劉清才
(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第四地質(zhì)勘查院,河南 鄭州450001)
隨著城市建設(shè)步伐的加快,對(duì)土地的占用率越來(lái)越高,土地資源也變得越來(lái)越緊缺,部分沿海城市開(kāi)展填海造田活動(dòng),山地城市則開(kāi)展削山造城活動(dòng)[1]。對(duì)于復(fù)雜且未知的土地環(huán)境,在高層建筑、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑施工過(guò)程中,由于土地結(jié)構(gòu)承載量不同的原因,可能會(huì)對(duì)地基造成不同程度或者是不均勻的沉降,長(zhǎng)此以往,會(huì)對(duì)建筑后期的安全施工和正常使用帶來(lái)嚴(yán)重的影響,甚至?xí)斐删薮蟮墓こ淌鹿屎拓?cái)產(chǎn)損失。因此,在建筑物施工期間和竣工后的使用期間隨時(shí)監(jiān)測(cè)土地的沉降情況[2],以便掌握其變形規(guī)律,為后續(xù)的施工順序安排和必要的安全防護(hù)措施準(zhǔn)備都具有十分重要的意義。
造成地面沉降的原因是多方面且不確定的,這對(duì)監(jiān)測(cè)土地沉降和變形情況帶來(lái)了一定的困難。在以往的監(jiān)測(cè)中,主要依靠傳統(tǒng)的土地沉降測(cè)量手段,如一、二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法[3]。即使這種監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)精度和技術(shù)手段方面都比較成熟有效,但是對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的要求也非常高,天氣變化、環(huán)境改變都會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,而且需要測(cè)站間[4]通視,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能及時(shí)處理,達(dá)不到24 小時(shí)連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)的需求。因此,本文提出了一種基于GNSS的地面灰色沉降信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面沉降信息和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),及時(shí)告知工作人員異常,監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到毫米級(jí),為建筑安全和管理提供強(qiáng)有力的支持。
導(dǎo)致地面沉降的誘發(fā)因素有天然因素也有人為因素,不同的誘發(fā)因素導(dǎo)致的地面沉降現(xiàn)象也不同,如沉降的范圍、擴(kuò)展的速度和持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短[5]等,包括其變形的形式和性質(zhì)也是多種多樣的??赡苁菃我坏囊蛩匾鸬孛娉两?,也可能是多種因素共同作用引起,因此,研究地面沉降的對(duì)象主要是土層性質(zhì)-地質(zhì)作用-人類行為這一系統(tǒng)。通過(guò)研究這個(gè)系統(tǒng)就可以了解地面灰色沉降信息[6]的特性:
(1)采集到的數(shù)據(jù)是灰數(shù)。由于土層的結(jié)構(gòu)、厚度、深度的不同,導(dǎo)致含水量、孔隙比和密度也是不同的。再加上目前還沒(méi)有先進(jìn)的技術(shù)可精確的測(cè)量出這些數(shù)據(jù),以及環(huán)境的干擾、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤差等都會(huì)導(dǎo)致以上這些數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式為白數(shù),即灰數(shù),甚至采集到的是失真數(shù)據(jù)。這不僅僅說(shuō)明統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的灰性,也說(shuō)明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的灰性。所以對(duì)于類似數(shù)據(jù),在分析時(shí)都可看作是某一領(lǐng)域內(nèi)真實(shí)值變化的灰數(shù)。
(2)引起地面沉降的因素是灰元。在引起地面沉降的諸多因素中,有很大一部分是不完全明確因素,即使對(duì)于已經(jīng)明確了的因素,也很難實(shí)現(xiàn)量化,而已經(jīng)量化的因素卻又隨時(shí)變化。針對(duì)目前這些已知的誘發(fā)因素,很難考量其究竟對(duì)地面沉降的影響程度是多少,如開(kāi)采地下水會(huì)造成哪種程度的地面沉降。由于已經(jīng)量化的因素處于隨時(shí)變化之中,所以這些數(shù)據(jù)也是灰色的,如開(kāi)采地下水時(shí),土層的含水量隨著開(kāi)采深度的變化也是處于隨時(shí)變化的。
(3)地面灰色沉降信息的各種關(guān)系是灰關(guān)系[7]。首先,引起地面沉降的因素和地面沉降行為之間的關(guān)系是灰關(guān)系。土層性質(zhì)-地質(zhì)作用-人類行為,這些誘發(fā)因素都是灰元,要具體研究其中某一因素與地面沉降的定量映射關(guān)系是幾乎不可能的。其次,土層性質(zhì)-地質(zhì)作用-人類行為,三個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系也是灰色的。最后,各種誘發(fā)因素之間的關(guān)系是灰色的。如人類在改變生態(tài)環(huán)境的同時(shí)可能對(duì)地質(zhì)的營(yíng)力作用產(chǎn)生影響,但是由于這些誘因自身就是灰元,所以這些因素之間的關(guān)系自然也是灰關(guān)系。
因此,土層性質(zhì)-地質(zhì)作用-人類行為這個(gè)系統(tǒng)屬于已知部分,對(duì)于未知的部分不具備灰色系統(tǒng)。
基于GNSS 的地面灰色沉降信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測(cè)站和基準(zhǔn)站采集到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心,監(jiān)控中心作出判別后發(fā)送至云平臺(tái),云平臺(tái)將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)推送給用戶查看和訪問(wèn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。
圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在基準(zhǔn)站和各個(gè)監(jiān)測(cè)站設(shè)置數(shù)據(jù)采集終端,采用GNSS 靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù),對(duì)GNSS 導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不間斷的監(jiān)測(cè)收集數(shù)據(jù),將采集到的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心,并在本地文件夾中保留備份。
監(jiān)控中心對(duì)接收到的觀測(cè)數(shù)據(jù)依據(jù)時(shí)間段的不同作出分析處理,將解算結(jié)果顯示在可視化顯示屏上,并推送至云平臺(tái),以便工作人員訪問(wèn)云平臺(tái)和遠(yuǎn)程查看解算結(jié)果;云平臺(tái)對(duì)接受到超出安全范圍的地面沉降量會(huì)做出實(shí)時(shí)報(bào)警信息推送。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在現(xiàn)有地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,依據(jù)測(cè)量規(guī)范,利用人工測(cè)量建筑物或者基準(zhǔn)站來(lái)安裝GPRS信號(hào)接收機(jī),實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。通過(guò)遠(yuǎn)程通信技術(shù)和監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),與系統(tǒng)內(nèi)部建立的長(zhǎng)期觀測(cè)任務(wù)相結(jié)合,對(duì)獲取的各類觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理,并以圖表形式展現(xiàn)。對(duì)易發(fā)生自然地質(zhì)災(zāi)害地段實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)和處理。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下:
(1)24 小時(shí)連續(xù)不間斷采集基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的地面沉降數(shù)據(jù);
(2)根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)需要,對(duì)每個(gè)基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站輪流進(jìn)行監(jiān)測(cè);
(3)監(jiān)控中心對(duì)接收到的觀測(cè)數(shù)據(jù)可進(jìn)行準(zhǔn)確判別和處理;
(4)利用連通管原理實(shí)現(xiàn)GNSS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù);
(5)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理,方便報(bào)警系統(tǒng)識(shí)別信息;
(6)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以圖表的形式展現(xiàn),并實(shí)現(xiàn)打印功能。
4.1.1 數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集終端在GPS 模塊的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了GPRS信號(hào)接收機(jī)、STM32F103ZET6 微處理器、SD 卡存儲(chǔ)器、SIM800模塊和電源模塊。SIM800模塊通過(guò)UART串口與STM32 通信,SD 卡存儲(chǔ)器通過(guò)SPI 總線與STM32 實(shí)現(xiàn)通信。為了避免戶外GPRS網(wǎng)絡(luò)由于不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)誤差,所有GNSS 原始數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在SD 卡存儲(chǔ)器內(nèi)。SD卡存儲(chǔ)器通過(guò)定時(shí)發(fā)送、定時(shí)中斷的形式將不同時(shí)間段的原始數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計(jì)圖如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計(jì)圖
數(shù)據(jù)采集終端主控制器選擇STM32F103ZET6,其芯片上可大量設(shè)置UART、I2C、SPI、DMA等各類外部設(shè)備常用接口,以供各類不同設(shè)備連接,確保系統(tǒng)后期擴(kuò)展的需要。
信號(hào)接收機(jī)選擇LEA-6T型GNSS接收機(jī)。這款信號(hào)接收機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):成本低、精度高,可輸出載波相位、多普勒信號(hào)、測(cè)距碼等衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù),并允許NMEA 0183協(xié)議、RTCM協(xié)議、UBX協(xié)議格式的數(shù)據(jù)輸出??山柚鶸-Center 軟件對(duì)信號(hào)接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行配置。信號(hào)接收機(jī)通過(guò)UART串口與處理器實(shí)現(xiàn)通信。
由SIM800A實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計(jì)。主要其硬件接口形式多樣,可滿足不同種類的擴(kuò)展需求,如UART串口、I2C、USB 接口等常用設(shè)備接口。SIM800A 模塊功能消耗極低,低功能消耗模式下,僅僅耗電1.0mA。并且其內(nèi)部自帶TCP/IP協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)配置為服務(wù)器模式或者是客戶端模式。信息傳輸模式有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音傳輸或者短信傳輸?shù)榷喾N方式供工作人員選擇。
4.1.2 報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
