李 威 閔從軍 周 瑛 沈月千 令曉博 陳 林

(1.華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院)

現(xiàn)階段，我國已經(jīng)進(jìn)入世界水電建設(shè)大國的行列，是世界上大壩最多的國家。受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，很多大壩存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和施工標(biāo)準(zhǔn)低的問題，加之設(shè)計、施工、維護(hù)經(jīng)驗不足以及結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境等因素的復(fù)雜性，隨著大壩運(yùn)行時間推移、壩體老化，大壩安全運(yùn)行受到了嚴(yán)重影響。目前，該類水電站大壩變形監(jiān)測主要采用前方交會法、視準(zhǔn)線法等傳統(tǒng)技術(shù)方法[1]，該類方法存在工序繁瑣、自動化程度低(通常大壩監(jiān)測頻率每月一次)、勞動強(qiáng)度大、人為因素誤差較大、返工率高、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等不足，無法滿足快速、實時監(jiān)測大壩變形的要求。為此，本研究基于BDS/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對大壩實時監(jiān)測與快速預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)。

1 系統(tǒng)工作原理及外部設(shè)計

基于BDS/GPS系統(tǒng)的大壩實時監(jiān)測與快速預(yù)警系統(tǒng)的原理為常規(guī)的RTK定位技術(shù)[2-3]，其與傳統(tǒng)RTK技術(shù)的區(qū)別在于，基準(zhǔn)站的坐標(biāo)已知且通過與周圍CORS站進(jìn)行聯(lián)測更新，有效保證了在長期監(jiān)測過程中基準(zhǔn)的動態(tài)變化。該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)雙向傳輸都是通過局域網(wǎng)WIFI技術(shù)實現(xiàn)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；將監(jiān)測站獲得的動態(tài)數(shù)據(jù)實時傳遞至遠(yuǎn)端服務(wù)器通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，客戶端監(jiān)測軟件通過數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)，經(jīng)卡爾曼濾波處理，獲得高精度的觀測值；客戶端監(jiān)測軟件根據(jù)用戶需求生成相應(yīng)的成果圖；最后經(jīng)過改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)對大壩變形進(jìn)行實時預(yù)測。

1.1 BDS/GPS接收機(jī)選取

BDS/GPS接收機(jī)模塊選取最新天寶BD982定位模塊。天寶BD982模塊是一款高精度定位、定向的GNSS板卡，與Hemisphere公司的VECTOR板卡和NovAtel公司的(OEMV系列或OEM615、OEM628)Align技術(shù)相比具有更大的優(yōu)勢。與VECTOR板卡、BD982板卡相比，其定位精度更高；與Align技術(shù)相比，天寶BD982模塊僅有一塊板卡，而Align技術(shù)需要2塊板卡，在可靠性和性價比方面天寶BD982模塊更具有優(yōu)勢。天寶BD982模塊的性能特點為：①單板雙天線，可輸出定位、定向數(shù)據(jù)；②支持多星座GNSS(BDS/GPS)另可升級到GALILEO功能，支持Omni STAR ；③靈活的RS232、USB網(wǎng)口和CAN接口。

1.2 系統(tǒng)供電設(shè)計

系統(tǒng)采用太陽能并聯(lián)蓄電池的供電方式，即利用太陽能直接給監(jiān)測系統(tǒng)供電，當(dāng)遇到連續(xù)陰天氣，太陽能供電不足時，可改由蓄電池為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)供電穩(wěn)定，是確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提條件?？紤]到整個系統(tǒng)的電流消耗和后續(xù)功能擴(kuò)展的用電需求，系統(tǒng)的輸出電流不宜小于3 A，經(jīng)過挑選比對，選擇NS公司的LMZ14203具備42 V最高輸入電壓的3ASIMPLE SWITCHER電源模塊，該電源模塊支持6～42 V輸入電壓和0.8～6 V輸出電壓，轉(zhuǎn)換率達(dá)到90%。

1.3 基于WIFI技術(shù)的數(shù)據(jù)安全傳輸

系統(tǒng)通過WIFI技術(shù)構(gòu)建大壩監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)(圖1)，旨在確保大壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)得以被安全傳輸[4-5]。

圖1 基于WiFi數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)

2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)主要包括基于CORS站的大壩基準(zhǔn)穩(wěn)定性分析、基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的大壩變形預(yù)測。

2.1 基于CORS站的大壩基準(zhǔn)穩(wěn)定性分析

按照傳統(tǒng)的大壩變形監(jiān)測方案，需要在監(jiān)測區(qū)域構(gòu)建一個監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)作為變形監(jiān)測分析的基準(zhǔn)。基準(zhǔn)站接收機(jī)的天線位置受到不穩(wěn)定因素(如參考站建設(shè)地點發(fā)生沉降、位移等)的影響時會發(fā)生微弱變化，從而影響到參考站點的穩(wěn)定性[6]。為確?；鶞?zhǔn)站提供的坐標(biāo)基準(zhǔn)準(zhǔn)確無誤并提高基準(zhǔn)站站點的位置精度及可靠性，需要按照一定的周期將系統(tǒng)中的基準(zhǔn)站與高精度已知點進(jìn)行聯(lián)測檢查[6-7]。通過將基準(zhǔn)點與周圍CORS站建立聯(lián)測控制網(wǎng)，來全方位、多系統(tǒng)地分析大壩變形監(jiān)測基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

