基于DGPS系統(tǒng)的大壩安全實時監(jiān)測應(yīng)用分析

宋春暉

(北京中水科工程集團(tuán)有限公司,北京 100048)

1 概 述

目前,DGPS已應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性研究,其中所需精度為厘米。近年來,該技術(shù)與無線通信的并行發(fā)展,使測量達(dá)到毫米級精度,擴(kuò)大了DGPS在大型結(jié)構(gòu)運動控制中的應(yīng)用。在大壩監(jiān)測中,運動幅度取決于幾個參數(shù),如大壩高度、形狀、混凝土類型、接縫拓?fù)洹㈧o水荷載和溫度[5-6]。本文針對采用DGPS技術(shù)進(jìn)行混凝土大壩運動控制的可行性進(jìn)行分析,比較兩種不同測量系統(tǒng)(鐘擺和角度準(zhǔn)直)的結(jié)果,并將其與DGPS程序的結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián),得出DGPS在大壩運動控制和安全方面的應(yīng)用結(jié)論。

2 實驗研究

2.1 研究區(qū)域

本文以某水庫大壩為研究對象,整個大壩為石結(jié)構(gòu),見圖1。這座拱形重力壩由混凝土制成,高出地基68m。上游面垂直,下游面坡度為0.4。壩頂海拔1 319m,長340m,寬6m,設(shè)有兩條2.25m車道和兩條0.75m人行道。

圖1 大壩的總體視圖

大壩設(shè)有4個鐘擺(P-1、P-2、P-3、P-4),所有鐘擺均為直接鐘擺,提供了壩頂相對于檢查廊的位移信息,檢查廊位于較低讀數(shù)裝置,見圖2。

圖2 直擺的位置正視圖

每個鐘擺和檢查廊的交叉處都有讀數(shù)基座。在檢查廊的所有基座和擺錘2(水平廊)的基座,除了手動讀數(shù)裝置外,還安裝了自動讀取裝置。

由于外部誘因(水荷載和溫度),該大壩的長細(xì)比使得年周期的徑向運動幅度更為顯著。這些運動大約為35～40 mm,見圖3。目前,該壩使用3種不同的徑向運動聽診技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測:直接鐘擺、DGPS和精確角度準(zhǔn)直。

圖3 直擺記錄的徑向運動

2.2 DGPS系統(tǒng)和配置說明

DGPS網(wǎng)絡(luò)由3部分組成:天線和接收器、通信系統(tǒng)以及處理數(shù)據(jù)的IT系統(tǒng)。選擇大壩頂部的兩個點(AC1和AC2)安裝DGPS移動站,足夠靠近直擺(為P3和P2),目的是比較兩種技術(shù)的位移。天線和接收器安裝在大壩頂部,保持大壩軸線對稱,見圖4。參考站位于大壩下游左側(cè)邊緣,遠(yuǎn)離大壩,以確保穩(wěn)定性。

圖4 直擺位置正視圖

GPS接收器和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸,最初是通過GPRS進(jìn)行的,直到大壩安裝了ADSL線路。ADSL在通信質(zhì)量方面得到較大改善,見圖5。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，HSP27與胃癌、膀胱癌和鼻咽癌等多種實體腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、療效及預(yù)后密切相關(guān)[7]。THOMAS等[11]研究發(fā)現(xiàn)，HSP27高表達(dá)的急性髓系白血病患者的完全緩解率和中位總體生存率均顯著降低，且HSP27的表達(dá)與多藥耐藥相關(guān)蛋白的表達(dá)相關(guān)。CHAUHAN等[12]研究發(fā)現(xiàn)，HSP27在BTZ耐藥的淋巴瘤細(xì)胞中高表達(dá)，且下調(diào) HSP27表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)BTZ耐藥。本研究中用CD138＋免疫磁珠分選MM患者的漿細(xì)胞，獲得高度富集的骨髓瘤細(xì)胞，檢測其HSP27表達(dá)量，結(jié)果顯示復(fù)發(fā)骨髓瘤患者HSP27表達(dá)水平顯著高于初治患者，提示HSP27可作為骨髓瘤耐藥的預(yù)測因子及評估預(yù)后的參考指標(biāo)。

