的預警預報信。

3.3 GNSS變形監測自動化系統可行性試驗研究

采用9臺GNSS接收機，前后對邊坡監測網進行了三次靜態相對測量實驗。測量數據經嚴密平差、似大地水準面精化后，將獲得的各監測點數據成果與同期次的全站儀半自動化監測結果進行了對比，證明GNSS靜態測量的成果精度可靠，完全能滿足邊坡監測平面位置誤差±5 mm，高程中誤差±5 mm的限差要求。實地勘察GNSS接收機收星信號、通訊和電源等的實施條件，發現黃金峽水利樞紐區域具備實施GNSS自動化監測的良好條件。

4 系統設計

4.1 設計依據

本工程GNSS自動化監測系統是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統工程。該系統的技術設計及工程建造依據相關的國家標準和相關行業標準進行。

4.2 總體布置

該系統的后端數控中心，布置在樞紐良心溝信息樓；接收機天線布置在樞紐兩岸邊坡的觀測墩上，其主機和數據傳輸傳感器布置在邊坡附近交通便利區的機柜內，就近接入電源和網絡。

4.3 數據采集及監測站布置

1）數據采集系統主要包括GNSS接收機、接收機天線、天線罩和輔助設施等。

2）左岸邊坡監測站的布置

左岸邊坡共設28個監測點。供電電源選用國網電源及已建成的的視頻監控系統的太陽能電源。網絡利用通過邊坡的公用網絡。

右岸邊坡設計有5個監測點。

3）數據傳輸子系統設計

本工程設計有三級數據傳輸節點。由接收機傳輸至前端數控中心，該段距離較近，且收發數據包含原始觀測數據，數據量較大，采用無線網絡的形式；由前端數控中心向后端數控中心傳輸時，由于距離較遠，且該段有線網絡設施齊全，盡量使用有線網絡傳輸定位數據。

數據傳輸傳感器設置在機柜內，就近接入電纜線，并入數據傳輸子系統。

4）接收機選型

精度可靠、性能參數優越、價格適中是選型標準。本工程選擇上海司南公司生產的接收機，機型M300net網絡版。該機型不僅性能可以達到國外同類型產品的水平，整體監測功能完備，而且價格較低，可以滿足項目邊坡的監測需求。接收機天線選用AT500扼流圈天線，其相位中心極小，抗干擾能力強。

5）數控制中心

它是整個系統的核心單元。中心由機房、中心網絡和軟件系統組成，具有數據處理、監控和網絡管理的功能。后端數控中心設置在良心溝信息樓。其硬件是2臺計算機、網絡接入端口和電源接入端口；軟件是數據解算處理軟件和監控預警預報軟件。2臺計算機分別安裝數據解算處理軟件、監控預警預報軟件。

5 系統施工

5.1 設備安裝

①安裝前對主要設備進行檢驗，連接扼流天線、衛星接收機、RS232轉網通訊模塊，通電后檢驗設備是否正常加電自檢是否正常接收衛星信號、是否正常通訊；

②將衛星接收機、RS232轉網通訊模塊、太陽能控制器等設備安裝固定在設備柜中，用雙絞線連接接收機和通訊模塊的RS232端口；

③將設備柜運至現場，用配套抱箍固定在觀測墩上；

④將扼流圈天線安裝到對中基座上，天線的出線位置應與設備柜在同一方向，便于連接；

⑤將扼流圈天線的數據線（同軸電纜）引入設備柜，連接到衛星接收機的相應接口；

⑥各設備接電，檢查設備電源指示燈是否正常工作。

5.2 防雷系統施工

防雷系統由接地網和避雷針等組成。

5.3 太陽能供電系統施工

由太陽能電池板、電源控制器、蓄電池、地埋箱等組成。施工措施如下：

①電池板用支架固定在觀測墩上，高度高于周邊植被，避免陽光被遮擋；②將裝好電池板的支架用抱箍固定在參考站觀測墩上，調整電池板的對空角度，以獲得最好的光照角度；③將蓄電池安裝在地埋箱中；④將太陽能控制器安裝到參考站機柜中；⑤連接電池板、電池、控制器的電纜，并接入衛星接收機、無線網橋。

