華 博 深， 劉 滿 江， 劉 峰

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

大壩外觀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與環(huán)境因素影響評(píng)價(jià)

華 博 深， 劉 滿 江， 劉 峰

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

介紹了三種外觀自動(dòng)化系統(tǒng)，結(jié)合國內(nèi)某大型電站混凝土重力壩進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)；介紹了自動(dòng)化系統(tǒng)的組成構(gòu)架及各子系統(tǒng)的功能與聯(lián)系；對(duì)外觀自動(dòng)化系統(tǒng)中的控制網(wǎng)分系統(tǒng)、GNSS和機(jī)器人組合監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、監(jiān)控中心分系統(tǒng)進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試，以便充分考慮各系統(tǒng)的誤差源，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；GNSS；測(cè)量機(jī)器人；環(huán)境因素

1 概 述

目前，外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中適用性有所不同。在混凝土重力壩監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該壩址位于高山峽谷區(qū)，谷坡陡峻，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，兩岸地形總體坡面較為整齊，山體渾厚，河谷呈不對(duì)稱的“V”型。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)的組成

2.1 GNSS系統(tǒng)

GNSS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)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(shí)，科技工作人員研發(fā)出了GNSS多頻多星接收機(jī)，提高了GNSS系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性，基于GNSS多頻多星接收機(jī)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水電工程大壩、高邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(diǎn)：全天候無人值守連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)；可遠(yuǎn)程配置接收機(jī)，監(jiān)控狀態(tài)，自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)；提供位移數(shù)據(jù)的限差檢核和報(bào)警；提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和圖形化報(bào)表；可隨時(shí)增配功能模塊并持續(xù)升級(jí)；受天氣變化影響較全站儀小。

GNSS系統(tǒng)具有的主要缺點(diǎn)：受地形條件影響較大。

2.2 測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)

由于測(cè)量機(jī)器人的測(cè)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(cè)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(cè)，二灘水電站大壩外部變形監(jiān)測(cè)，小灣水電站高邊坡監(jiān)測(cè)等。

測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)具有的主要優(yōu)點(diǎn)：

無人值守，可遠(yuǎn)程控制多臺(tái)全站儀，24 h連續(xù)觀測(cè)；實(shí)時(shí)在線獲得監(jiān)測(cè)結(jié)果，即時(shí)限差檢核并超限警告；提供多種圖形化分析報(bào)告；系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)具有的主要缺點(diǎn)：

測(cè)量機(jī)器人儀器費(fèi)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(cè)量機(jī)器人聯(lián)合系統(tǒng)

GNSS和測(cè)量機(jī)器人組成聯(lián)合系統(tǒng)。測(cè)量機(jī)器人彌補(bǔ)了GNSS系統(tǒng)受地形觀測(cè)環(huán)境影響造成的觀測(cè)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(cè)的要求，從而使系統(tǒng)的可實(shí)施性和時(shí)效性得到提高。而且基準(zhǔn)點(diǎn)通過GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)的聯(lián)測(cè)解算，可對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行修正，從而提高了監(jiān)測(cè)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(cè)控制網(wǎng)系統(tǒng)：建設(shè)3個(gè)GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)(其中2個(gè)用于起算，1個(gè)用于穩(wěn)定性校核)，系統(tǒng)采用具有存儲(chǔ)功能的GNSS雙頻接收機(jī)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，GNSS接收機(jī)接收GNSS原始測(cè)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(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果分析基準(zhǔn)網(wǎng)的可靠性及變形情況。

大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：布置2個(gè)控制基準(zhǔn)點(diǎn)(GNSS+測(cè)量機(jī)器人)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均采用“北斗+GNSS”的雙星高精度GNSS接收機(jī)并加裝360°棱鏡。GNSS接收機(jī)接收GNSS原始測(cè)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(jìn)行處理，得到基準(zhǔn)點(diǎn)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，并對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而達(dá)到對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。

4 外觀自動(dòng)化系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由相對(duì)獨(dú)立的三個(gè)分系統(tǒng)組成：平面位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)分系統(tǒng)、GNSS+測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)以及監(jiān)控中心分系統(tǒng)?？傮w框圖見圖1，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖2。

圖1 項(xiàng)目總體系統(tǒng)組成框圖

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

5.1 平面位移監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)分系統(tǒng)

