淺談GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在引漢濟(jì)渭黃金峽水利樞紐工程中的應(yīng)用

馬光明

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100）

1 工程概況

黃金峽水利樞紐位于漢江干流上游峽谷段漢中市洋縣境內(nèi)，是陜西省引漢濟(jì)渭工程的龍頭，施工總工期52個(gè)月。該樞紐擁有當(dāng)前亞洲最大的泵站，總裝機(jī)12.6萬kW，設(shè)計(jì)流量70 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程106.5 m。工程以供水為主，多年平均調(diào)水10億m3，兼顧發(fā)電。

大壩采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程455m，庫容2.21億m3。雖然該工程壩高僅有63.00 m，但是由于地質(zhì)條件十分復(fù)雜，左右岸邊坡開挖高度分別達(dá)到304 m、148 m。

2 使用GNSS變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的必要性

2.1 壩肩地質(zhì)條件差且超高邊坡安全穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的需求

左壩肩邊坡高差大，地質(zhì)條件差，巖石破碎，節(jié)理十分發(fā)育，共有15條斷層，其中有3條特大斷層。這種地質(zhì)條件下，在開挖坡度小于1∶1的自穩(wěn)情況下，可能發(fā)生不穩(wěn)定滑坡體。2016年7月19日左壩肩因地質(zhì)原因發(fā)生大滑坡，邊坡設(shè)計(jì)高度由原來的187 m變?yōu)楝F(xiàn)在的304 m。2019年～2022年度是壩體、電站及泵站施工的高峰期，壩肩安全穩(wěn)定十分重要，每天24小時(shí)全天候監(jiān)測(cè)監(jiān)控壩肩變形情況，做出科學(xué)快速?zèng)Q策非常必要。

2.2 原設(shè)計(jì)方案的不足

原設(shè)計(jì)方案采用全站儀半自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，存在以下不足之處：①容易受霧天、施工揚(yáng)塵、刮風(fēng)、下雨等環(huán)境條件影響，無法根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)開展邊坡監(jiān)測(cè)；②邊坡監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度不高。數(shù)據(jù)下載、處理依賴監(jiān)測(cè)人員手動(dòng)完成，自動(dòng)化程度低，容易出錯(cuò)；③邊坡預(yù)警預(yù)仍采用傳統(tǒng)的人工分析預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)性以及適時(shí)性難以保證；④邊坡工作危險(xiǎn)性高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。架站和立鏡都需要人員步行或攀爬，容易發(fā)生安全事故。

3 邊坡GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)原理與可行性分析

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)原理

GNSS是全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，泛指美國的GPS、俄羅斯的GLONSS、歐盟的GALIEO及中國的COMPASS（北斗），目前應(yīng)用范圍較廣的是美國的GPS。GNSS可為用戶提供全天候的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，在勘察勘探、航空航海、地殼監(jiān)測(cè)和工程安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

其基本原理是在穩(wěn)定的非變形區(qū)域設(shè)置基準(zhǔn)站，在變形監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)站，基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站安裝的GNSS接收機(jī)同步接收天空中衛(wèi)星信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將同一時(shí)刻的GNSS接收機(jī)獲得的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)處理中心，專業(yè)的監(jiān)測(cè)軟件對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)解算處理，解算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，精度可達(dá)毫米級(jí)。平差解算后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)傳入監(jiān)測(cè)軟件的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為用戶及時(shí)提供預(yù)警預(yù)報(bào)信息。

3.2 可行性分析

要實(shí)現(xiàn)GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，前提是衛(wèi)星信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)通訊、供電和交通等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)條件的具備。基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)條件良好，才能順利實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的安裝，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)子功能的發(fā)揮，從而保障高精度的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果，給用戶準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報(bào)信。

3.3 GNSS變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)可行性試驗(yàn)研究

采用9臺(tái)GNSS接收機(jī)，前后對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行了三次靜態(tài)相對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)嚴(yán)密平差、似大地水準(zhǔn)面精化后，將獲得的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)成果與同期次的全站儀半自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明GNSS靜態(tài)測(cè)量的成果精度可靠，完全能滿足邊坡監(jiān)測(cè)平面位置誤差±5 mm，高程中誤差±5 mm的限差要求。實(shí)地勘察GNSS接收機(jī)收星信號(hào)、通訊和電源等的實(shí)施條件，發(fā)現(xiàn)黃金峽水利樞紐區(qū)域具備實(shí)施GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的良好條件。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本工程GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程。該系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)及工程建造依據(jù)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

