大壩外觀自動化監測系統設計與環境因素影響評價

華 博 深， 劉 滿 江， 劉 峰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

大壩外觀自動化監測系統設計與環境因素影響評價

華 博 深， 劉 滿 江， 劉 峰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

介紹了三種外觀自動化系統，結合國內某大型電站混凝土重力壩進行了初步設計；介紹了自動化系統的組成構架及各子系統的功能與聯系；對外觀自動化系統中的控制網分系統、GNSS和機器人組合監測分系統、監控中心分系統進行了功能設計，并對現場觀測環境進行了測試，以便充分考慮各系統的誤差源，達到優化設計的目的。

大壩自動化監測；GNSS；測量機器人；環境因素

1 概 述

目前，外部變形自動化監測方法應用較多的主要有基于全球衛星定位技術的GNSS系統和基于測量機器人的自動化系統以及二者的綜合系統。由于各系統的工作特性各異，其在實際應用中適用性有所不同。在混凝土重力壩監測方面，由于水庫大壩往往地處深山峽谷，受環境影響明顯且其所要求的監測精度較高，難度更大。

筆者以國內某大型混凝土重力壩為例，介紹了其大壩外觀自動化監測系統設計。該壩址位于高山峽谷區，谷坡陡峻，地質構造相對復雜，兩岸地形總體坡面較為整齊，山體渾厚，河谷呈不對稱的“V”型。

2 自動化系統的組成

2.1 GNSS系統

GNSS自動化變形監測系統已被國內外橋梁、鐵路、水電站大壩等各行業普遍應用。近年來，隨著我國北斗衛星系統中的衛星數量不斷增多，組網逐步完善，同時，科技工作人員研發出了GNSS多頻多星接收機，提高了GNSS系統自動化監測的可靠性和穩定性，基于GNSS多頻多星接收機的自動化監測系統在水電工程大壩、高邊坡自動化監測中已逐步使用，如溪洛渡、錦屏、長河壩水電工程等。

GNSS系統具有的主要優點：全天候無人值守連續自動監測；可遠程配置接收機，監控狀態，自動獲取數據；提供位移數據的限差檢核和報警；提供實時數據分析和圖形化報表；可隨時增配功能模塊并持續升級；受天氣變化影響較全站儀小。

GNSS系統具有的主要缺點：受地形條件影響較大。

2.2 測量機器人系統

由于測量機器人的測量精度較高，為±(1 mm+1 ppm)，加之其又可以做到無人值守，故其在很多變形監測工程和精密工程中被較為廣泛的應用，如小浪底工程外部變形監測，二灘水電站大壩外部變形監測，小灣水電站高邊坡監測等。

測量機器人系統具有的主要優點：

無人值守，可遠程控制多臺全站儀，24 h連續觀測；實時在線獲得監測結果，即時限差檢核并超限警告；提供多種圖形化分析報告；系統穩定可靠。

測量機器人系統具有的主要缺點：

測量機器人儀器費用高；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。

2.3 GNSS和測量機器人聯合系統

GNSS和測量機器人組成聯合系統。測量機器人彌補了GNSS系統受地形觀測環境影響造成的觀測精度較差的缺限，而GNSS又滿足了雨雪霧天及暴曬等惡劣氣象條件下連續全天候觀測的要求，從而使系統的可實施性和時效性得到提高。而且基準點通過GNSS基準網的聯測解算，可對其坐標進行修正，從而提高了監測成果的可靠度。

3 聯合系統的工作原理

平面位移監測控制網系統：建設3個GNSS基準點(其中2個用于起算，1個用于穩定性校核)，系統采用具有存儲功能的GNSS雙頻接收機作為數據采集設備，GNSS接收機接收GNSS原始測量數據，通過無線網絡發送(或直接下載)到監控中心進行處理，根據處理結果分析基準網的可靠性及變形情況。

大壩自動化監測系統：布置2個控制基準點(GNSS+測量機器人)，監測點均采用“北斗+GNSS”的雙星高精度GNSS接收機并加裝360°棱鏡。GNSS接收機接收GNSS原始測量數據，通過3G無線網絡或光纖發送到監控中心進行處理，得到基準點與各監測點之間的相對位置數據，并對位置數據進行分析，從而達到對各監測點的位移進行監測的目的。