5.1.1 系統(tǒng)功能

(1) 提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移解算基準(zhǔn)；

(2) 定期對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)位置進(jìn)行校準(zhǔn)。

5.1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為保證控制基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠，基準(zhǔn)點(diǎn)采用GPS+北斗的雙星GNSS接收機(jī)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，既可以將觀測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到接收機(jī)內(nèi)部的CF卡上，還可以將觀測(cè)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(cè)控制網(wǎng)以3個(gè)GNSS站作為基準(zhǔn)點(diǎn)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果沒有發(fā)現(xiàn)控制基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生位移，則每3個(gè)月重新采集數(shù)據(jù)，按照國家B級(jí)GNSS網(wǎng)的精度進(jìn)行觀測(cè)。控制網(wǎng)的基線解算采用高精度的專業(yè)軟件，觀測(cè)星歷采用IGS精密星歷?；€處理結(jié)果的檢驗(yàn)應(yīng)滿足《全球定位系統(tǒng)(GNSS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314-2009)中相關(guān)條款的規(guī)定。平差計(jì)算采用配套專業(yè)軟件，全網(wǎng)在進(jìn)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(diǎn)的地心坐標(biāo)和大地坐標(biāo)、各基線的地心坐標(biāo)分量和大地坐標(biāo)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(gè)GNSS控制基準(zhǔn)點(diǎn)的土建施工坐標(biāo)的前提下，將計(jì)算后的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為所需坐標(biāo)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(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)組成框圖

5.2 GNSS和測(cè)量機(jī)器人組合監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)功能。

采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GNSS和測(cè)量機(jī)器人的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)；

依據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化情況，監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)該區(qū)域滑坡趨勢(shì)。

(2)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中改造12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)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(jī)、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(zhǔn)點(diǎn)，定期控制基準(zhǔn)點(diǎn)及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)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(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理及解算；

(4) 進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

5.3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心分系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和顯示，包括處理定期觀測(cè)點(diǎn)(定期控制基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn))的數(shù)據(jù)。使用專用的專業(yè)軟件對(duì)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維無約束和約束平差、整體平差，提供在ITRF框架下各點(diǎn)的地心坐標(biāo)和大地坐標(biāo)、各基線的地心坐標(biāo)分量和大地坐標(biāo)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(diǎn)的地方坐標(biāo)與系統(tǒng)坐標(biāo)。

根據(jù)現(xiàn)有環(huán)境，該監(jiān)測(cè)中心由1個(gè)無線SM、3個(gè)數(shù)傳電臺(tái)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(jī)、服務(wù)器、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、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(duì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)的改造并網(wǎng)。

數(shù)據(jù)處理軟件用于對(duì)控制網(wǎng)和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理和分析。

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

5.3.3 軟件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)變形監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GNSS數(shù)據(jù)及常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)回傳狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，顯示數(shù)據(jù)回傳情況，查詢、顯示、分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況及報(bào)警情況，并對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)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(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)、其他控制基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)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(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收回傳回來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，保存為變形解算軟件可用的格式。

將基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GNSS、全站儀的觀測(cè)信息發(fā)給系統(tǒng)監(jiān)控軟件，監(jiān)控?cái)?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(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)回傳時(shí)間間隔的設(shè)置信息轉(zhuǎn)發(fā)給基準(zhǔn)點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的控制器。

④變形解算軟件。

該軟件對(duì)采集回來并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)使用。

6 測(cè)區(qū)環(huán)境測(cè)試

通過對(duì)測(cè)區(qū)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，分析各數(shù)據(jù)采集設(shè)備的觀測(cè)環(huán)境和觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，可驗(yàn)證系統(tǒng)的可實(shí)施性，同時(shí)有利于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

6.1 測(cè)量機(jī)器人測(cè)試

測(cè)試選擇三個(gè)測(cè)站分別對(duì)壩頂上游側(cè)13個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)在不同的天氣情況下進(jìn)行，其中陰天觀測(cè)1組、雨天觀測(cè)1組、晴天觀測(cè)2組，每組12測(cè)回。

測(cè)試儀器選用TM30，其具有自動(dòng)照準(zhǔn)和補(bǔ)償功能。

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

表1 各測(cè)站正倒鏡互差統(tǒng)計(jì)表 /″

表2 各測(cè)站方向觀測(cè)中誤差統(tǒng)計(jì)表 /″

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

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

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

6.2 GNSS測(cè)試

使用TEQC和RTKlib軟件對(duì)壩頂部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GNSS環(huán)境測(cè)試觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到的主要數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jī)能顯著提高測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)表

多路徑效應(yīng)指標(biāo)MP1和MP2數(shù)值總體偏大，反映監(jiān)測(cè)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(jī)和一般測(cè)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(duì)于同一測(cè)站，所觀測(cè)到的MP1和MP2指標(biāo)均與接收機(jī)及其天線自身的性能有關(guān)。

7 結(jié) 語

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

同時(shí)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的全面測(cè)試，科學(xué)分析了試驗(yàn)區(qū)Georobot測(cè)量和GNSS測(cè)量的主要誤差源，認(rèn)為在今后系統(tǒng)設(shè)計(jì)、點(diǎn)位選取和設(shè)備選型時(shí)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(cè)中應(yīng)用的研究[J]．水力發(fā)電，2003，29(1)：61-64．

[2] 王 川，楊?yuàn)檴?，等．GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在小灣拱壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]．水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2013，37(11)：63-67.

[3] 李征航．GPS定位技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)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(cè)量自動(dòng)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(cè)工作；

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

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