大壩變形GPS雙基站自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姜晨光，石偉南，鞏亮生，閆春茹，李增有

（1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；2.山東省水利廳，山東濟(jì)南 250013；3.山東海河流域水利管理局，山東濟(jì)南 250100；4.河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北石家莊 050021；5.中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊 050021）

目前，水電站大壩的自動化監(jiān)測項(xiàng)目主要包括變形（包括水平位移和豎直位移2個(gè)子項(xiàng)）、滲流（包括滲透壓力和滲流量2個(gè)子項(xiàng)）以及應(yīng)力應(yīng)變等內(nèi)部觀測項(xiàng)目。自動化觀測設(shè)備包括各種傳感器（比如引張線、遙測垂線坐標(biāo)儀、靜力水準(zhǔn)儀、弦式滲壓計(jì)、滲流量儀、應(yīng)力及應(yīng)變傳感器等）、量測控制設(shè)備（MCU）、中央控制設(shè)備、軟件等。雖然目前在大壩監(jiān)測自動化領(lǐng)域取得了很大成績，但系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、有效性、針對性有待進(jìn)一步加強(qiáng)與提高，大壩監(jiān)測自動化有待于在實(shí)用化的基礎(chǔ)上向智能化發(fā)展[1-13]。如何實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測的智能化是科研組近十年來一直在探索與實(shí)踐的問題，通過研究與實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)GPS可以有效實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測的智能化?？蒲薪M在百丈嶺水庫大壩進(jìn)行了相關(guān)的研究與實(shí)驗(yàn)工作，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用單基站GPS進(jìn)行大壩自動監(jiān)測效果不很理想，因此，提出了采用雙基站GPS進(jìn)行大壩自動監(jiān)測的設(shè)想并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。研究表明，雙基站GPS在大壩自動監(jiān)測中具有多方面的優(yōu)勢，是大壩自動監(jiān)測的最佳方法之一。

1 工作原理

GPS定位精度高、可全天候獲取信息、儀器設(shè)備輕巧、價(jià)格比較低廉，目前，GPS技術(shù)作為當(dāng)代最先進(jìn)的空間導(dǎo)航與定位技術(shù)，已經(jīng)在各個(gè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

GPS-RTK技術(shù)作為GPS技術(shù)的重要進(jìn)展之一，具有快速、高效、實(shí)時(shí)、精確的特點(diǎn)，其定位速度已達(dá)2 s以內(nèi)，定位精度也達(dá)到亞毫米級，若利用差分技術(shù)則其三維定位精度可達(dá)毫米級。GPS-RTK技術(shù)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)與遠(yuǎn)端辦公室的同步數(shù)據(jù)通訊。GPS-RTK技術(shù)的操作方法是：首先，必須建立或設(shè)置一個(gè)固定的GPS基站，然后在基站控制區(qū)域（一般為距基站10～20 km的圓形區(qū)域）內(nèi)采用流動GPS接收機(jī)（稱流動站）瞬時(shí)定位，流動GPS接收機(jī)的數(shù)量可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)，基準(zhǔn)站與流動站間通過數(shù)傳電臺進(jìn)行同步聯(lián)絡(luò)，獲得流動站每一瞬間的三維空間坐標(biāo)信息。GPS-RTK監(jiān)測時(shí)要求基站位置地勢高、周圍200 m范圍內(nèi)不能有GPS信號反射體和可能導(dǎo)致多路徑效應(yīng)的物體（比如：高大建筑物、大面積水域、高壓線、通訊設(shè)備、微波站等）。GPS-RTK的顯著優(yōu)點(diǎn)是不要求GPS基站與GPS流動站間通視。GPS-RTK技術(shù)可借助GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，GPRS是移動通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，特別適合于間斷性、頻繁性的少量數(shù)據(jù)傳輸。另外，無線藍(lán)牙通訊方式也使GPS-RTK徹底擺脫了通訊電纜的束縛，使GPS-RTK的結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步簡化，操作更加簡捷。

