水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李彥富，李金明，胡其德，盧 鑫，巫慧林，代 強(qiáng)

(1.四川省玉溪河灌區(qū)運(yùn)管中心，成都，611530；2.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072；3.四川省都江堰水利發(fā)展中心東風(fēng)渠管理處，成都，610081)

0 引言

水閘、大壩、渠道等水工建筑物是水利工程中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是調(diào)節(jié)水資源時間、空間配置的重要手段，在防洪、供水、灌溉等方面發(fā)揮著巨大作用[1]。水利工程建成后，水工建筑物在承受水負(fù)荷作用的同時，還會受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)變動和外部環(huán)境等因素的影響，產(chǎn)生沉降或傾斜變形。若變形量一旦超過允許范圍，會影響水工建筑物的正常使用，形成安全隱患，會直接影響水利工程的安全運(yùn)行，甚至演變成災(zāi)難性事故[2]。因此，對水閘等重要的水工建筑物開展變形監(jiān)測十分必要。

傳統(tǒng)水工建筑物變形監(jiān)測主要以接觸式的全站儀測量和非接觸式的攝影測量方法為主，但傳統(tǒng)的測量方式工作量大，容易產(chǎn)生人為誤差，監(jiān)測頻率也難以滿足安全監(jiān)測實(shí)時性的要求[3]。相較而言，自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以極大地解放人力，能獲取全天候、連續(xù)、高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，技術(shù)優(yōu)勢十分明顯[4]。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)自動化變形監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，但由于垂直測量精度不高，不能完全滿足水閘變形監(jiān)測的需求[5-6]。超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)變形監(jiān)測系統(tǒng)是利用超寬帶微波進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)測距的能力，通過測距值的變化，獲得監(jiān)測點(diǎn)位的形變信息，利用地面移動通信，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)形變的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，該系統(tǒng)水平和垂直位移測量精度可達(dá)毫米級，但易受通視條件和多路徑效應(yīng)的影響[7]。因此，本文結(jié)合GNSS與UWB變形監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)一套水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)，在滿足監(jiān)測精度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對水閘監(jiān)測數(shù)據(jù)的全天候采集、自動快速傳輸、實(shí)時解算處理、監(jiān)測信息可視化以及預(yù)警預(yù)報，為水閘變形監(jiān)測預(yù)警與安全治理提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。

1 建設(shè)目標(biāo)及內(nèi)容

1.1 建設(shè)目標(biāo)

為解決水閘等水利工程變形監(jiān)測難題，探索水閘變形監(jiān)測新方法。面向智慧水利的應(yīng)用服務(wù)結(jié)合水利工程信息化、智慧化等需求，提升水利工程的安全水平和管理工作效率，為水利工程微變形監(jiān)測預(yù)警與安全治理提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。同時，水利工程變形監(jiān)測與安全評價是相互影響、相輔相成的，兩個是相互促進(jìn)、不可分割的。通過監(jiān)測水閘及水工建筑物、周邊堤岸及相關(guān)設(shè)施位移變形，能夠清晰地了解水閘運(yùn)行使用的情況，為水閘安全評價提供有效可靠的基本數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確評估水閘的安全狀況。

1.2 建設(shè)內(nèi)容

針對東風(fēng)渠梁江堰清水河攔河節(jié)制閘開展水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，在充分了解現(xiàn)階段水工建筑物變形監(jiān)測技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩種具有較大優(yōu)勢的GNSS與UWB變形監(jiān)測系統(tǒng)，完成水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)、測試、集成和應(yīng)用部署。主要實(shí)現(xiàn)功能包括變形監(jiān)測在線綜合展示、安全評價、預(yù)警預(yù)報等，為水閘管理人員提供監(jiān)測點(diǎn)的位移實(shí)時信息及歷史信息，提供水閘及建筑物的位移變化趨勢以及預(yù)警預(yù)報功能服務(wù)。

2 項(xiàng)目關(guān)鍵性技術(shù)

2.1 設(shè)備安裝及調(diào)試

在進(jìn)行基站和布網(wǎng)設(shè)置時，一般設(shè)置四個基準(zhǔn)站，若只安裝三個基站時，應(yīng)按照銳角三角形布置，同時為了讓基站的信號輻射覆蓋性能更好，基站安裝高度應(yīng)距離地面一定距離。超寬帶微波結(jié)合GNSS定位在水利工程變形監(jiān)測中的應(yīng)用較少，而GNSS和超寬帶微波的多徑效應(yīng)明顯，對數(shù)據(jù)精度影響較大。因此，應(yīng)結(jié)合測量組的設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)場點(diǎn)位布設(shè)情況，調(diào)整扼流圈和抑徑板的設(shè)置方式，同時調(diào)整GNSS設(shè)備合適的截止高度角，消除或減少多徑效應(yīng)對數(shù)據(jù)精度的影響。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