4.2 總體布置

該系統(tǒng)的后端數(shù)控中心，布置在樞紐良心溝信息樓；接收機(jī)天線布置在樞紐兩岸邊坡的觀測(cè)墩上，其主機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸傳感器布置在邊坡附近交通便利區(qū)的機(jī)柜內(nèi)，就近接入電源和網(wǎng)絡(luò)。

4.3 數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測(cè)站布置

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括GNSS接收機(jī)、接收機(jī)天線、天線罩和輔助設(shè)施等。

2）左岸邊坡監(jiān)測(cè)站的布置

左岸邊坡共設(shè)28個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。供電電源選用國網(wǎng)電源及已建成的的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的太陽能電源。網(wǎng)絡(luò)利用通過邊坡的公用網(wǎng)絡(luò)。

右岸邊坡設(shè)計(jì)有5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程設(shè)計(jì)有三級(jí)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)。由接收機(jī)傳輸至前端數(shù)控中心，該段距離較近，且收發(fā)數(shù)據(jù)包含原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，采用無線網(wǎng)絡(luò)的形式；由前端數(shù)控中心向后端數(shù)控中心傳輸時(shí)，由于距離較遠(yuǎn)，且該段有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施齊全，盡量使用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸定位數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸傳感器設(shè)置在機(jī)柜內(nèi)，就近接入電纜線，并入數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。

4）接收機(jī)選型

精度可靠、性能參數(shù)優(yōu)越、價(jià)格適中是選型標(biāo)準(zhǔn)。本工程選擇上海司南公司生產(chǎn)的接收機(jī)，機(jī)型M300net網(wǎng)絡(luò)版。該機(jī)型不僅性能可以達(dá)到國外同類型產(chǎn)品的水平，整體監(jiān)測(cè)功能完備，而且價(jià)格較低，可以滿足項(xiàng)目邊坡的監(jiān)測(cè)需求。接收機(jī)天線選用AT500扼流圈天線，其相位中心極小，抗干擾能力強(qiáng)。

5）數(shù)控制中心

它是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元。中心由機(jī)房、中心網(wǎng)絡(luò)和軟件系統(tǒng)組成，具有數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)管理的功能。后端數(shù)控中心設(shè)置在良心溝信息樓。其硬件是2臺(tái)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接入端口和電源接入端口；軟件是數(shù)據(jù)解算處理軟件和監(jiān)控預(yù)警預(yù)報(bào)軟件。2臺(tái)計(jì)算機(jī)分別安裝數(shù)據(jù)解算處理軟件、監(jiān)控預(yù)警預(yù)報(bào)軟件。

5 系統(tǒng)施工

5.1 設(shè)備安裝

①安裝前對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，連接扼流天線、衛(wèi)星接收機(jī)、RS232轉(zhuǎn)網(wǎng)通訊模塊，通電后檢驗(yàn)設(shè)備是否正常加電自檢是否正常接收衛(wèi)星信號(hào)、是否正常通訊；

②將衛(wèi)星接收機(jī)、RS232轉(zhuǎn)網(wǎng)通訊模塊、太陽能控制器等設(shè)備安裝固定在設(shè)備柜中，用雙絞線連接接收機(jī)和通訊模塊的RS232端口；

③將設(shè)備柜運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，用配套抱箍固定在觀測(cè)墩上；

④將扼流圈天線安裝到對(duì)中基座上，天線的出線位置應(yīng)與設(shè)備柜在同一方向，便于連接；

⑤將扼流圈天線的數(shù)據(jù)線（同軸電纜）引入設(shè)備柜，連接到衛(wèi)星接收機(jī)的相應(yīng)接口；

⑥各設(shè)備接電，檢查設(shè)備電源指示燈是否正常工作。

5.2 防雷系統(tǒng)施工

防雷系統(tǒng)由接地網(wǎng)和避雷針等組成。

5.3 太陽能供電系統(tǒng)施工

由太陽能電池板、電源控制器、蓄電池、地埋箱等組成。施工措施如下：

①電池板用支架固定在觀測(cè)墩上，高度高于周邊植被，避免陽光被遮擋；②將裝好電池板的支架用抱箍固定在參考站觀測(cè)墩上，調(diào)整電池板的對(duì)空角度，以獲得最好的光照角度；③將蓄電池安裝在地埋箱中；④將太陽能控制器安裝到參考站機(jī)柜中；⑤連接電池板、電池、控制器的電纜，并接入衛(wèi)星接收機(jī)、無線網(wǎng)橋。

5.4 通訊系統(tǒng)施工

通訊系統(tǒng)施工內(nèi)容包括：光纜敷設(shè)、光纖熔接、架設(shè)無線網(wǎng)橋、交換機(jī)設(shè)備安裝及部署、通訊系統(tǒng)連接測(cè)試及總調(diào)等。

5.4.1 光纜敷設(shè)