5.4 通訊系統施工

通訊系統施工內容包括：光纜敷設、光纖熔接、架設無線網橋、交換機設備安裝及部署、通訊系統連接測試及總調等。

5.4.1 光纜敷設

左岸邊坡測點較多，布線較為復雜，局部示意圖見圖1。

圖1 左岸邊坡EL519m以上高程光纜布線圖

5.4.2 光纖熔接

光纜到各監測點光纖終端盒后需進行光纖熔接，采用光纖熔接機進行熔接，引出尾纖后需進行光通路測試，合格后將尾纖盤連接到終端盒法蘭和光纖收發器。

5.4.3 架設無線網橋

共使用4對無線網橋，左岸參考站-右岸邊坡EL488 m馬道，右岸參考站-左岸邊坡EL519 m馬道，左岸邊坡EL519 m馬道-右岸邊坡EL488 m馬道，右岸邊坡EL488 m馬道-信息大樓。

該網橋安裝在立桿上，用抱箍固定，網橋與交換機之間使用屏蔽六類網線連接。該無線網橋工作頻段為5.8GHz，為定向天線，指向性很強，安裝時需仔細調整方向，每對網橋天線都應準確互指，以獲得最佳信號強度。

5.4.4 交換機設備安裝及部署

共布置3臺網絡交換機，左岸兩臺24口交換機，分別位于EL615 m馬道和EL519 m馬道；右岸布置一臺8口交換機，位于EL488 m馬道。設備安裝完成后進行線路連通測試，確保設備正常工作、線路通暢。

5.4.5 通訊系統連接測試及總調

在光纜敷設、無線網橋架設、交換機安裝等工作完成后，進行通訊系統連接測試。在數控中心訪問每一個監測點設備、測試網絡響應速度，對無法訪問的設備或網絡響應遲緩的測點，立即檢查通訊線路和通訊質量。

5.5 傾斜攝影及變形監測區域三維地形建模

選擇風和日麗、晴朗無云的天氣，用無人機對工區變形監測區域進行傾斜攝影。初步估算攝影飛行面積約為6 km2；

攝影完畢后檢查攝影質量，若滿足要求即可對照片進行建模運算，最終生成監測區域的三維模型。

5.6 數控中心施工

主要內容為搭建起整套監測數據接收、解算、后處理系統，具體如下：組裝工作站硬件系統；組裝UPS電源、接通電源控制器；安裝操作系統、搭建數據庫平臺；安裝GNSS解算軟件、數據處理軟件平臺；架設無線網橋，調試網絡環境。

5.7 自動化系統調試

本系統各部分施工、安裝完畢，通訊及供電系統工作正常后，進入系統調試階段。主要工作內容有：參考站及各測點的網絡通訊穩定性；用專用軟件連續檢查各測點衛星信號質量，為確定解算軟件參數提供數據；測試不同的解算參數，如不同的濾波方法、數據時長、采樣頻率的多種組合，以獲得最佳結果；設置數據處理平臺、連接數據庫、設置報表格式、圖表樣式等，以符合工程要求；系統連續不間斷運行，通過檢查軟件日志和系統日志了解工作站和各個軟件的運行情況、資源占有率、網絡通訊速率、硬盤空間占用速率等運行信息。

6 結語

2019年12月全國水利信息化大會在引漢濟渭工程現場成功召開，GNSS變形監測自動化系統作為其中一部分得到了展示，其性能穩定，達到了預期效果，可在類似工程推廣應用。

目前本工程僅對邊坡外觀變形監測實現了自動化監測及控制，后續大壩邊坡及壩體內觀亦考慮采用自動化采集，以減少人力勞動及人為誤差，實現安全監測全過程自動化，及時預警、及時應對，快速并科學合理決策。