圖5 大壩DGPS空間布置圖

數(shù)據(jù)處理采用基于DGPS技術(shù)的實時應(yīng)用程序,該應(yīng)用程序設(shè)計用于運動控制,具有較高的實時精度。對實時解決方案進(jìn)行過濾,以提高準(zhǔn)確性。該領(lǐng)域中,一個著名的濾波器是卡爾曼濾波器。該濾波器由一組數(shù)學(xué)方程組成,其中一些方程是預(yù)測的,另一些則是基于迭代調(diào)整,提供了誤差的遞歸估計。該濾波器允許根據(jù)先前位置,將位置調(diào)整為觀察到的運動變化率,從而可以在低頻振蕩中實現(xiàn)毫米級精度。第一個預(yù)測濾波器方程具有以下結(jié)構(gòu):

(1)

(2)

卡爾曼濾波器可以進(jìn)行校準(zhǔn),以緩慢但更準(zhǔn)確地回答問題,使其適應(yīng)較長時間內(nèi)對變形的日常控制;或以更快但不那么準(zhǔn)確的方式,在較短時間內(nèi)預(yù)計發(fā)生較大移動。這種調(diào)整是通過改變Q值來實現(xiàn)的,這允許根據(jù)聽診的目標(biāo)以更高或更低的靈敏度,將濾波器擬合到預(yù)測的變化率。Q值大意味著響應(yīng)快,但測量噪聲的平滑程度較低;Q值小意味著響應(yīng)慢,但測量噪聲平滑良好。

在本研究中,使用兩個不同的Q值,一個較低的值(Q=1E-13)用于稱為AC的濾波器配置;另一個較大的值(Q=1E-11)用于稱為ACB的配置,其中調(diào)整效果非常明顯。AC配置適用于緩慢運動,而ACB允許捕獲結(jié)構(gòu)的更快運動。這兩種配置都是同時執(zhí)行的,是使用相同輸入數(shù)據(jù)的兩種不同的聽診。

此外,還對RINEX(接收器獨立交換)文件進(jìn)行一年的后處理。每天以10s的間隔記錄RINEX文件,包含第一個頻率(L1)的相位觀測值,還估計了與每次觀測相關(guān)的不確定性。

2.3 角度準(zhǔn)直

在大壩下游面安裝有21個控制點的地形控制系統(tǒng),見圖6。基于該網(wǎng)絡(luò)角度準(zhǔn)直,在2021年期間每月進(jìn)行監(jiān)測,主要目標(biāo)是控制大壩電站的徑向運動。數(shù)據(jù)采集使用全站儀,并遵循極坐標(biāo)輻射法,每個點從不同的基地至少讀取兩次讀數(shù)。

圖6 準(zhǔn)直系統(tǒng)配置(控制點在下游面)

觀測系統(tǒng)為徠卡TCA2003全站儀,集成測距儀提供了±(1mm+1ppm)的精度,并完全自動化,具有自動目標(biāo)識別(ATR),包括CCD傳感器。角度精度為±0.5″。

2.4 誤差分析

表1為使用鄰近標(biāo)準(zhǔn)選擇用于比較的成對控制點。

表1 3種方法比較的當(dāng)量控制點

為了分析實施聽診系統(tǒng)的精度,根據(jù)鐘擺獲得的結(jié)果(視為真實運動),均方根誤差(RMS)計算公式如下:

(3)

3 結(jié)果與分析

計算兩個時段的DGPS徑向運動均方根誤差:(a)2021年1月至2022年3月(完整時段)和(b)2021年12月至2022年3月(無通信問題-ADSL工作正常),結(jié)果見表2。

表2 DGPS測量的徑向運動誤差(兩個時段)

當(dāng)ADSL通信正常工作時,周期(b)顯示出比整個周期更小的誤差,并且在這兩種情況下,誤差的尺寸都是毫米。計算了2021年1月至2022年3月13個準(zhǔn)直讀數(shù)的均方根值,結(jié)果見表3。

表3 DGPS測量的徑向運動誤差

圖7為3個位移數(shù)據(jù)集(DGPS、鐘擺和角度準(zhǔn)直)沿徑向的演變。圖8為在最后階段DGPS和鐘擺測量的演變,其特征是通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性。結(jié)果表明,在分析的月份中,這兩個序列之間具有良好的相關(guān)性。