左岸邊坡測(cè)點(diǎn)較多，布線較為復(fù)雜，局部示意圖見圖1。

圖1 左岸邊坡EL519m以上高程光纜布線圖

5.4.2 光纖熔接

光纜到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)光纖終端盒后需進(jìn)行光纖熔接，采用光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接，引出尾纖后需進(jìn)行光通路測(cè)試，合格后將尾纖盤連接到終端盒法蘭和光纖收發(fā)器。

5.4.3 架設(shè)無線網(wǎng)橋

共使用4對(duì)無線網(wǎng)橋，左岸參考站-右岸邊坡EL488 m馬道，右岸參考站-左岸邊坡EL519 m馬道，左岸邊坡EL519 m馬道-右岸邊坡EL488 m馬道，右岸邊坡EL488 m馬道-信息大樓。

該網(wǎng)橋安裝在立桿上，用抱箍固定，網(wǎng)橋與交換機(jī)之間使用屏蔽六類網(wǎng)線連接。該無線網(wǎng)橋工作頻段為5.8GHz，為定向天線，指向性很強(qiáng)，安裝時(shí)需仔細(xì)調(diào)整方向，每對(duì)網(wǎng)橋天線都應(yīng)準(zhǔn)確互指，以獲得最佳信號(hào)強(qiáng)度。

5.4.4 交換機(jī)設(shè)備安裝及部署

共布置3臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，左岸兩臺(tái)24口交換機(jī)，分別位于EL615 m馬道和EL519 m馬道；右岸布置一臺(tái)8口交換機(jī)，位于EL488 m馬道。設(shè)備安裝完成后進(jìn)行線路連通測(cè)試，確保設(shè)備正常工作、線路通暢。

5.4.5 通訊系統(tǒng)連接測(cè)試及總調(diào)

在光纜敷設(shè)、無線網(wǎng)橋架設(shè)、交換機(jī)安裝等工作完成后，進(jìn)行通訊系統(tǒng)連接測(cè)試。在數(shù)控中心訪問每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備、測(cè)試網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度，對(duì)無法訪問的設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)遲緩的測(cè)點(diǎn)，立即檢查通訊線路和通訊質(zhì)量。

5.5 傾斜攝影及變形監(jiān)測(cè)區(qū)域三維地形建模

選擇風(fēng)和日麗、晴朗無云的天氣，用無人機(jī)對(duì)工區(qū)變形監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影。初步估算攝影飛行面積約為6 km2；

攝影完畢后檢查攝影質(zhì)量，若滿足要求即可對(duì)照片進(jìn)行建模運(yùn)算，最終生成監(jiān)測(cè)區(qū)域的三維模型。

5.6 數(shù)控中心施工

主要內(nèi)容為搭建起整套監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收、解算、后處理系統(tǒng)，具體如下：組裝工作站硬件系統(tǒng)；組裝UPS電源、接通電源控制器；安裝操作系統(tǒng)、搭建數(shù)據(jù)庫平臺(tái)；安裝GNSS解算軟件、數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)；架設(shè)無線網(wǎng)橋，調(diào)試網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

5.7 自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)各部分施工、安裝完畢，通訊及供電系統(tǒng)工作正常后，進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段。主要工作內(nèi)容有：參考站及各測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通訊穩(wěn)定性；用專用軟件連續(xù)檢查各測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量，為確定解算軟件參數(shù)提供數(shù)據(jù)；測(cè)試不同的解算參數(shù)，如不同的濾波方法、數(shù)據(jù)時(shí)長、采樣頻率的多種組合，以獲得最佳結(jié)果；設(shè)置數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、連接數(shù)據(jù)庫、設(shè)置報(bào)表格式、圖表樣式等，以符合工程要求；系統(tǒng)連續(xù)不間斷運(yùn)行，通過檢查軟件日志和系統(tǒng)日志了解工作站和各個(gè)軟件的運(yùn)行情況、資源占有率、網(wǎng)絡(luò)通訊速率、硬盤空間占用速率等運(yùn)行信息。

6 結(jié)語

2019年12月全國水利信息化大會(huì)在引漢濟(jì)渭工程現(xiàn)場(chǎng)成功召開，GNSS變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)作為其中一部分得到了展示，其性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果，可在類似工程推廣應(yīng)用。

目前本工程僅對(duì)邊坡外觀變形監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及控制，后續(xù)大壩邊坡及壩體內(nèi)觀亦考慮采用自動(dòng)化采集，以減少人力勞動(dòng)及人為誤差，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)全過程自動(dòng)化，及時(shí)預(yù)警、及時(shí)應(yīng)對(duì)，快速并科學(xué)合理決策。