基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)

肖 成，陳顯龍，艾為桂

(1.上海恒樺可力科技發(fā)展有限公司，上海200333;2.北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司，北京100011;3.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430072)

基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)

肖 成1，陳顯龍2，艾為桂3

(1.上海恒樺可力科技發(fā)展有限公司，上海200333;2.北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司，北京100011;3.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430072)

介紹一種基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測塔筒在不同環(huán)境、各種載荷作用下的工作性能，采用Kalman濾波原理對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析。采用米度測控單雙頻自動變形監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)的監(jiān)控中心軟件，對風(fēng)電場塔筒進行安全監(jiān)測管理。經(jīng)過工程試驗和數(shù)據(jù)分析，說明利用GPS可以有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測塔筒工作狀態(tài)，為風(fēng)電場塔筒的承載能力、工作狀態(tài)和耐久性評估提供參考依據(jù)。

GPS;塔筒;監(jiān)測;Kalman濾波

一、引 言

風(fēng)能是現(xiàn)今世界各國都十分重視開發(fā)和利用的一種綠色能源。風(fēng)電場塔筒是風(fēng)力發(fā)電的塔桿，在風(fēng)力發(fā)電機組中起支撐作用，同時吸收機組震動。要保證風(fēng)力發(fā)電機組的正常運轉(zhuǎn)，就必須保證塔筒結(jié)構(gòu)的安全可靠。風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電塔筒不僅受到自身重力、風(fēng)輪和機艙的重力、作用在塔身上的風(fēng)載荷，還受到通過風(fēng)輪作用在塔筒頂端的氣動載荷、偏轉(zhuǎn)力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒軸心傾斜度、振動頻率及振幅都是塔筒結(jié)構(gòu)健康狀況的重要參數(shù)，對這些參數(shù)進行實時監(jiān)測可以檢測塔筒能否正常使用。

加速度傳感器法、位移傳感器法和全站儀自動掃描法是現(xiàn)今常用于結(jié)構(gòu)動態(tài)變形監(jiān)測的幾種方法。但傳統(tǒng)的觀測技術(shù)受其能力所限，已經(jīng)不能滿足大型構(gòu)筑物動態(tài)監(jiān)測的需求。隨著現(xiàn)代硬件技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及通信技術(shù)的發(fā)展，一門新興技術(shù)——GPS監(jiān)測技術(shù)逐漸發(fā)展起來，國內(nèi)外運用GPS監(jiān)測技術(shù)對建筑物的實時健康監(jiān)測也日漸增多，如加拿大Loves等于1993年對高160 m的卡爾加里塔用GPS進行了強風(fēng)作用下的振動測量;德國Breuer等于1999年對高155 m的電視塔進行了風(fēng)載荷作用下的振動測量;陳永奇等于1999年對高325 m的深圳地王大廈進行了二次振動測量;過靜珺等于2000年對虎門大橋進行GPS實時位移監(jiān)測等。尤其是近幾年，GPS監(jiān)測技術(shù)在對高聳構(gòu)筑物監(jiān)測方面得到了較大的發(fā)展和突破。

本文介紹了一種全新的基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測塔筒在不同環(huán)境、各種載荷作用下的工作性能，并通過監(jiān)控中心軟件對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析，對風(fēng)電場塔筒進行安全監(jiān)測管理。

二、工程概況

本文以實際工程為基礎(chǔ)，設(shè)計的基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)是一個集結(jié)構(gòu)分析計算、計算機技術(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，旨在創(chuàng)建一個功能強大并能真正長期用于結(jié)構(gòu)損傷和狀態(tài)評估、滿足位移監(jiān)測的需要，同時又具經(jīng)濟效益的結(jié)構(gòu)健康安全的監(jiān)控系統(tǒng)。