4 外觀自動化系統的組成

系統由相對獨立的三個分系統組成：平面位移監測控制網分系統、GNSS+測量機器人監測分系統以及監控中心分系統。總體框圖見圖1，系統網絡拓撲圖見圖2。

圖1 項目總體系統組成框圖

圖2 系統網絡拓撲圖

5 系統設計方案

5.1 平面位移監測控制網分系統

5.1.1 系統功能

(1) 提供監測點位移解算基準；

(2) 定期對基準點位置進行校準。

5.1.2 系統方案設計

為保證控制基準點觀測數據可靠，基準點采用GPS+北斗的雙星GNSS接收機作為觀測數據采集設備，既可以將觀測數據存儲到接收機內部的CF卡上，還可以將觀測數據通過數傳鏈路傳輸至監控中心。

平面位移監測控制網以3個GNSS站作為基準點，在系統運行過程中，如果沒有發現控制基準點發生位移，則每3個月重新采集數據，按照國家B級GNSS網的精度進行觀測。控制網的基線解算采用高精度的專業軟件，觀測星歷采用IGS精密星歷。基線處理結果的檢驗應滿足《全球定位系統(GNSS)測量規范》(GB/T 18314-2009)中相關條款的規定。平差計算采用配套專業軟件，全網在進行三維無約束和約束平差、整體平差后，提供在ITRF框架下各點的地心坐標和大地坐標、各基線的地心坐標分量和大地坐標分量、所有參與平差的基線改正數和平差值及其精度信息。

在提供轉換參數或提供至少3個GNSS控制基準點的土建施工坐標的前提下，將計算后的坐標系統統一轉換為所需坐標系統。

5.1.3 系統組成框圖

系統組成框圖見圖3。

圖3 基準點系統組成框圖

5.2 GNSS和測量機器人組合監測分系統

(1)系統功能。

采集各監測點的GNSS和測量機器人的原始觀測數據；

依據各監測點位移變化情況，監測并預測該區域滑坡趨勢。

(2)系統方案設計。

根據現場實際情況，在現有監測系統中改造12個監測點，測點安裝情況見圖4。其GNSS系統使用雙頻雙星系統的GNSS接收機、GNSS扼流圈天線并在天線下方安裝360°棱鏡。

5.3 監控中心分系統

5.3.1 系統功能

(1) 采集控制基準點，定期控制基準點及各監測點的觀測數據；

(2) 完成平面控制網數據處理及解算；

(3) 完成各監測點數據處理及解算；

(4) 進行監測分析。

5.3.2 系統方案設計

監控中心分系統的主要功能是進行數據的處理和顯示，包括處理定期觀測點(定期控制基準點和監測點)的數據。使用專用的專業軟件對控制網數據進行三維無約束和約束平差、整體平差，提供在ITRF框架下各點的地心坐標和大地坐標、各基線的地心坐標分量和大地坐標分量、所有參與平差的基線的改正數及平差值及其精度信息，并提供相應點的地方坐標與系統坐標。

根據現有環境，該監測中心由1個無線SM、3個數傳電臺及天線、串口設備服務器、數據處理軟件及用戶自購設備(交換機、服務器、臺式計算機、UPS、避雷系統、供電系統)等組成，并提供公網連接服務，完成對12個測點的改造并網。

數據處理軟件用于對控制網和各監測點的數據進行接收、處理和分析。

監控中心的電臺天線安裝在監控中心房頂，與相應的監測點電臺天線通視，天線和接收機之間采用在線避雷器進行避雷保護；無線SM同樣架設于房頂與基站觀測房的AP保持通訊。

5.3.3 軟件子系統設計

(1)變形監測軟件結構組成情況見圖5。

(2)軟件組成。

軟件由系統監控軟件、控制網解算軟件、數據處理中心軟件、變形解算軟件組成。

圖5 變形監測軟件結構組成圖

(3)功能說明。

①系統監控軟件。

軟件根據數據處理中心軟件發送過來的數據回傳信息，對基準點、監測點的GNSS數據及常規觀測數據回傳狀態進行監控，顯示數據回傳情況，查詢、顯示、分析各監測點的變形情況及報警情況，并對系統監控參數進行設置。系統監控軟件用例圖見圖6。