報(bào)警系統(tǒng)的硬件安裝在監(jiān)控中心內(nèi)部,通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可直接接收來(lái)自云平臺(tái)的報(bào)警消息提醒。當(dāng)監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)到超出地面沉降量安全范圍的數(shù)據(jù)后,通過(guò)云平臺(tái)向報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出消息提醒,報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信息,通過(guò)顯示屏顯示報(bào)警內(nèi)容,并通過(guò)GPRS 模塊向預(yù)先設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信,提醒工作人員異常情況并及時(shí)處理,減少安全隱患帶來(lái)的事故。
報(bào)警系統(tǒng)以STM32F103 做為主控制器,與SIM800模塊、TFT 顯示屏、LED 警報(bào)燈、蜂鳴器和電源模塊構(gòu)成報(bào)警系統(tǒng)。SIM800與STM32F103之間通過(guò)UART串口實(shí)現(xiàn)通信,STM32F103與TFT顯示屏通過(guò)FSMC總線實(shí)現(xiàn)通信,STM32F103 通過(guò)GPIO 口直接控制LED 警報(bào)燈和蜂鳴器。報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如圖3所示。
圖3 報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖
4.1.3 云平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
云平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)以O(shè)neNet 平臺(tái)作為主要構(gòu)成部分。主要是因?yàn)镺neNet平臺(tái)可與多種硬件設(shè)備連接,如MQTT、HTTP、EDP 等。監(jiān)控中心首先與云平臺(tái)建立TCP連接,然后再與對(duì)應(yīng)的設(shè)備建立連接,這里通過(guò)設(shè)備ID和API-Key實(shí)現(xiàn)。按照設(shè)備可接收格式,監(jiān)控中心將觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行打包,傳送至OneNet平臺(tái)服務(wù)器。OneNet平臺(tái)服務(wù)器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)[8-11]首先進(jìn)行本地存儲(chǔ),然后顯示在TFT顯示屏上,提供值班人員訪問(wèn)查看。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要由三個(gè)軟件構(gòu)成:嵌入式軟件、上位機(jī)軟件和系統(tǒng)連通管設(shè)計(jì)。報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集終端程序設(shè)計(jì)屬于嵌入式軟件;監(jiān)控中心程序設(shè)計(jì)屬于上位機(jī)軟件。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要可實(shí)現(xiàn)的功能有:監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的權(quán)限管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理模式、監(jiān)測(cè)結(jié)果可視化顯示和云平臺(tái)接入等方面。
4.2.1 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)
STM32 模塊首先對(duì)軟件外接程序進(jìn)行初始化設(shè)置,SPI 總線通過(guò)UART 串口對(duì)SD 卡存儲(chǔ)器、SIM800A、LEA-6T 等作出設(shè)置。然后通過(guò)二進(jìn)制命令對(duì)GPRS信號(hào)接收機(jī)頻率、數(shù)據(jù)輸出和采樣頻率作出設(shè)置;AT 指令對(duì)GPRS 模塊配置設(shè)置為客戶端模式,并與上位機(jī)通過(guò)TCP 與建立連接。最后STM32 單片機(jī)啟動(dòng)采集觀測(cè)數(shù)據(jù)模式,將采集到的數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在SD 卡存儲(chǔ)器中,并以定時(shí)發(fā)送、定時(shí)中斷的形式將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心,監(jiān)控中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確作出判別并處理。數(shù)據(jù)采集終端軟件框架圖如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)圖
4.2.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)控中心為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最主要的部分,在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)選擇C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),通過(guò)TCP 服務(wù)器與各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)。并且監(jiān)控中心與系統(tǒng)內(nèi)其他程序之間都有聯(lián)系,需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)終端設(shè)備管理、觀測(cè)數(shù)據(jù)分析處理、監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示、云平臺(tái)推送信息以及報(bào)警提醒等功能。系統(tǒng)終端設(shè)備管理方面需要監(jiān)測(cè)終端設(shè)備運(yùn)行情況,對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程配置;數(shù)據(jù)分析處理方面需要結(jié)算每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的位置狀態(tài),以圖表的形式推送至云平臺(tái)。監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)圖如圖5所示。
