淺談GNSS自動化監(jiān)測在引漢濟渭黃金峽水利樞紐工程中的應用

馬光明

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，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，是陜西省引漢濟渭工程的龍頭，施工總工期52個月。該樞紐擁有當前亞洲最大的泵站，總裝機12.6萬kW，設計流量70 m3/s，設計揚程106.5 m。工程以供水為主，多年平均調水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，但是由于地質條件十分復雜，左右岸邊坡開挖高度分別達到304 m、148 m。

2 使用GNSS變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)的必要性

2.1 壩肩地質條件差且超高邊坡安全穩(wěn)定監(jiān)測的需求

左壩肩邊坡高差大，地質條件差，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日左壩肩因地質原因發(fā)生大滑坡，邊坡設計高度由原來的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小時全天候監(jiān)測監(jiān)控壩肩變形情況，做出科學快速決策非常必要。

2.2 原設計方案的不足

原設計方案采用全站儀半自動化監(jiān)測，存在以下不足之處：①容易受霧天、施工揚塵、刮風、下雨等環(huán)境條件影響，無法根據(jù)實際需要隨時開展邊坡監(jiān)測；②邊坡監(jiān)測自動化程度不高。數(shù)據(jù)下載、處理依賴監(jiān)測人員手動完成，自動化程度低，容易出錯；③邊坡預警預仍采用傳統(tǒng)的人工分析預報，實時性以及適時性難以保證；④邊坡工作危險性高，勞動強度大。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自動化監(jiān)測原理與可行性分析

3.1 自動化監(jiān)測原理

GNSS是全球衛(wèi)星定位導航系統(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、三維速度和時間信息，在勘察勘探、航空航海、地殼監(jiān)測和工程安全監(jiān)測等領域應用廣泛。

其基本原理是在穩(wěn)定的非變形區(qū)域設置基準站，在變形監(jiān)測區(qū)域設置監(jiān)測站，基準站和監(jiān)測站安裝的GNSS接收機同步接收天空中衛(wèi)星信號，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將同一時刻的GNSS接收機獲得的原始觀測數(shù)據(jù)傳輸至遠端的數(shù)據(jù)處理中心，專業(yè)的監(jiān)測軟件對原始觀測數(shù)據(jù)進行自動解算處理，解算出監(jiān)測點的實時三維坐標，精度可達毫米級。平差解算后的監(jiān)測點數(shù)據(jù)，自動傳入監(jiān)測軟件的預警預報系統(tǒng)，為用戶及時提供預警預報信息。

3.2 可行性分析

要實現(xiàn)GNSS自動化監(jiān)測，前提是衛(wèi)星信號、網絡通訊、供電和交通等基礎設施服務條件的具備。基礎設施服務條件良好，才能順利實現(xiàn)該系統(tǒng)的安裝，實現(xiàn)各項子功能的發(fā)揮，從而保障高精度的自動化監(jiān)測成果，給用戶準確的預警預報信。

3.3 GNSS變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)可行性試驗研究

采用9臺GNSS接收機，前后對邊坡監(jiān)測網進行了三次靜態(tài)相對測量實驗。測量數(shù)據(jù)經嚴密平差、似大地水準面精化后，將獲得的各監(jiān)測點數(shù)據(jù)成果與同期次的全站儀半自動化監(jiān)測結果進行了對比，證明GNSS靜態(tài)測量的成果精度可靠，完全能滿足邊坡監(jiān)測平面位置誤差±5 mm，高程中誤差±5 mm的限差要求。實地勘察GNSS接收機收星信號、通訊和電源等的實施條件，發(fā)現(xiàn)黃金峽水利樞紐區(qū)域具備實施GNSS自動化監(jiān)測的良好條件。

4 系統(tǒng)設計

4.1 設計依據(jù)

本工程GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統(tǒng)工程。該系統(tǒng)的技術設計及工程建造依據(jù)相關的國家標準和相關行業(yè)標準進行。

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；接收機天線布置在樞紐兩岸邊坡的觀測墩上，其主機和數(shù)據(jù)傳輸傳感器布置在邊坡附近交通便利區(qū)的機柜內，就近接入電源和網絡。

4.3 數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測站布置

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

2）左岸邊坡監(jiān)測站的布置

左岸邊坡共設28個監(jiān)測點。供電電源選用國網電源及已建成的的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的太陽能電源。網絡利用通過邊坡的公用網絡。

右岸邊坡設計有5個監(jiān)測點。

3）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)設計

本工程設計有三級數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點。由接收機傳輸至前端數(shù)控中心，該段距離較近，且收發(fā)數(shù)據(jù)包含原始觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，采用無線網絡的形式；由前端數(shù)控中心向后端數(shù)控中心傳輸時，由于距離較遠，且該段有線網絡設施齊全，盡量使用有線網絡傳輸定位數(shù)據(jù)。