項(xiàng)目組開發(fā)的雙基站GPS大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算采用差分解算模型（DGPS模型），計(jì)算模型設(shè)計(jì)采用了基于Kalman濾波技術(shù)的三差量測算法（或叫三差擴(kuò)展Kalman濾波算法）[14]，算法軟件可直接接收并處理來自遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)上GPS接收器發(fā)來的原始數(shù)據(jù)，為大壩監(jiān)測提供毫米精度的變形數(shù)據(jù)。

2 組建方法

為便于敘述問題，以百丈嶺水庫大壩為例，見圖1。百丈嶺水庫大壩是一座混凝土重力壩，壩長806 m，壩高97.2 m，設(shè)計(jì)庫容0.36×108m3。百丈嶺水庫大壩雙基站GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)包括布置在大壩壩頂?shù)幕炷翗渡系?個(gè)測點(diǎn)和兩個(gè)GPS基準(zhǔn)點(diǎn)，一個(gè)GPS基準(zhǔn)點(diǎn)A位于大壩左肩的山頂上，另一個(gè)B位于大壩右肩的山頂上。這樣就能很容易地給大壩上的每個(gè)測點(diǎn)分別建立兩條獨(dú)立的基線，同時(shí)也能通過解算兩基準(zhǔn)點(diǎn)間的基線完整地觀測基準(zhǔn)點(diǎn)。GPS監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以在位于百丈嶺大壩的儀器室直接處理，也可通過局域網(wǎng)傳輸?shù)桨僬蓭X水庫管理局辦公室。

百丈嶺水庫的監(jiān)測實(shí)踐證明，天空能見度比較高時(shí)，GPS實(shí)時(shí)觀測得到的各測點(diǎn)的三維坐標(biāo)精度可優(yōu)于6.5 mm（水平觀測和垂直觀測的精度大約在3～5 mm之間，24 h時(shí)段觀測精度能達(dá)到1～2 mm）。將GPS觀測數(shù)據(jù)與通過其它技術(shù)（包括鉛垂線和裂縫計(jì)）觀測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其表現(xiàn)出了很好的吻合性。借助A、B兩個(gè)GPS基準(zhǔn)點(diǎn)能對大壩上的每個(gè)測點(diǎn)使用兩套獨(dú)立的方法進(jìn)行計(jì)算。由于GPS的精度是絕對的，所以這兩個(gè)獨(dú)立的測量結(jié)果能不斷與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)精度進(jìn)行比照，從而提供完整的序列化觀測數(shù)據(jù)。大壩上每個(gè)測點(diǎn)兩個(gè)獨(dú)立過程之間的誤差很小，兩個(gè)獨(dú)立方案之間的差別可提醒操作人員找出偏差的原因并及時(shí)進(jìn)行糾正。

圖1 百丈嶺水庫大壩雙基站GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.1 Distribution of the double basis stations GPS automaticmonitoring system at Baizhangling reservoir

百丈嶺大壩監(jiān)測證明，兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的計(jì)算成果在GPS允許的誤差范圍內(nèi)且彼此吻合得非常好。為確保長期觀測的精度，GPS監(jiān)測系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)必須有穩(wěn)定的參照標(biāo)石并確保觀測連續(xù)進(jìn)行，這樣，當(dāng)大壩可能發(fā)生位移時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)的精確測量結(jié)果須能夠做出正確的判斷。

3 監(jiān)測效果

對百丈嶺水庫大壩雙基站GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)制定了三個(gè)指標(biāo)評價(jià)體系，分別是系統(tǒng)錯(cuò)誤分析、重復(fù)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算結(jié)果精度分析。