圖5 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)圖
4.2.3 報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)軟件部分時(shí)選擇STM32 做為主控制器。首先,對(duì)TFT 顯示屏和GPRS 模塊完成初始化操作,然后通過(guò)AT 指令設(shè)置GPRS 模塊配置為服務(wù)器模式,24 小時(shí)連續(xù)不間斷的接收云平臺(tái)推送的消息。當(dāng)云平臺(tái)接收到某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面沉降量超出安全范圍后,采用實(shí)時(shí)推送形式發(fā)送報(bào)警信息,報(bào)警系統(tǒng)在接收到報(bào)警信息后,首先對(duì)報(bào)警信息作出判別,然后發(fā)出相應(yīng)的聲光警報(bào),并以短信形式提醒工作人員及時(shí)查看報(bào)警消息,處理異常情況,減少安全事故的發(fā)生。報(bào)警系統(tǒng)軟件圖如圖6所示。
圖6 報(bào)警系統(tǒng)軟件圖
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連通管原理設(shè)計(jì)如圖7所示。以連通管原理作為測(cè)量地面沉降的理論依據(jù),有n個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)放有一個(gè)容器,注入液體,以液面高度作為距離參考,并使n個(gè)容器之間相互連通。有一個(gè)參考準(zhǔn)基面S,并將各個(gè)容器底端看作是各自的參考點(diǎn),初始時(shí)刻容器Vi(i=1,∧,n)的參考點(diǎn)與S的垂直距離為Gt,參考點(diǎn)與容器液面高度垂直距離為Hi,從而使n個(gè)容器內(nèi)的液體液面保持持平,則有:
圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連通管原理圖1
隨著時(shí)間的變化,各參考點(diǎn)與S的垂直距離發(fā)生改變,分別為hi(i=1,∧,n),容器內(nèi)參考點(diǎn)與液面高度垂直距離也發(fā)生變化,分別為,變化后的連通管原理圖如圖8所示,為使各液面保持相平,則有:
圖8 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連通管原理圖2
由式(1)和式(2)得
通過(guò)式(4)可以看出,對(duì)于不同兩個(gè)時(shí)間段的任意兩個(gè)容器內(nèi)的各自參考點(diǎn),只要知道距離液面的高度,就可以推算出在這不同的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi),兩個(gè)容器所在基礎(chǔ)的相對(duì)垂向上的位移,并且與其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移升降變化沒(méi)有關(guān)系。
在現(xiàn)實(shí)地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,如果以測(cè)點(diǎn)m為基巖標(biāo),i點(diǎn)為分層標(biāo),對(duì)于基巖標(biāo)的相對(duì)位移△hm可忽略不計(jì),那么各分層標(biāo)的垂直位移△hm:
仿真實(shí)驗(yàn)采用LET-6T型信號(hào)接收機(jī)構(gòu)建地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原型。在基線兩端分別安裝一臺(tái)基準(zhǔn)站,一臺(tái)觀測(cè)站。在不同的兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段、其余條件完全相同的情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),兩次實(shí)驗(yàn)基線長(zhǎng)度均為3.082m,時(shí)長(zhǎng)均為35分鐘。兩次實(shí)驗(yàn)得到的基線解算結(jié)果如圖9和圖10所示。
由圖9和圖10兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,用本文所提系統(tǒng)模型進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè),當(dāng)基線長(zhǎng)度為3.082m 時(shí),誤差分別為E-W(東西方向)2.3mm,N-S(南北方向)5.1mm,U-D(垂直方向)3.4mm。
圖9 實(shí)驗(yàn)1解算結(jié)果
圖10 實(shí)驗(yàn)2解算結(jié)果
結(jié)果表明,本文所提設(shè)計(jì)方案符合設(shè)計(jì)需求,在進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí),監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到毫米級(jí),并且實(shí)時(shí)性較高,能夠滿足對(duì)地面沉降灰色信息的自動(dòng)監(jiān)測(cè)要求。
本文提出一種基于GNSS 的地面灰色沉降信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,通過(guò)了解地面沉降信息的灰色特性,提出系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。采用GNSS技術(shù),結(jié)合計(jì)算機(jī)控制,遠(yuǎn)程通信技術(shù),搭建系統(tǒng)原型,成功實(shí)現(xiàn)了基于GNSS的地面沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)對(duì)地面沉降的監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)到毫米級(jí),具有監(jiān)測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn),而且還可實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求。但是目前該系統(tǒng)僅適用于地面灰色沉降信息的監(jiān)測(cè),下一步還需對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí),應(yīng)用于對(duì)水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)等多種變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用2022年2期