基于DGPS系統(tǒng)的大壩安全實時監(jiān)測應用分析

宋春暉

(北京中水科工程集團有限公司,北京 100048)

1 概 述

目前,DGPS已應用于邊坡穩(wěn)定性研究,其中所需精度為厘米。近年來,該技術與無線通信的并行發(fā)展,使測量達到毫米級精度,擴大了DGPS在大型結構運動控制中的應用。在大壩監(jiān)測中,運動幅度取決于幾個參數(shù),如大壩高度、形狀、混凝土類型、接縫拓撲、靜水荷載和溫度[5-6]。本文針對采用DGPS技術進行混凝土大壩運動控制的可行性進行分析,比較兩種不同測量系統(tǒng)(鐘擺和角度準直)的結果,并將其與DGPS程序的結果進行關聯(lián),得出DGPS在大壩運動控制和安全方面的應用結論。

2 實驗研究

2.1 研究區(qū)域

本文以某水庫大壩為研究對象,整個大壩為石結構,見圖1。這座拱形重力壩由混凝土制成,高出地基68m。上游面垂直,下游面坡度為0.4。壩頂海拔1 319m,長340m,寬6m,設有兩條2.25m車道和兩條0.75m人行道。

圖1 大壩的總體視圖

大壩設有4個鐘擺(P-1、P-2、P-3、P-4),所有鐘擺均為直接鐘擺,提供了壩頂相對于檢查廊的位移信息,檢查廊位于較低讀數(shù)裝置,見圖2。

圖2 直擺的位置正視圖

每個鐘擺和檢查廊的交叉處都有讀數(shù)基座。在檢查廊的所有基座和擺錘2(水平廊)的基座,除了手動讀數(shù)裝置外,還安裝了自動讀取裝置。

由于外部誘因(水荷載和溫度),該大壩的長細比使得年周期的徑向運動幅度更為顯著。這些運動大約為35～40 mm,見圖3。目前,該壩使用3種不同的徑向運動聽診技術進行監(jiān)測:直接鐘擺、DGPS和精確角度準直。

圖3 直擺記錄的徑向運動

2.2 DGPS系統(tǒng)和配置說明

DGPS網(wǎng)絡由3部分組成:天線和接收器、通信系統(tǒng)以及處理數(shù)據(jù)的IT系統(tǒng)。選擇大壩頂部的兩個點(AC1和AC2)安裝DGPS移動站,足夠靠近直擺(為P3和P2),目的是比較兩種技術的位移。天線和接收器安裝在大壩頂部,保持大壩軸線對稱,見圖4。參考站位于大壩下游左側邊緣,遠離大壩,以確保穩(wěn)定性。

圖4 直擺位置正視圖

GPS接收器和服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸,最初是通過GPRS進行的,直到大壩安裝了ADSL線路。ADSL在通信質量方面得到較大改善,見圖5。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，HSP27與胃癌、膀胱癌和鼻咽癌等多種實體腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、療效及預后密切相關[7]。THOMAS等[11]研究發(fā)現(xiàn)，HSP27高表達的急性髓系白血病患者的完全緩解率和中位總體生存率均顯著降低，且HSP27的表達與多藥耐藥相關蛋白的表達相關。CHAUHAN等[12]研究發(fā)現(xiàn)，HSP27在BTZ耐藥的淋巴瘤細胞中高表達，且下調 HSP27表達可以逆轉BTZ耐藥。本研究中用CD138＋免疫磁珠分選MM患者的漿細胞，獲得高度富集的骨髓瘤細胞，檢測其HSP27表達量，結果顯示復發(fā)骨髓瘤患者HSP27表達水平顯著高于初治患者，提示HSP27可作為骨髓瘤耐藥的預測因子及評估預后的參考指標。

圖5 大壩DGPS空間布置圖

數(shù)據(jù)處理采用基于DGPS技術的實時應用程序,該應用程序設計用于運動控制,具有較高的實時精度。對實時解決方案進行過濾,以提高準確性。該領域中,一個著名的濾波器是卡爾曼濾波器。該濾波器由一組數(shù)學方程組成,其中一些方程是預測的,另一些則是基于迭代調整,提供了誤差的遞歸估計。該濾波器允許根據(jù)先前位置,將位置調整為觀察到的運動變化率,從而可以在低頻振蕩中實現(xiàn)毫米級精度。第一個預測濾波器方程具有以下結構:

(1)

(2)

卡爾曼濾波器可以進行校準,以緩慢但更準確地回答問題,使其適應較長時間內對變形的日常控制;或以更快但不那么準確的方式,在較短時間內預計發(fā)生較大移動。這種調整是通過改變Q值來實現(xiàn)的,這允許根據(jù)聽診的目標以更高或更低的靈敏度,將濾波器擬合到預測的變化率。Q值大意味著響應快,但測量噪聲的平滑程度較低;Q值小意味著響應慢,但測量噪聲平滑良好。

在本研究中,使用兩個不同的Q值,一個較低的值(Q=1E-13)用于稱為AC的濾波器配置;另一個較大的值(Q=1E-11)用于稱為ACB的配置,其中調整效果非常明顯。AC配置適用于緩慢運動,而ACB允許捕獲結構的更快運動。這兩種配置都是同時執(zhí)行的,是使用相同輸入數(shù)據(jù)的兩種不同的聽診。

此外,還對RINEX(接收器獨立交換)文件進行一年的后處理。每天以10s的間隔記錄RINEX文件,包含第一個頻率(L1)的相位觀測值,還估計了與每次觀測相關的不確定性。