系統(tǒng)錯(cuò)誤分析采用2σ準(zhǔn)則作為判斷依據(jù)，大量監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，相對于同一基準(zhǔn)點(diǎn)，7 d三維變形平均值與24 h三維變形平均值的差值中誤差為σ=±2.73 mm（其中，水平變形中誤差為±1.16 mm、豎向變形中誤差為±2.47 mm）。不同基準(zhǔn)點(diǎn)的三維變形差值（即2個(gè)GPS基準(zhǔn)點(diǎn)間的系統(tǒng)誤差，或稱固定性差值）或基準(zhǔn)點(diǎn)與垂線儀間的系統(tǒng)誤差（也為固定性差值）大致為恒量，系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)就存在，中誤差σ=±1.96 mm（其中，水平變形差值中誤差為±0.93 mm、豎向變形差值中誤差為±1.73 mm），當(dāng)監(jiān)測結(jié)果超過2σ即系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤（系統(tǒng)軟件會自動給出提示并報(bào)警），此時(shí)應(yīng)查找原因予以解決。監(jiān)測實(shí)踐表明超差幾乎都由觀測環(huán)境變差引起（比如太陽黑子活動性增強(qiáng)、磁暴、地球攝動幅度急變等）。

重復(fù)數(shù)據(jù)分析以瞬時(shí)三維變形觀測值與24 h三維變形平均值的差值τ作為判斷依據(jù)，當(dāng)│τ│≥5.46 mm時(shí)即認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤（系統(tǒng)軟件也會自動給出提示并報(bào)警），此時(shí)也應(yīng)查找原因予以解決。監(jiān)測實(shí)踐表明超差幾乎也都由觀測環(huán)境變差引起（比如太陽黑子活動性增強(qiáng)、磁暴、地球攝動幅度急變等），大量監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示│τ│＜5.59 mm。

計(jì)算結(jié)果精度分析借助最小二乘原理由系統(tǒng)軟件自動完成，計(jì)算公式為：

式中，V為改正數(shù)，n為觀測次數(shù)，V=Xi-X，Xi為觀測值、x為平均值。

圖2～4顯示了測點(diǎn)3的DGPS數(shù)據(jù)和垂線儀觀測數(shù)據(jù)，曲線正值表示大壩向上游變形、負(fù)值表示大壩向下游變形。圖中顯示的是2年的觀測數(shù)據(jù)，這些圖清晰地顯示DGPS數(shù)據(jù)和垂線儀觀測數(shù)據(jù)的變化非常接近。從圖2～4可以看出，測點(diǎn)3的DGPS數(shù)據(jù)和垂線儀觀測數(shù)據(jù)間有明顯的偏差（經(jīng)分析，偏差的原因是兩個(gè)系統(tǒng)安裝時(shí)間不同，因而得到了不同的初始數(shù)據(jù)）。圖2和圖3分別顯示了測點(diǎn)3垂線和A基準(zhǔn)點(diǎn)、B基準(zhǔn)點(diǎn)獲得的DGPS壩體變形數(shù)據(jù)的對比情況，垂線觀測數(shù)據(jù)顯示為實(shí)線、DGPS數(shù)據(jù)為虛線。垂線儀每天自動讀取一次數(shù)據(jù)，而DGPS則每5 s計(jì)算一次變形數(shù)據(jù)，所有5 s的DGPS觀測數(shù)據(jù)24 h平均值見圖2中的虛線，7 d的平均值用點(diǎn)劃線表示。圖4顯示A、B基準(zhǔn)點(diǎn)（參考站）以及垂線儀獲得的大壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。從圖中不難得出A、B兩個(gè)獨(dú)立GPS參考站DGPS數(shù)據(jù)完全一致的結(jié)論，因此，若大壩內(nèi)沒安裝垂線儀，DGPS網(wǎng)絡(luò)至少需要布設(shè)兩個(gè)GPS參考站（即A、B雙基站）。圖5顯示的是測點(diǎn)3的垂線、DGPS（基于A基站）和DGPS（基于B基站）的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)間的差值變化，其大致以10 mm為數(shù)軸呈微小波動，10 mm為DGPS與垂線儀的初值偏差（產(chǎn)生的原因是DGPS與垂線儀是在不同時(shí)期安裝的，10 mm類似于初相位）。圖6顯示的是兩個(gè)DGPS參考站（A、B基站）之間的相對變形，從圖中可以看出基于A基站的DGPS數(shù)據(jù)與基于B基站的DGPS數(shù)據(jù)在2年內(nèi)差值很小，這說明該地區(qū)地層很穩(wěn)定。圖2～6僅僅顯示了第3號監(jiān)測點(diǎn)的平面變形情況，圖7顯示的是第3號監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形情況，實(shí)線代表A參考站的DGPS數(shù)據(jù)，虛線代表B參考站的DGPS數(shù)據(jù)。百丈嶺水庫大壩的豎向變形從安裝了DGPS系統(tǒng)開始觀測，通過這些數(shù)據(jù)可揭示該大壩壩頂每年的沉降情況。