超寬帶微波數(shù)據(jù)是通過波長分析和相位變化計(jì)算的一維數(shù)據(jù)，對距離變化的感知精度可達(dá)毫米級，而GNSS數(shù)據(jù)是通過接收機(jī)接收差分信號，對監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行靜態(tài)測量基線解算后獲取的三維坐標(biāo)，兩組數(shù)據(jù)集呈非線性關(guān)系。本文設(shè)計(jì)的水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(Extended Kalman Filter，EKF)對不同數(shù)據(jù)集進(jìn)行了融合。通過將測距數(shù)據(jù)送入卡爾曼濾波器，由卡爾曼濾波器根據(jù)基站的定位信息和測量數(shù)據(jù)，解算出監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，該算法是實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的非線性濾波算法，具有運(yùn)算簡單，在工程上易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線高頻信號傳輸?shù)娇刂浦行脑O(shè)備，再通過4G無線網(wǎng)絡(luò)連接到監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器。監(jiān)測傳感設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，通過嵌入式控制模塊將感知的位移變形信息進(jìn)行有效處理，并經(jīng)無線高頻信號發(fā)送至中控設(shè)備。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、處理、存儲和呈現(xiàn)，管理用戶可登錄電腦終端或移動端設(shè)備查看水閘的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)以便及時掌握水閘運(yùn)行狀況。水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)可分為感知層、傳輸層、支撐層和應(yīng)用層，具體分層信息，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

(1)感知層：包括GNSS/UWB監(jiān)測站和GNSS/UWB基準(zhǔn)站，主要感知水閘位移變化情況，將采集的數(shù)據(jù)通過無線高頻信號傳輸?shù)街锌卦O(shè)備進(jìn)行集中儲存。

(2)傳輸層：中控設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到監(jiān)測中心數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過通信模塊向指定IP地址發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。

(3)支撐層：在支撐層，監(jiān)測數(shù)據(jù)中心為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)安全等服務(wù)，滿足系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、存儲、分析處理與安全方面的需求。

(4)應(yīng)用層：根據(jù)不同應(yīng)用需求，分別設(shè)計(jì)面向PC端的應(yīng)用系統(tǒng)和面向移動終端的APP應(yīng)用系統(tǒng)。用戶在任何時間、任何地點(diǎn)，均可通過計(jì)算機(jī)或APP訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)時查看水閘位移變形情況。

3.2 系統(tǒng)硬件組成

本文設(shè)計(jì)的水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)主要將GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)和UWB監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，通過系統(tǒng)融合提高系統(tǒng)監(jiān)測能力及適用性。兩種監(jiān)測系統(tǒng)分別發(fā)揮自身優(yōu)勢，其優(yōu)缺點(diǎn)具有明顯的互補(bǔ)性，如表1所示。GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)、解算站及信息中心平臺組成，每個基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)均包括GNSS接收機(jī)及接收天線、供電系統(tǒng)及控制器、電池、保護(hù)罩、避雷設(shè)備、立桿及安裝支架、數(shù)據(jù)傳輸模塊等設(shè)備，可采用光纖、北斗通訊、無線網(wǎng)絡(luò)等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；UWB監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備端分為中控點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)，中控點(diǎn)是傳感器設(shè)備的控制中心，負(fù)責(zé)工作狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)傳輸，基準(zhǔn)點(diǎn)作為監(jiān)測系統(tǒng)的參考點(diǎn)。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)對比

針對水閘全天候自動變形監(jiān)測的要求，水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)核心硬件可分為監(jiān)測傳感器、中控設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)器及配套設(shè)施，主要包括監(jiān)測站、基準(zhǔn)站設(shè)備、中控傳感器設(shè)備及數(shù)據(jù)服務(wù)器等設(shè)備。監(jiān)測系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件

(1)監(jiān)測傳感器。負(fù)責(zé)GNSS/UWB單頻機(jī)的數(shù)據(jù)采集，其主要由GNSS接收天線、UWB接收天線、供電系統(tǒng)及控制器、防雷及數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成，監(jiān)測設(shè)備按照系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)采集周期將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至中控設(shè)備。

(2)中控設(shè)備。負(fù)責(zé)監(jiān)測站工作狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)傳輸，將監(jiān)測站傳感器所采集的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)街锌卦O(shè)備進(jìn)行存儲，通過無線高頻的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

(3)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器主要對接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過監(jiān)測平臺對監(jiān)測點(diǎn)的位移變形信息進(jìn)行展示，同時對超過設(shè)定閾值的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報處理。