2.3 角度準直

在大壩下游面安裝有21個控制點的地形控制系統(tǒng),見圖6。基于該網(wǎng)絡角度準直,在2021年期間每月進行監(jiān)測,主要目標是控制大壩電站的徑向運動。數(shù)據(jù)采集使用全站儀,并遵循極坐標輻射法,每個點從不同的基地至少讀取兩次讀數(shù)。

圖6 準直系統(tǒng)配置(控制點在下游面)

觀測系統(tǒng)為徠卡TCA2003全站儀,集成測距儀提供了±(1mm+1ppm)的精度,并完全自動化,具有自動目標識別(ATR),包括CCD傳感器。角度精度為±0.5″。

2.4 誤差分析

表1為使用鄰近標準選擇用于比較的成對控制點。

表1 3種方法比較的當量控制點

為了分析實施聽診系統(tǒng)的精度,根據(jù)鐘擺獲得的結果(視為真實運動),均方根誤差(RMS)計算公式如下:

(3)

3 結果與分析

計算兩個時段的DGPS徑向運動均方根誤差:(a)2021年1月至2022年3月(完整時段)和(b)2021年12月至2022年3月(無通信問題-ADSL工作正常),結果見表2。

表2 DGPS測量的徑向運動誤差(兩個時段)

當ADSL通信正常工作時,周期(b)顯示出比整個周期更小的誤差,并且在這兩種情況下,誤差的尺寸都是毫米。計算了2021年1月至2022年3月13個準直讀數(shù)的均方根值,結果見表3。

表3 DGPS測量的徑向運動誤差

圖7為3個位移數(shù)據(jù)集(DGPS、鐘擺和角度準直)沿徑向的演變。圖8為在最后階段DGPS和鐘擺測量的演變,其特征是通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性。結果表明,在分析的月份中,這兩個序列之間具有良好的相關性。

圖7 DGPS、鐘擺和角度準直監(jiān)測結果比較

圖8 DGPS和直擺(AC2 GPS和P-2)監(jiān)測結果比較

為了評估對結果的影響,進行兩種不同的卡爾曼濾波器配置(AC和ACB)。AC配置提供了更多的過濾解決方案,即相對于以前的位置具有更多的“慣性”,是一種具有高精度的良好配置,適用于緩慢、漸進和可預測的運動。而ACB配置提供了過濾較少的解決方案,在運動漸進和可預測的階段精度較低,但允許捕捉對大壩安全有用的變化趨勢和突然運動,見圖9。

圖9 卡爾曼濾波器配置對AC2 GPS測量的徑向運動影響

根據(jù)每日的RINEX文件進行后處理演算,以獲得每個觀測日3個GPS站之間的基線。對于每條基線,使用L1中的雙相位差來求解周期的模糊度。利用這些向量值及其方差-協(xié)方差矩陣進行最小二乘調整,其中調整中的唯一固定點是基站(AC)。此外,還可獲得其他兩個站點的日坐標、標準差和誤差橢圓。調整的平均標準偏差在廠內約為0.4mm,在標高約為0.5mm,保證了工藝的毫米精度。作為補充信息,每天記錄8 640個觀測周期,最長基線為251m。2021年7月至2021年10月期間的后期處理結果以及與每個位置相關的不確定性見圖10。

圖10 后處理和實時DGPS測量結果詳圖

本文計算了鐘擺記錄的徑向位移范圍(視為真實運動)與后處理期間(2021年1月至2022年1月)“實時”和“后處理”獲得的一系列結果之間的均方根誤差。此外,還計算了特定時期(2021年5月15日至6月17日)的均方根值。在此期間,卡爾曼濾波器被改變?yōu)楦邞T性下響應緩慢,公式如下:

(4)

該分析顯示了實時結果的顯著偏差,并證實了在這種情況下后處理產(chǎn)生了更準確的解決方案,見表4、表5和圖11。

表4 基于實時和后處理數(shù)據(jù)的徑向運動誤差(2021年1月至2022年1月)

表5 基于實時和后處理數(shù)據(jù)的徑向運動誤差(2021年5月15日至6月17日)

圖11 卡爾曼濾波器配置對實時解(Q=10～13,除了突出顯示的時間段從2021年5月15日至6月17日,Q=10～15)和后處理解對擺錘P-2的影響

4 結 論

本文將地理信息學實時應用在大壩安全DGPS監(jiān)測中,并將DGPS實時監(jiān)測結果與鐘擺和角度準直的結果進行了比較。結論如下:

1)實時DGPS的平均精度在第一種情況下(總周期)為2.33～3.09 mm,在通信穩(wěn)定情況下為1.44～1.86 mm;精確的角度準直也產(chǎn)生了高精度的解決方案(1.79～2.21 mm),但每月進行一次,表明DGPS適用于大壩的長期性能監(jiān)測。

2)根據(jù)待控制結構的預期或觀測運動速度,選擇卡爾曼濾波器的配置常數(shù)。

3)DGPS技術和精確的角度準直都提供了絕對坐標,而直擺系統(tǒng)是基于相對坐標系統(tǒng),以作為互補的聽診系統(tǒng)。

4)當沒有鐘擺時,為了安全起見,DGPS網(wǎng)絡應該至少包括兩個參考站。卡爾曼濾波器的校準參數(shù)可能會導致實時結果的偏差,作為替代方案,后處理允許在這些時間段內保持高精度。

此外,大壩位于偏遠山區(qū),雷暴頻發(fā),影響GPRS系統(tǒng)初始通信。安裝ADSL后,數(shù)據(jù)質量和準確性會更好。但通信問題導致的數(shù)據(jù)不連續(xù)性,會對DGPS系統(tǒng)的精度產(chǎn)生負面影響。DGPS系統(tǒng)在大壩的監(jiān)測和安全方面非常有用,其可充分檢測到絕對變形,是對現(xiàn)有方法的補充,應該在新的安全計劃中予以考慮。