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

4）接收機選型

精度可靠、性能參數(shù)優(yōu)越、價格適中是選型標準。本工程選擇上海司南公司生產的接收機，機型M300net網絡版。該機型不僅性能可以達到國外同類型產品的水平，整體監(jiān)測功能完備，而且價格較低，可以滿足項目邊坡的監(jiān)測需求。接收機天線選用AT500扼流圈天線，其相位中心極小，抗干擾能力強。

5）數(shù)控制中心

它是整個系統(tǒng)的核心單元。中心由機房、中心網絡和軟件系統(tǒng)組成，具有數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控和網絡管理的功能。后端數(shù)控中心設置在良心溝信息樓。其硬件是2臺計算機、網絡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)控預警預報軟件。2臺計算機分別安裝數(shù)據(jù)解算處理軟件、監(jiān)控預警預報軟件。

5 系統(tǒng)施工

5.1 設備安裝

①安裝前對主要設備進行檢驗，連接扼流天線、衛(wèi)星接收機、RS232轉網通訊模塊，通電后檢驗設備是否正常加電自檢是否正常接收衛(wèi)星信號、是否正常通訊；

②將衛(wèi)星接收機、RS232轉網通訊模塊、太陽能控制器等設備安裝固定在設備柜中，用雙絞線連接接收機和通訊模塊的RS232端口；

③將設備柜運至現(xiàn)場，用配套抱箍固定在觀測墩上；

④將扼流圈天線安裝到對中基座上，天線的出線位置應與設備柜在同一方向，便于連接；

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

⑥各設備接電，檢查設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墩上，調整電池板的對空角度，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、無線網橋。

5.4 通訊系統(tǒng)施工

通訊系統(tǒng)施工內容包括：光纜敷設、光纖熔接、架設無線網橋、交換機設備安裝及部署、通訊系統(tǒng)連接測試及總調等。

5.4.1 光纜敷設

左岸邊坡測點較多，布線較為復雜，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)測點光纖終端盒后需進行光纖熔接，采用光纖熔接機進行熔接，引出尾纖后需進行光通路測試，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 架設無線網橋

共使用4對無線網橋，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。

該網橋安裝在立桿上，用抱箍固定，網橋與交換機之間使用屏蔽六類網線連接。該無線網橋工作頻段為5.8GHz，為定向天線，指向性很強，安裝時需仔細調整方向，每對網橋天線都應準確互指，以獲得最佳信號強度。

5.4.4 交換機設備安裝及部署

共布置3臺網絡交換機，左岸兩臺24口交換機，分別位于EL615 m馬道和EL519 m馬道；右岸布置一臺8口交換機，位于EL488 m馬道。設備安裝完成后進行線路連通測試，確保設備正常工作、線路通暢。

5.4.5 通訊系統(tǒng)連接測試及總調

在光纜敷設、無線網橋架設、交換機安裝等工作完成后，進行通訊系統(tǒng)連接測試。在數(shù)控中心訪問每一個監(jiān)測點設備、測試網絡響應速度，對無法訪問的設備或網絡響應遲緩的測點，立即檢查通訊線路和通訊質量。

5.5 傾斜攝影及變形監(jiān)測區(qū)域三維地形建模

選擇風和日麗、晴朗無云的天氣，用無人機對工區(qū)變形監(jiān)測區(qū)域進行傾斜攝影。初步估算攝影飛行面積約為6 km2；

攝影完畢后檢查攝影質量，若滿足要求即可對照片進行建模運算，最終生成監(jiān)測區(qū)域的三維模型。

5.6 數(shù)控中心施工

主要內容為搭建起整套監(jiān)測數(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；安裝GNSS解算軟件、數(shù)據(jù)處理軟件平臺；架設無線網橋，調試網絡環(huán)境。

5.7 自動化系統(tǒng)調試

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，進入系統(tǒng)調試階段。主要工作內容有：參考站及各測點的網絡通訊穩(wěn)定性；用專用軟件連續(xù)檢查各測點衛(wèi)星信號質量，為確定解算軟件參數(shù)提供數(shù)據(jù)；測試不同的解算參數(shù)，如不同的濾波方法、數(shù)據(jù)時長、采樣頻率的多種組合，以獲得最佳結果；設置數(shù)據(jù)處理平臺、連接數(shù)據(jù)庫、設置報表格式、圖表樣式等，以符合工程要求；系統(tǒng)連續(xù)不間斷運行，通過檢查軟件日志和系統(tǒng)日志了解工作站和各個軟件的運行情況、資源占有率、網絡通訊速率、硬盤空間占用速率等運行信息。

6 結語

2019年12月全國水利信息化大會在引漢濟渭工程現(xiàn)場成功召開，GNSS變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)作為其中一部分得到了展示，其性能穩(wěn)定，達到了預期效果，可在類似工程推廣應用。

目前本工程僅對邊坡外觀變形監(jiān)測實現(xiàn)了自動化監(jiān)測及控制，后續(xù)大壩邊坡及壩體內觀亦考慮采用自動化采集，以減少人力勞動及人為誤差，實現(xiàn)安全監(jiān)測全過程自動化，及時預警、及時應對，快速并科學合理決策。