3.3 系統(tǒng)軟件功能

本文將GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)與UWB(超寬帶微波)系統(tǒng)進(jìn)行集成，設(shè)計(jì)一套高精度、智能化的水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)解算、軸線定向、距離方向規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)GNSS與UWB系統(tǒng)的協(xié)同監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)可滿足垂直精度測量要求，解決傳統(tǒng)人工測量外業(yè)工作量大且無法實(shí)現(xiàn)自動化的難題，使得變形監(jiān)測系統(tǒng)向一體化、自動化、智能化轉(zhuǎn)變。該變形監(jiān)測系統(tǒng)能對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域?qū)嵤?shí)時、全天候監(jiān)測，該監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)每分鐘一次的監(jiān)測頻率，全天候24h地監(jiān)測，通過建設(shè)可視化平臺并設(shè)定預(yù)警閾值，可實(shí)現(xiàn)水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)的可視化及預(yù)警預(yù)報功能。

根據(jù)水利工程管理者對水閘及建筑物變形監(jiān)測的功能需求，本監(jiān)測系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)四個功能模塊，包括綜合展示模塊、實(shí)時監(jiān)測模塊、安全評價模塊和預(yù)警預(yù)報模塊。

(1)綜合展示模塊。依據(jù)自動化變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過圖形的方式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時展示，用戶可選擇不同時間長度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，查看一個或多個不同點(diǎn)位的走勢圖，在圖形上可查看具體監(jiān)測點(diǎn)位的位移變化量大小，移動方向等功能。

(2)實(shí)時監(jiān)測模塊。通過實(shí)時監(jiān)測模塊可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)位的位移變化量進(jìn)行實(shí)時采集，并通過圖形展示模塊呈現(xiàn)出實(shí)時變化的位移時間曲線，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與前期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以分析一段時間內(nèi)水閘的位移變化量。

(3)安全評價模塊。通過對設(shè)定時間周期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)自動對水閘位移變化量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并做出安全穩(wěn)定性評價。通過預(yù)測分析監(jiān)測點(diǎn)位移變化趨勢，并綜合考慮水閘受地質(zhì)、外部環(huán)境等影響因素，對今后一段時間整個水閘及建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

(4)預(yù)警預(yù)報模塊。根據(jù)水閘變形監(jiān)測的預(yù)警方案，通過可視化智能監(jiān)測預(yù)警平臺，根據(jù)預(yù)設(shè)閾值相關(guān)規(guī)則，自動對異常點(diǎn)位的形變發(fā)出預(yù)警。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)已應(yīng)用于都江堰灌區(qū)東風(fēng)渠梁江堰節(jié)制閘的變形監(jiān)測。該節(jié)制閘始建于20世紀(jì)70年代初，于2004年改造，樞紐以上流域集雨面積約116km2，梁江堰攔河節(jié)制閘共有5孔，每孔凈寬7m，設(shè)計(jì)流量200m3/s。由于閘門及配套建筑物和渠道兩岸長期受較大水流沖擊以及其他地質(zhì)因素的影響，產(chǎn)生的位移及變形會影響閘門及建筑物的穩(wěn)定性，因此有必要對其進(jìn)行安全監(jiān)測。

通過在該節(jié)制閘布置8套GNSS/UWB監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備，對閘房及配套建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測，現(xiàn)場部分變形監(jiān)測站見圖3。管理人員可以通過平臺查看監(jiān)測點(diǎn)的位移實(shí)時信息及歷史信息，掌握水閘及建筑物的位移變化趨勢，特別是在汛期時，管理者能及時掌握水閘安全狀態(tài)信息，系統(tǒng)應(yīng)用界面如圖4所示。當(dāng)水閘及建筑物變形超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)會及時進(jìn)行預(yù)警預(yù)報，對保證水閘安全運(yùn)行具有重要意義。

圖3 水閘變形監(jiān)測站現(xiàn)場布置

(a)系統(tǒng)主界面

(b)位移監(jiān)測

(c)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)

(d)歷史數(shù)據(jù)查詢 圖4 系統(tǒng)應(yīng)用界面

5 結(jié)語

水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)將衛(wèi)星定位技術(shù)與超寬帶微波定位技術(shù)相結(jié)合，解決了使用單一監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測能力方面不足的問題。通過系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，可獲取較高的監(jiān)測精度，滿足水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，確保水工建筑物安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。隨著水利信息化水平的發(fā)展，以水閘變形監(jiān)測系統(tǒng)為代表的自動化監(jiān)測技術(shù)，將在水利工程變形監(jiān)測及安全預(yù)警方面發(fā)揮更大作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。