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        基于北斗高精度的航道建筑物形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用

        2022-11-27 06:08:30陳家輝張俊杰王繼龍
        廣西水利水電 2022年4期
        關(guān)鍵詞:變形分析

        陳家輝,張俊杰,王繼龍

        (1.廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司,南寧 530000,2.交信北斗科技有限公司 北京 100011)

        0 引言

        建設(shè)“智慧西江”是新時(shí)期國家實(shí)施“一帶一路”倡議、加快西部大開發(fā)、深化陸海雙向開放的重大戰(zhàn)略舉措。2020年,西江干線全年貨物通過量達(dá)到10.5 億t,長洲水利樞紐過閘貨運(yùn)量突破1.5 億t,成為全國天然河流過貨量第一船閘[1]。目前西江流域共有長洲、桂平、貴港、那吉、魚梁等12個(gè)梯級(jí)17座船閘,為及時(shí)掌握船閘在各種工況條件下的工作狀態(tài),保障過閘船舶航行安全,降低航運(yùn)業(yè)安全事故風(fēng)險(xiǎn),需要通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?;诘鼗鰪?qiáng)系統(tǒng)的北斗高精度服務(wù),可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)定位,可實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施微小形變的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。建立基于北斗的船閘運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)船閘全天候安全健康監(jiān)測(cè),保證航道通航建筑物運(yùn)行安全[2]。

        1 基于北斗高精度的航道建筑物形變監(jiān)測(cè)原理

        基于北斗高精度的航道建筑物形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集北斗高精度定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程,整個(gè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控服務(wù)中心和終端用戶等4個(gè)部分,系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示[3]。

        (1)數(shù)據(jù)采集

        數(shù)據(jù)采集主要是對(duì)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的跟蹤、采集、傳輸,對(duì)設(shè)備完好性和航道基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)信息的采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由參考站、監(jiān)測(cè)站和本地服務(wù)器組成,參考站和監(jiān)測(cè)站設(shè)備構(gòu)成主要有北斗天線、北斗接收機(jī)、控制設(shè)備、防雷保護(hù)設(shè)施、供電設(shè)施和現(xiàn)場(chǎng)總線等。

        (2)傳輸網(wǎng)絡(luò)

        本地局域網(wǎng)主要用于將北斗監(jiān)測(cè)站、參考站數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器。系統(tǒng)產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果、形變信息、統(tǒng)計(jì)信息通過專網(wǎng)傳送到監(jiān)控服務(wù)中心,監(jiān)控服務(wù)中心可通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)為用戶端提供服務(wù)。

        (3)監(jiān)控中心

        監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對(duì)采集的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和處理,通過軟件進(jìn)行專業(yè)分析和展示。同時(shí)監(jiān)控中心還是整個(gè)系統(tǒng)的管理、維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控中心;管理服務(wù)器硬件和軟件;對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和核心交換的部署;對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份,維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。

        (4)終端用戶

        根據(jù)不同用戶提供不同的數(shù)據(jù)服務(wù),主要通過WEB和APP模式實(shí)現(xiàn)。

        2 北斗高精度在航道建筑物形變監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

        本案例以西江那吉、魚梁的船閘和靠船墩形變監(jiān)測(cè)為例。為了推進(jìn)西江航運(yùn)船閘等基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè),首先選擇更靠近西江上游右江的那吉、魚梁兩座船閘進(jìn)行基于北斗高精度的形變監(jiān)測(cè)示范應(yīng)用。通過對(duì)船閘區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),分析和評(píng)價(jià)船閘基礎(chǔ)設(shè)施的安全狀態(tài),研究變形規(guī)律,及時(shí)發(fā)布變形預(yù)報(bào)。對(duì)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并通過繪制位移變形影響線或影響面來監(jiān)測(cè)船閘區(qū)域各部位位移的實(shí)時(shí)變化情況,預(yù)測(cè)其變形規(guī)律,為船閘區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施的維修、養(yǎng)護(hù)和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

        項(xiàng)目實(shí)施前首先通過船閘、靠船墩等基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)勘查,選定擬建設(shè)的基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的位置,選址規(guī)劃如圖2 所示。其次對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試,判斷船閘等基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)和環(huán)境可用性。再次勘查服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備安裝空間、基站現(xiàn)場(chǎng)至機(jī)房走線方案、機(jī)房環(huán)境、電力系統(tǒng)、機(jī)柜系統(tǒng)等。最后了解機(jī)房至監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)情況,確保網(wǎng)絡(luò)暢通可用,保障北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以完整地傳輸至指揮中心。

        項(xiàng)目建設(shè)完成后監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站采集的數(shù)據(jù)通過4G 公網(wǎng)或?qū)>W(wǎng)傳送到船閘本地服務(wù)器進(jìn)行算法分析,解算出船閘位移變化信息,船閘本地服務(wù)器通過專網(wǎng)實(shí)時(shí)向監(jiān)控服務(wù)中心報(bào)送各船閘監(jiān)測(cè)信息。在監(jiān)測(cè)界面用戶可以查詢船閘基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、變化分析等數(shù)據(jù)信息,通過預(yù)警和報(bào)警及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)狀況。船閘等形變監(jiān)測(cè)分析包含5個(gè)方面:一是監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化過程分析,變化過程分析主要是通過GNSS 監(jiān)測(cè)值的表面位移分析,以及輔助監(jiān)測(cè)手段的深度位移分析。表面位移分析分為X、Y、H3 個(gè)方向,隨著時(shí)間的延續(xù)各個(gè)方向的向量值可以生成與時(shí)間相關(guān)的線性函數(shù)。形變趨勢(shì)分析通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫的歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)生成變形曲線,對(duì)比兩段時(shí)間的變形特征,統(tǒng)計(jì)出兩段時(shí)間的變形速率,分析形變情況。二是斷面變形分析,對(duì)于一個(gè)橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形統(tǒng)計(jì),通過形成一條斷面線,將其生成與時(shí)間相關(guān)的圖形,分析整個(gè)斷面隨時(shí)間的波動(dòng)情況,監(jiān)測(cè)變形最大的部位。三是(加)速度過程線分析,從數(shù)據(jù)庫中讀取位移變化(加)速度數(shù)據(jù),以曲線的形式顯示選中點(diǎn)的變化(加)速度曲線,分X、Y、H方向分別表示。四是對(duì)比分析,通過歷史數(shù)據(jù)分析,對(duì)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,以及不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)同一時(shí)刻數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。五是數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,經(jīng)過一段時(shí)間監(jiān)測(cè)后,分析出超過某個(gè)限差的概率,從而分析出整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的穩(wěn)定情況。位移變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和變化分析如圖3、圖4所示。

        3 結(jié)語

        基于北斗高精度的航道建筑物形變監(jiān)測(cè)已經(jīng)在西江開展了示范應(yīng)用,并且取得了顯著的應(yīng)用效果,《國家綜合交通立體規(guī)劃綱要》《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》等文件中反復(fù)提及了要加強(qiáng)內(nèi)河航運(yùn)安全建設(shè),提升航運(yùn)信息化水平,由此也可以看到,國家對(duì)大力發(fā)展內(nèi)河航運(yùn),全面提升航運(yùn)安全管理及信息化水平給予了高度重視,充分利用北斗系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)我國內(nèi)河領(lǐng)域船閘及航道基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè),未來具有良好的發(fā)展前景。

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