北斗變形監測系統在玉溪水電站的應用和研究

摘?要：北斗變形監測系統是一個集數據自動采集和傳輸、優化解算等多種先進技術于一體的綜合系統，在實際應用中需要因地制宜安裝和精確定位。針對北斗變形監測系統在玉溪水電站試安裝和調試過程中出現的數據精度問題，著重闡述了在安裝流程上的創新和多種方案擇優過程：將北斗變形監測系統天線裝在可移動構架上，建立臨時測站進行多種方案比較和調試，擇優合理布設基準點和觀測點，加高觀測墩，明顯提高了觀測點的監測數據精度，此后連續2年的位移監測成果能體現大壩的細微變形規律。這種提高北斗變形監測系統定位精度的方法和在安裝流程上的改進，可供同類型的水利工程參考。

關鍵詞：北斗變形監測系統;定位精度;點位布設;安裝流程

北斗變形監測系統是一個集數據自動采集和傳輸、優化解算等多種先進技術于一體的綜合系統。系統由接收機、天線、觀測墩、電源設備、網絡設備、監控電腦組成，能長期連續接收和跟蹤衛星信號，監測各觀測點的變形情況，定位精度可以達到毫米級。[1]因為混凝土壩表面變形比較細微，北斗變形監測系統應用于混凝土壩需要盡可能提高定位精度，使位移監測成果能體現大壩的細微變形規律，及時發現異常。本文以減少基準點和各個觀測點周邊不利環境影響為切入點，闡述了如何通過安裝流程上的創新和多種方案擇優，高效的進行調試，合理布設基準點和觀測點，使觀測點的數據精度能滿足使用要求，對北斗變形監測系統在大壩監測方面的推廣應用有著一定意義。

1 北斗變形監測系統概況、點位布設和安裝調試

1.1 北斗變形監測系統概況

（1）系統硬件組成。系統硬件由數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據處理與控制子系統、輔助支持系統組成。北斗雙頻接收機和天線是核心部件。

（2）系統軟件功能。監測房電腦上安裝了北斗監測預警系統軟件。該軟件由實時監控、統計查詢、報警管理、系統設置、權限管理等模塊組成，可進行變形數據的采集和解算。

（3）系統工作流程。安裝在基準點和各觀測點的接收機接收到衛星信號后，通過局域網傳輸數據到監測房電腦，電腦相關文件夾上每個小時自動生成一組數據文件。監測電腦上的北斗監測預警系統軟件應用幾何和物理的基本原理，通過優化解算得出各觀測點的實時位置和相對于初始值的變化值，在北斗監測預警系統軟件界面上自動生成各觀測點東向、北向、天向三個方向的變形數據。

1.2 玉溪水電站概況和北斗變形監測系統點位布設

玉溪水電站位于浙南山區，壩址在浙江省麗水市大港頭鎮，是一座以發電為主的中型水電站。樞紐工程主要建筑物由重力壩段、河床式電站廠房段、廠閘連接段、沖砂閘、泄洪閘、船閘等組成。2017年，電站管理單位在大壩上安裝了北斗變形監測系統。根據玉溪電站大壩的特點和觀測要求，先進行了試安裝：在大壩右壩肩山體邊設置基準點，離監測房較近，方便管理。在重力壩段、廠房段、沖砂閘、泄洪閘、船閘各布設1個觀測點，各點平均間距30m左右。

1.3 北斗變形監測系統安裝調試和試運行期數據比較

北斗變形監測系統初步安裝好和調試后，進行了6天的試運行。玉溪水電站北斗變形監測系統監測的是大壩東向的水平位移。選取G201點這6天北斗變形監測系統東向的水平位移數據和人工觀測的位移數據進行比較，見表1。

在這6天里，大壩的壩前水位和壩上氣溫變化不大，大壩位移量在這期間應是穩定的。玉溪電站人工觀測是用視準線法觀測，每天觀測的成果滿足相應的限值要求。這6天人工觀測的數據成果最大值和最小值的差值為0.9mm，數據波動很小，符合大壩位移量在這期間穩定的規律。而北斗數據成果在第四天出現了跳動，達到4.59mm，顯然不符合要求。

1.4 方案組合

北斗變形監測系統試安裝數據成果不符合要求的主要原因是玉溪水電站處于山區，信號較弱，各觀測點周圍環境又有遮擋，特別是基準點，臨近山體和庫區水面等信號反射物，距離高壓輸電線50m左右。這種情況下，基準點和觀測點接收機天線在收到天上衛星信號的同時，也收到附近反射體反射的信號，兩者產生干涉，產生多路徑誤差，影響衛星定位精度。[2]多路徑誤差是北斗系統定位時的一項重要誤差，會明顯影響衛星定位精度，因無法用差分技術消除，最好的辦法是布點時盡量避開庫區水面和金屬類反射物。為了把點布在合適的位置上，盡可能減少周邊環境造成的不利影響，考慮多種影響因素，設置以下條件：