(1)基于卡爾曼濾波的大壩變形數(shù)據(jù)處理?？柭鼮V波是一種具有無偏性的遞推線性最小方差估計方法，即估計誤差的均值或數(shù)學(xué)期望值為0。在計算方法上，卡爾曼濾波采用遞推形式，即在t-1時刻估值的基礎(chǔ)上，利用t時刻的觀測值，遞推得到t時刻的狀態(tài)估值。卡爾曼濾波能有效消除噪聲干擾，獲得逼近真實情況的有用信息[8-9]。

(2)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的大壩變形預(yù)測。目前，大壩變形監(jiān)測預(yù)報分析方法主要有時間序列法、灰色系統(tǒng)理論、突變理論法、非線性動力學(xué)法等。由于壩體是一個開放的復(fù)雜系統(tǒng)，壩體失穩(wěn)的地質(zhì)過程、形成條件、誘發(fā)因素非常復(fù)雜，從而導(dǎo)致動態(tài)信息難以捕捉[10]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入—輸出模式映射關(guān)系，其學(xué)習(xí)規(guī)則為最速下降法，通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使得網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和達(dá)到最小[11-14]。因此，本研究采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來對大壩變形進(jìn)行預(yù)測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件平臺需求分析

(1)將永久監(jiān)測站傳送的GNSS報文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析出經(jīng)緯度和大地高，通過卡爾曼濾波將坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波改正，得到精確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并存儲于數(shù)據(jù)庫中。

(2)軟件平臺能夠?qū)崟r顯示壩體各個監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，能夠?qū)崟r繪制監(jiān)測站點坐標(biāo)變化折線圖，并能夠顯示總體趨勢生成報表，并存儲于數(shù)據(jù)庫中。

(3)軟件平臺能根據(jù)存儲的各個監(jiān)測站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行站點坐標(biāo)預(yù)測。

(4)允許客戶端軟件對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，并將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、站點坐標(biāo)變化圖表以及站點變化的總體趨勢報表發(fā)送給客戶端軟件。

(5)軟件平臺能夠快速進(jìn)行預(yù)警，在壩體各個監(jiān)測站點位移超出一定的警戒值后，通過短消息、廣播以及其他方式發(fā)送給相關(guān)部門和客戶端軟件。

3.2 數(shù)據(jù)中心軟件平臺設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心軟件平臺由服務(wù)器軟件和客戶端軟件組成。服務(wù)器軟件主要由軟件加密、工程項目、網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、圖形分析、報表導(dǎo)出等模塊組成(圖2)?？蛻舳塑浖饕δ転閿?shù)據(jù)遠(yuǎn)程查詢及管理、數(shù)據(jù)分析處理、報表導(dǎo)出、監(jiān)測站點分析等，客戶端軟件各模塊組成如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心平臺軟件模塊

圖3 客戶端各模塊組成

4 系統(tǒng)性能分析

本研究將所開發(fā)的整套系統(tǒng)布設(shè)于大壩監(jiān)測點上，通過1 s的采樣時間間隔將監(jiān)測站采集的數(shù)據(jù)傳輸回服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，客戶端軟件從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后獲得監(jiān)測結(jié)果。某一監(jiān)測點前500個歷元的位移監(jiān)測值如圖4所示(數(shù)據(jù)獲取開始時間為2016年12月28日凌晨0點00分)。由于抽水蓄能電站在夜晚會向水庫里儲水，而白天會將水庫的水抽出用于發(fā)電，在蓄水—抽水過程中，大壩監(jiān)測點位移會發(fā)生變化，X方向位移有一個變大回落的過程，Y方向位移則有一個減小至增大的過程，Z方向位移最為明顯，由抬高至回落，圖4監(jiān)測數(shù)據(jù)有效反應(yīng)了監(jiān)測點3個方向的位移變化過程，可見本研究開發(fā)的軟件系統(tǒng)可對大壩變形進(jìn)行有效監(jiān)測。

5 結(jié) 語

以國內(nèi)某抽水蓄能電站大壩為例，基于BDS/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，開發(fā)了大壩實時監(jiān)測與快速預(yù)警系統(tǒng)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計思路及功能模塊，試驗表明，該系統(tǒng)可對大壩變形信息進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可對大壩變形進(jìn)行精確預(yù)測，從而實現(xiàn)對大壩變形的預(yù)警分析。

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圖4 不同時間段某監(jiān)測點位移變化特征