圖2 測點(diǎn)3的垂線和DGPS（通過A基準(zhǔn)點(diǎn)獲得）變形監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.2 Monitored deformation data by plumb-line and DGPS(by basis point A)at the monitoring point No.3

圖3 測點(diǎn)3的垂線和DGPS（通過B基準(zhǔn)點(diǎn)獲得）變形監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.3 Monitored deformation data by plumb-line and DGPS(by basis point B)at the monitoring point No.3

圖4 測點(diǎn)3的垂線、DGPS（基于A基站）和DGPS（基于B基站）的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of deformation data by plumb-line and DGPS(by basis points A and B)at the monitoring point No.3

圖5 測點(diǎn)3的垂線、DGPS（基于A基站）和DGPS（基于B基站）的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)間的差值變化Fig.5 Difference of deformation data by plumb-line and DGPS(by basis points A and B)at monitoring point No.3

圖6 測點(diǎn)3DGPS（基于A基站）和DGPS（基于B基站）之間的相對變形數(shù)據(jù)Fig.6 Relative deformation data monitored by DGPS(by basis points A and B)at the monitoring point No.3

圖7 測點(diǎn)3的DGPS（基于A基站）和DGPS（基于B基站）豎向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of monitored vertical deformation data by DGPS(by basis points A and B)at the monitoring point No.3

4 結(jié) 語

在百丈嶺水庫大壩安裝的6個(gè)GPS測點(diǎn)中，有3個(gè)安裝在原來大壩中布設(shè)的垂線坐標(biāo)儀旁邊，以便和垂線坐標(biāo)儀的觀測結(jié)果進(jìn)行比對。GPS和垂線坐標(biāo)儀的組合配置不僅可比較兩種測量系統(tǒng)的結(jié)果，還可使GPS數(shù)據(jù)成為垂線坐標(biāo)儀系統(tǒng)的工作基準(zhǔn)。從本文圖2～7不難看出，在百丈嶺水庫大壩頂部的水平位移測量中，GPS和垂線坐標(biāo)儀的測量結(jié)果具有很好的一致性。在百丈嶺水庫大壩布置兩個(gè)GPS參考站，使整個(gè)系統(tǒng)對每一個(gè)遙測站點(diǎn)在任何時(shí)間都具有兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的解決方案，借助實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)算獲得的基于兩個(gè)獨(dú)立參考站的監(jiān)測數(shù)據(jù)間的一致性可立即確定整個(gè)系統(tǒng)的精度及準(zhǔn)確度。雙基站GPS大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)將Kalman濾波技術(shù)、三差量測技術(shù)組合應(yīng)用，使大壩全天候（24 h）時(shí)段的三維變形觀測精度得到很大提高（豎向變形測量精度優(yōu)于3 mm）。在變形監(jiān)測中，垂線測量系統(tǒng)只能監(jiān)測大壩在平面上的變形，而GPS系統(tǒng)則可以同時(shí)監(jiān)測大壩在鉛直方向（豎向）和水平方向的變形。

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