（1）基準點位置分別取大壩左側遠離山體和高壓輸電線處（限于地形，離水面較近）、大壩右側離水面較遠處。

（2）各觀測點天線距地面的距離分別取0.5m、2m。

（3）各觀測點布置分別取沿壩軸線方向基本上布成直線、隨意布置。

然后把這些條件組合成多個方案，進行比較。

1.5 流程改進

北斗變形監測系統實際應用時，一般的安裝和調試流程是：安裝單位先根據經驗和規范定點、布線、澆筑混凝土墩，固定設備，再調試。問題在于影響北斗變形監測系統精度的因素很多，安裝單位經常要通過數據比較才能發現問題，一旦數據達不到要求，返工耗時又費力。為了提高效率，對北斗變形監測系統安裝和調試流程作了如下改進：

（1）業主先制作好可移動的鐵構架再通知安裝單位。安裝單位進場后把監測系統的天線固定在鐵構架上，蓋上保護罩，天線的電纜連上接收機，布線，建臨時的測站。

（2）進行方案比較，確定長期的基準點、測站位置。

（3）調試成功，安裝單位離場。運行一段時間，數據滿足要求，業主在構架外澆筑混凝土墩即可，澆筑時注意要保護好電纜。

1.6 擇優安裝和調試

安裝時先按第一個方案，在預定位置建臨時測站，測出數據。換新方案時只需要將鐵構架移動至新位置固定，新的臨時測站就建好了，再測出相應的數據。就這樣，測出多個方案的觀測數據，再通過精度比較得出最優方案。然后，玉溪水電站北斗變形監測系統按最優方案進行布點、安裝和調試。

（1）基準點布在左岸大壩變形區外，地質條件好的空曠處，基準點周圍無明顯障礙物（小型樹木影響不大），離開庫區水面30多m，離開高壓線200多m，混凝土墩建在堅固與穩定的基礎上。[3]

（2）泄洪閘和船閘上的觀測點附近有一道矮墻，需考慮矮墻遮擋對觀測數據精度的影響。經過測試，當各觀測點天線距地面距離2m左右時，觀測數據的精度能滿足要求。

（3）北斗變形監測系統的5個觀測點沿壩軸線方向基本布成直線，便于調試時各觀測點數據比較。

玉溪水電站北斗變形監測系統按最優方案完成布點，安裝和調試后，運行了2年時間，各觀測點的定位精度達到毫米級，比較穩定。在這2年時間里選取水庫水位相近、時間間隔較長的2組數據進行比較，比較結果符合混凝土大壩水位相近時細微變形的規律（在5個觀測點中，G204點和G205點因在閘門防腐期間觀測中斷過2個月，數據比較時不列入）。比較結果見表2。

2 結語

目前，北斗系統已經在我國社會導航、定位等領域得到廣泛的應用。北斗變形監測系統應用于混凝土大壩要注意以下四點：

（1）混凝土大壩的變形比較細微，對監測數據精度要求很高，北斗變形監測系統安裝時要因地制宜地進行多方案比較和調試，提高定位精度。

（2）北斗變形監測系統的基準點所在位置應視野開闊，遠離庫區水面，遠離高壓輸電線。北斗變形監測系統是使用差分技術，將基準點位置已測定的精確坐標和實時測得的坐標進行比較，得出修正值，再利用這個修正值來修正觀測點的實測值。在此基礎上數據處理軟件進行優化計算，實現毫米級監測。顯然，北斗變形監測系統對基準點的要求較高。[4]

（3）觀測點附近如有矮墻遮擋，可采用加高觀測墩的方法。

（4）影響北斗變形監測系統定位精度的因素很多，如地球同步衛星漂移引起的誤差等。為此，最好在各觀測點邊上設置人工觀測點，發現測值異常時及時進行人工觀測，進行數據比較和分析。

參考文獻：

[1]侯海東，楊艷慶，劉垚，王恒信.北斗衛星導航系統在變形監測中的應用展望[J].測繪與空間地理信息，2015，38（7）：142.

[2]張光勝，李任之，程鋼.GPS多路徑效應實驗測試與分析研究[J].測繪工程，2014，23（12）：32.

[3]鐘漢華.水工監測工[M].鄭州：黃河水利出版社，2015：143.

[4]李新照.基于北斗的差分技術在散貨碼頭堆場管理中的應用[J].港口科技，2018（8）：27.

作者簡介：葉建嶠，男，漢族，浙江麗水人，本科，工程師，2017年榮獲浙江省水工監測工職業技能競賽理論考試第三名，主要從事水利工程運行管理工作。