基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)，建立了實時的安全監(jiān)測平臺，對塔筒的振幅、頻率、中心點位置進行實時監(jiān)控;可實時記錄塔筒在外部因素(風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度等)下的運行狀態(tài)，建立結(jié)構(gòu)本身健康檔案;可驗證風(fēng)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，為完善設(shè)計理論和開創(chuàng)新的設(shè)計方法提供試驗依據(jù);同時也可實現(xiàn)動態(tài)的結(jié)構(gòu)危險性分析、評價和預(yù)警，為風(fēng)電塔筒的運營管理、養(yǎng)護維修、可靠性評估及科學(xué)研究提供技術(shù)依據(jù)。

本風(fēng)電場塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)組成:傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控中心子系統(tǒng)、輔助支持子系統(tǒng)。本文根據(jù)設(shè)計原則和設(shè)計依據(jù)，從4個子系統(tǒng)建設(shè)出發(fā)，分別進行系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)試驗現(xiàn)場的實際情況，擬布設(shè)兩個GPS基準(zhǔn)站和30個塔筒監(jiān)測點。該系統(tǒng)整體模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體模塊圖

1.傳感器子系統(tǒng)

本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器子系統(tǒng)由布置在風(fēng)電場辦公室附近的GPS基準(zhǔn)站和安裝在塔筒頂部GPS監(jiān)測點組成，系統(tǒng)選用米度測控監(jiān)測專用GPS雙頻接收機。

GPS基準(zhǔn)站的建設(shè)主要包括站址選擇、基建、儀器設(shè)備的選擇及設(shè)備安裝。監(jiān)測點GPS天線安裝到塔筒頂部合適的位置，GPS主機置于塔筒頂部的機柜內(nèi)。GPS天線和GPS主機之間通過同軸電纜連接。

2.數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

在本系統(tǒng)設(shè)計中，基準(zhǔn)站和各塔筒監(jiān)測點到控制中心采用光纖進行通信，具有通信穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸速率高、誤碼率較低的特點。

3.監(jiān)控中心子系統(tǒng)

監(jiān)控中心子系統(tǒng)由布置在監(jiān)控中心的小型機系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。監(jiān)控中心機房建設(shè)按照國家相關(guān)規(guī)范設(shè)計施工，主要設(shè)備有電視大屏、監(jiān)測結(jié)果顯示終端、服務(wù)器群、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、UPS電源、軟件管理平臺、報警裝置、防雷接地系統(tǒng)及輔助設(shè)備等。中心平臺對各系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)、預(yù)處理信息、處理結(jié)果等自動存儲備份。監(jiān)控中心平面布置如圖2所示。

4.輔助支持子系統(tǒng)

輔助支持子系統(tǒng)包括外場機柜、外場機箱、配電及UPS、防雷和遠程電源監(jiān)控等部分。

本系統(tǒng)試驗中，需要供電的設(shè)備有控制中心服務(wù)器及輔助設(shè)施，各基準(zhǔn)站、監(jiān)測站GPS接收機及輔助設(shè)施。根據(jù)各項設(shè)計原則，同時考慮本系統(tǒng)供電環(huán)境，對控制中心設(shè)備和各GPS接收機選用不同的供電方式，控制中心選用220 W交流電，并以UPS作為備用電源，同時UPS也起到穩(wěn)壓的功能;監(jiān)測點和基準(zhǔn)站采用太陽能供電，每個點配備150 Ah的蓄電池，可在陰雨天氣下持續(xù)運行1周。

圖2 監(jiān)控中心平面布置圖

監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測站及通信系統(tǒng)由于潛在雷擊危害因素，還要考慮防雷措施，分為直擊雷的防護和感應(yīng)雷電防護。GPS天線和接收機附近必須安裝避雷針，對直擊雷進行防護。本系統(tǒng)需要進行感應(yīng)雷防護的分別為各GPS接收機和控制中心各設(shè)備，對于各GPS接收機內(nèi)部電路板設(shè)計2000 kV的光電隔離電路板，當(dāng)遇到大電流時它會自動切斷電源。對于控制中心各設(shè)備需要采用防電涌設(shè)備，即在空氣開關(guān)后端并聯(lián)一個單項電源避雷器，作為電源部分的避雷，同時電力線在進入UPS之前，同時加裝防電涌防護設(shè)備，隔離UPS和電力線。具體避雷器推薦選用四川中光的ZGB148A－40防電涌設(shè)備和ZGG40－385型號單項避雷器。

