北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)在玉溪水電站的應(yīng)用和研究

摘?要：北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)自動采集和傳輸、優(yōu)化解算等多種先進(jìn)技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中需要因地制宜安裝和精確定位。針對北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)在玉溪水電站試安裝和調(diào)試過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)精度問題，著重闡述了在安裝流程上的創(chuàng)新和多種方案擇優(yōu)過程：將北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)天線裝在可移動構(gòu)架上，建立臨時測站進(jìn)行多種方案比較和調(diào)試，擇優(yōu)合理布設(shè)基準(zhǔn)點和觀測點，加高觀測墩，明顯提高了觀測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)精度，此后連續(xù)2年的位移監(jiān)測成果能體現(xiàn)大壩的細(xì)微變形規(guī)律。這種提高北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)定位精度的方法和在安裝流程上的改進(jìn)，可供同類型的水利工程參考。

關(guān)鍵詞：北斗變形監(jiān)測系統(tǒng);定位精度;點位布設(shè);安裝流程

北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)自動采集和傳輸、優(yōu)化解算等多種先進(jìn)技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)由接收機(jī)、天線、觀測墩、電源設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)控電腦組成，能長期連續(xù)接收和跟蹤衛(wèi)星信號，監(jiān)測各觀測點的變形情況，定位精度可以達(dá)到毫米級。[1]因為混凝土壩表面變形比較細(xì)微，北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于混凝土壩需要盡可能提高定位精度，使位移監(jiān)測成果能體現(xiàn)大壩的細(xì)微變形規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)異常。本文以減少基準(zhǔn)點和各個觀測點周邊不利環(huán)境影響為切入點，闡述了如何通過安裝流程上的創(chuàng)新和多種方案擇優(yōu)，高效的進(jìn)行調(diào)試，合理布設(shè)基準(zhǔn)點和觀測點，使觀測點的數(shù)據(jù)精度能滿足使用要求，對北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)在大壩監(jiān)測方面的推廣應(yīng)用有著一定意義。

1 北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)概況、點位布設(shè)和安裝調(diào)試

1.1 北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)概況

（1）系統(tǒng)硬件組成。系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)、輔助支持系統(tǒng)組成。北斗雙頻接收機(jī)和天線是核心部件。

（2）系統(tǒng)軟件功能。監(jiān)測房電腦上安裝了北斗監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件。該軟件由實時監(jiān)控、統(tǒng)計查詢、報警管理、系統(tǒng)設(shè)置、權(quán)限管理等模塊組成，可進(jìn)行變形數(shù)據(jù)的采集和解算。

（3）系統(tǒng)工作流程。安裝在基準(zhǔn)點和各觀測點的接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號后，通過局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)測房電腦，電腦相關(guān)文件夾上每個小時自動生成一組數(shù)據(jù)文件。監(jiān)測電腦上的北斗監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件應(yīng)用幾何和物理的基本原理，通過優(yōu)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(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

1.2 玉溪水電站概況和北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)點位布設(shè)

玉溪水電站位于浙南山區(qū)，壩址在浙江省麗水市大港頭鎮(zhèn)，是一座以發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)玉溪電站大壩的特點和觀測要求，先進(jìn)行了試安裝：在大壩右壩肩山體邊設(shè)置基準(zhǔn)點，離監(jiān)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(shè)1個觀測點，各點平均間距30m左右。

1.3 北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)安裝調(diào)試和試運(yùn)行期數(shù)據(jù)比較

北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)初步安裝好和調(diào)試后，進(jìn)行了6天的試運(yùn)行。玉溪水電站北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的是大壩東向的水平位移。選取G201點這6天北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)東向的水平位移數(shù)據(jù)和人工觀測的位移數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)是穩(wěn)定的。玉溪電站人工觀測是用視準(zhǔn)線法觀測，每天觀測的成果滿足相應(yīng)的限值要求。這6天人工觀測的數(shù)據(jù)成果最大值和最小值的差值為0.9mm，數(shù)據(jù)波動很小，符合大壩位移量在這期間穩(wěn)定的規(guī)律。而北斗數(shù)據(jù)成果在第四天出現(xiàn)了跳動，達(dá)到4.59mm，顯然不符合要求。

1.4 方案組合

北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)試安裝數(shù)據(jù)成果不符合要求的主要原因是玉溪水電站處于山區(qū)，信號較弱，各觀測點周圍環(huán)境又有遮擋，特別是基準(zhǔn)點，臨近山體和庫區(qū)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(zhǔn)點和觀測點接收機(jī)天線在收到天上衛(wèi)星信號的同時，也收到附近反射體反射的信號，兩者產(chǎn)生干涉，產(chǎn)生多路徑誤差，影響衛(wèi)星定位精度。[2]多路徑誤差是北斗系統(tǒng)定位時的一項重要誤差，會明顯影響衛(wèi)星定位精度，因無法用差分技術(shù)消除，最好的辦法是布點時盡量避開庫區(qū)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(huán)境造成的不利影響，考慮多種影響因素，設(shè)置以下條件：