②控制網解算軟件。

該軟件具有的功能是根據采集回來的基準點數據、其他控制基準點數據對控制網進行結算，并將解算結果存入數據庫，提供變形解算軟件必要的參數。

③數據處理中心軟件。

該軟件通過無線網絡，從基準點、監測點接收回傳回來的數據并進行格式轉換，保存為變形解算軟件可用的格式。

將基準點、監測點的GNSS、全站儀的觀測信息發給系統監控軟件，監控數據回傳的狀態。

圖6 系統監控軟件用例圖

將系統監控軟件對基準點、實時監測點數據回傳時間間隔的設置信息轉發給基準點、實時監測點的控制器。

④變形解算軟件。

該軟件對采集回來并轉換為標準格式的各監測點數據進行變形解算，并將解算出來的結果保存到數據庫，供系統監控軟件分析變形時使用。

6 測區環境測試

通過對測區環境進行測試，分析各數據采集設備的觀測環境和觀測數據質量，可驗證系統的可實施性，同時有利于對系統進行優化設計。

6.1 測量機器人測試

測試選擇三個測站分別對壩頂上游側13個測點進行觀測，觀測在不同的天氣情況下進行，其中陰天觀測1組、雨天觀測1組、晴天觀測2組，每組12測回。

測試儀器選用TM30，其具有自動照準和補償功能。

各測站正倒鏡互差的統計情況見表1,方向觀測中誤差統計情況見表2。

表1 各測站正倒鏡互差統計表 /″

表2 各測站方向觀測中誤差統計表 /″

測試所用全站儀(TM30)在不同天氣條件下均能穩定運行，觀測到的最大2C值為6.1″，滿足一等觀測精度指標。

根據全站儀補償值計算原理，正倒鏡之差與全站儀軸系補償值具有相關性[4]，進而得到以下結論：不同的天氣條件下，陰天全站儀的運行情況最為穩定，補償值最小；雨天次之；晴天受太陽照射和氣溫變化的影響，補償值較大。

在相同天氣情況下對測站之間的情況進行比較，三個測站中TN1測站角度觀測值最為穩定，觀測條件最好；對同一測站在不同天氣情況下的情況進行比較，以陰天的方向觀測值中誤差最小，最適合觀測。

6.2 GNSS測試

使用TEQC和RTKlib軟件對壩頂部分監測點的GNSS環境測試觀測數據進行計算分析，得到的主要數據質量評價指標匯總見表3。

大壩壩頂GPS可見衛星數為5～8顆，平均為6顆左右，數量偏少。采用BDS/GPS雙系統GNSS接收機能顯著提高測站可見衛星數量，但新的BDS衛星的加入并非一定能優化測站的圖形結構，這主要與BDS衛星的軌道結構有關。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 壩頂監測點觀測數據質量評價指標表

多路徑效應指標MP1和MP2數值總體偏大，反映監測站受到來自上游側水面和山體的多路徑影響較為明顯，特別是在采用BDS/GPS接收機和一般測量型天線情況下；而采用扼流圈天線，抗多路徑效果則較為明顯。對于同一測站，所觀測到的MP1和MP2指標均與接收機及其天線自身的性能有關。

7 結 語

大壩外觀監測是水電工程一項重要的工作內容，筆者介紹了根據目前外觀自動化監測系統并結合國內某大型水電站混凝土重力壩的實際情況設計的外觀自動化變形監測系統(包括GNSS加測量機器人自動化系統的組成及各模塊的功能)以對其實施自動化、全天候的變形監測，并對控制網分系統、GNSS和機器人組合監測分系統、監控中心分系統提出了設想。

同時，通過對現場環境的全面測試，科學分析了試驗區Georobot測量和GNSS測量的主要誤差源，認為在今后系統設計、點位選取和設備選型時應予以充分考慮。

[1] 徐紹銼，程溫鳴，等．GPS在大壩和滑坡安全監測中應用的研究[J]．水力發電，2003，29(1)：61-64．

[2] 王 川，楊姍姍，等．GNSS監測系統在小灣拱壩安全監測中的應用[J]．水電自動化與大壩監測，2013，37(11)：63-67.

[3] 李征航．GPS定位技術在變形監測中的應用[J]．全球定位系統．2001，26 (2)：18-25．

[4] 鄒永濤．全站儀誤差分析及其測量自動化的研究[D]．北京：北京林業大學,2012．

(責任編輯：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測工作；

劉滿江(1975-)，男，陜西咸陽人，高級工程師，學士，從事工程測量與安全監測工作；

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