5.監(jiān)測設(shè)計原則及技術(shù)依據(jù)

(1)監(jiān)測設(shè)計原則

本文介紹的基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計遵循科學(xué)合理性原則、經(jīng)濟實用性原則和系統(tǒng)可擴展性原則。監(jiān)控對象的選取有科學(xué)和法律依據(jù)，監(jiān)控手段的選取有高科技含量，監(jiān)控效果準(zhǔn)確有效。在保證長期可靠有效的前提下，采用最經(jīng)濟的方案，操作采用最簡潔的使用方法，做到直觀方便、性能穩(wěn)定及維護簡單。系統(tǒng)還設(shè)計有開放性接口，便于功能擴充和監(jiān)測成果的開發(fā)利用，并支持其他監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)分析、人工巡檢記錄等。

(2)監(jiān)測技術(shù)依據(jù)

本文介紹的系統(tǒng)方案設(shè)計，涉及以下相關(guān)規(guī)范:《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)、《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》(CJJ 73—1997)、《精密工程測量規(guī)范》(GB/T 15314—94)、《建筑變形測量規(guī)程》(JGJ/T 8—2007) (GPS)、《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)、《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057—2010)等。

三、動態(tài)特性監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件是本文介紹的基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)的主體軟件，采用的是GPS實時解算軟件技術(shù)，核心算法設(shè)備采用米度測控單雙頻自動變形監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱AMS)。

該監(jiān)控中心軟件使用由上海米度測控科技有限公司自主研發(fā)的全天候檢測系統(tǒng)，利用全球衛(wèi)星定位技術(shù)進行高精度三維空間變形監(jiān)測，通過核心算法實時解算監(jiān)測點的毫米級三維坐標(biāo)。實現(xiàn)各種功能應(yīng)用的同時，建立數(shù)據(jù)庫進行管理和操作，并實時在界面上更新狀態(tài)日志。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

四、結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場試驗，用本文介紹的監(jiān)測方法位置采樣率為1～5 Hz可選。塔筒靜止?fàn)顟B(tài)監(jiān)測精度:平面精度為±3 mm，高程精度為±6 mm;塔筒風(fēng)載震動中實時監(jiān)測精度:平面±10 mm，高程±20 mm。

利用本文介紹的基于Kalman濾波的塔筒GPS監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以準(zhǔn)確地掌控塔筒在常規(guī)載荷作用下的工作性能，而且能夠掌握塔筒在各種極端載荷作用下的工作狀態(tài)。該監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集，也能實時解算輸出塔筒振幅、頻率及塔筒中心位置，同時系統(tǒng)還有數(shù)據(jù)存儲及處理分析功能、綜合預(yù)警功能、防雷及抗干擾功能、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和遠程通信功能，以及其他數(shù)據(jù)備份、掉電保護、自診斷及故障顯示等輔助功能。

在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件能夠安全監(jiān)測管理分析模塊，具備基礎(chǔ)資料管理、各項監(jiān)測內(nèi)容適時顯示發(fā)布、圖形報表制作、數(shù)據(jù)分析、綜合預(yù)警等功能。其中數(shù)據(jù)分析部分包括各項監(jiān)測內(nèi)容趨勢分析、綜合過程線分析等內(nèi)容。

圖3 AMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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The GPS Monitoring System of Tower Based on Kalman Filter

XIAO Cheng，CHEN Xianlong，AI Weigui

0494－0911(2012)08－0028－03

P228.4

B

2012－06－28

肖 成(1975—)，男，甘肅張掖人，主要從事測繪地理信息與智能電網(wǎng)集成應(yīng)用方面的研究工作。