圖7 DGPS、鐘擺和角度準(zhǔn)直監(jiān)測結(jié)果比較

圖8 DGPS和直擺(AC2 GPS和P-2)監(jiān)測結(jié)果比較

為了評估對結(jié)果的影響,進(jìn)行兩種不同的卡爾曼濾波器配置(AC和ACB)。AC配置提供了更多的過濾解決方案,即相對于以前的位置具有更多的“慣性”,是一種具有高精度的良好配置,適用于緩慢、漸進(jìn)和可預(yù)測的運動。而ACB配置提供了過濾較少的解決方案,在運動漸進(jìn)和可預(yù)測的階段精度較低,但允許捕捉對大壩安全有用的變化趨勢和突然運動,見圖9。

圖9 卡爾曼濾波器配置對AC2 GPS測量的徑向運動影響

根據(jù)每日的RINEX文件進(jìn)行后處理演算,以獲得每個觀測日3個GPS站之間的基線。對于每條基線,使用L1中的雙相位差來求解周期的模糊度。利用這些向量值及其方差-協(xié)方差矩陣進(jìn)行最小二乘調(diào)整,其中調(diào)整中的唯一固定點是基站(AC)。此外,還可獲得其他兩個站點的日坐標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)差和誤差橢圓。調(diào)整的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差在廠內(nèi)約為0.4mm,在標(biāo)高約為0.5mm,保證了工藝的毫米精度。作為補充信息,每天記錄8 640個觀測周期,最長基線為251m。2021年7月至2021年10月期間的后期處理結(jié)果以及與每個位置相關(guān)的不確定性見圖10。

圖10 后處理和實時DGPS測量結(jié)果詳圖

本文計算了鐘擺記錄的徑向位移范圍(視為真實運動)與后處理期間(2021年1月至2022年1月)“實時”和“后處理”獲得的一系列結(jié)果之間的均方根誤差。此外,還計算了特定時期(2021年5月15日至6月17日)的均方根值。在此期間,卡爾曼濾波器被改變?yōu)楦邞T性下響應(yīng)緩慢,公式如下:

(4)

該分析顯示了實時結(jié)果的顯著偏差,并證實了在這種情況下后處理產(chǎn)生了更準(zhǔn)確的解決方案,見表4、表5和圖11。

表4 基于實時和后處理數(shù)據(jù)的徑向運動誤差(2021年1月至2022年1月)

表5 基于實時和后處理數(shù)據(jù)的徑向運動誤差(2021年5月15日至6月17日)

圖11 卡爾曼濾波器配置對實時解(Q=10～13,除了突出顯示的時間段從2021年5月15日至6月17日,Q=10～15)和后處理解對擺錘P-2的影響

4 結(jié) 論

本文將地理信息學(xué)實時應(yīng)用在大壩安全DGPS監(jiān)測中,并將DGPS實時監(jiān)測結(jié)果與鐘擺和角度準(zhǔn)直的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)論如下:

1)實時DGPS的平均精度在第一種情況下(總周期)為2.33～3.09 mm,在通信穩(wěn)定情況下為1.44～1.86 mm;精確的角度準(zhǔn)直也產(chǎn)生了高精度的解決方案(1.79～2.21 mm),但每月進(jìn)行一次,表明DGPS適用于大壩的長期性能監(jiān)測。

2)根據(jù)待控制結(jié)構(gòu)的預(yù)期或觀測運動速度,選擇卡爾曼濾波器的配置常數(shù)。

3)DGPS技術(shù)和精確的角度準(zhǔn)直都提供了絕對坐標(biāo),而直擺系統(tǒng)是基于相對坐標(biāo)系統(tǒng),以作為互補的聽診系統(tǒng)。

4)當(dāng)沒有鐘擺時,為了安全起見,DGPS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該至少包括兩個參考站。卡爾曼濾波器的校準(zhǔn)參數(shù)可能會導(dǎo)致實時結(jié)果的偏差,作為替代方案,后處理允許在這些時間段內(nèi)保持高精度。

此外,大壩位于偏遠(yuǎn)山區(qū),雷暴頻發(fā),影響GPRS系統(tǒng)初始通信。安裝ADSL后,數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性會更好。但通信問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不連續(xù)性,會對DGPS系統(tǒng)的精度產(chǎn)生負(fù)面影響。DGPS系統(tǒng)在大壩的監(jiān)測和安全方面非常有用,其可充分檢測到絕對變形,是對現(xiàn)有方法的補充,應(yīng)該在新的安全計劃中予以考慮。