（1）基準(zhǔn)點位置分別取大壩左側(cè)遠(yuǎn)離山體和高壓輸電線處（限于地形，離水面較近）、大壩右側(cè)離水面較遠(yuǎn)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(jìn)行比較。

1.5 流程改進(jìn)

北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)實際應(yīng)用時，一般的安裝和調(diào)試流程是：安裝單位先根據(jù)經(jīng)驗和規(guī)范定點、布線、澆筑混凝土墩，固定設(shè)備，再調(diào)試。問題在于影響北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)精度的因素很多，安裝單位經(jīng)常要通過數(shù)據(jù)比較才能發(fā)現(xiàn)問題，一旦數(shù)據(jù)達(dá)不到要求，返工耗時又費(fèi)力。為了提高效率，對北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)安裝和調(diào)試流程作了如下改進(jìn)：

（1）業(yè)主先制作好可移動的鐵構(gòu)架再通知安裝單位。安裝單位進(jìn)場后把監(jiān)測系統(tǒng)的天線固定在鐵構(gòu)架上，蓋上保護(hù)罩，天線的電纜連上接收機(jī)，布線，建臨時的測站。

（2）進(jìn)行方案比較，確定長期的基準(zhǔn)點、測站位置。

（3）調(diào)試成功，安裝單位離場。運(yùn)行一段時間，數(shù)據(jù)滿足要求，業(yè)主在構(gòu)架外澆筑混凝土墩即可，澆筑時注意要保護(hù)好電纜。

1.6 擇優(yōu)安裝和調(diào)試

安裝時先按第一個方案，在預(yù)定位置建臨時測站，測出數(shù)據(jù)。換新方案時只需要將鐵構(gòu)架移動至新位置固定，新的臨時測站就建好了，再測出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。就這樣，測出多個方案的觀測數(shù)據(jù)，再通過精度比較得出最優(yōu)方案。然后，玉溪水電站北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)按最優(yōu)方案進(jìn)行布點、安裝和調(diào)試。

（1）基準(zhǔn)點布在左岸大壩變形區(qū)外，地質(zhì)條件好的空曠處，基準(zhǔn)點周圍無明顯障礙物（小型樹木影響不大），離開庫區(qū)水面30多m，離開高壓線200多m，混凝土墩建在堅固與穩(wěn)定的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)精度的影響。經(jīng)過測試，當(dāng)各觀測點天線距地面距離2m左右時，觀測數(shù)據(jù)的精度能滿足要求。

（3）北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)的5個觀測點沿壩軸線方向基本布成直線，便于調(diào)試時各觀測點數(shù)據(jù)比較。

玉溪水電站北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)按最優(yōu)方案完成布點，安裝和調(diào)試后，運(yùn)行了2年時間，各觀測點的定位精度達(dá)到毫米級，比較穩(wěn)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(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果符合混凝土大壩水位相近時細(xì)微變形的規(guī)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(shù)據(jù)比較時不列入）。比較結(jié)果見表2。

2 結(jié)語

目前，北斗系統(tǒng)已經(jīng)在我國社會導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)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(xì)微，對監(jiān)測數(shù)據(jù)精度要求很高，北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)安裝時要因地制宜地進(jìn)行多方案比較和調(diào)試，提高定位精度。

（2）北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)的基準(zhǔn)點所在位置應(yīng)視野開闊，遠(yuǎn)離庫區(qū)水面，遠(yuǎn)離高壓輸電線。北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)是使用差分技術(shù)，將基準(zhǔn)點位置已測定的精確坐標(biāo)和實時測得的坐標(biāo)進(jìn)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(chǔ)上數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行優(yōu)化計算，實現(xiàn)毫米級監(jiān)測。顯然，北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)對基準(zhǔn)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(jiān)測系統(tǒng)定位精度的因素很多，如地球同步衛(wèi)星漂移引起的誤差等。為此，最好在各觀測點邊上設(shè)置人工觀測點，發(fā)現(xiàn)測值異常時及時進(jìn)行人工觀測，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯海東，楊艷慶，劉垚，王恒信.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在變形監(jiān)測中的應(yīng)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(yīng)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(jiān)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(shù)在散貨碼頭堆場管理中的應(yīng)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(jiān)測工職業(yè)技能競賽理論考試第三名，主要從事水利工程運(yùn)行管理工作。