水電站大壩外部變形自動化監(jiān)測技術應用現狀分析

韓榮榮，柳 翔，吳 偉

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

1 概述

變形監(jiān)測是了解掌握水電站大壩及邊坡運行安全性態(tài)最有效、最直接的手段之一。通過分析變形監(jiān)測數據的規(guī)律性和趨勢性，對大壩及邊坡潛在的安全異常狀況進行預報預警，可為除險措施的制定和實施提供及時可靠的參考信息[1]。

傳統的外部變形監(jiān)測方法主要是以光電技術為主體的人工大地測量法，其普遍存在工作量大、對實施人員技術水平要求較高、受氣象條件限制、無法脫離人為干預以實現全天候自動觀測等弊端。目前，人工大地測量法在水電站大壩外部變形測量中仍使用最廣泛[2]。

目前我國水電站大壩及邊坡外部變形自動化監(jiān)測手段主要為基于全站儀智能化全程控制的測量機器人和基于GNSS（全球導航衛(wèi)星系統，由美國GPS系統、俄羅斯GLONASS系統、中國BDS北斗系統和歐洲Galileo衛(wèi)星導航系統等共同組成）的衛(wèi)星測量技術。這兩種測量技術的監(jiān)測結果普遍達到了毫米級的位移精度。

筆者對這兩種自動化監(jiān)測技術在水電站大壩監(jiān)測中的應用效果進行了調研分析。

2 水電站大壩外部變形自動化監(jiān)測實施現狀

統計在國家能源局注冊備案的163座土石壩的外部變形監(jiān)測情況，結果表明：

（1）外部變形監(jiān)測項目主要布置在壩體表面、工程邊坡及庫區(qū)滑坡體等，監(jiān)測所在部位的表面水平位移和垂直位移。

（2）在163座土石壩中，僅有17座局部實現了外部變形自動化監(jiān)測，即僅約10%的土石壩實現了外部變形自動化監(jiān)測。

（3）外部變形自動化監(jiān)測實現方式基本為測量機器人或測量機器人+GNSS結合的方式，17座水電站的外部變形自動化監(jiān)測系統基本都包括測量機器人系統，同時約1/3的水電站（共6座）配套有GNSS監(jiān)測系統。測量機器人主要用于大壩壩體及工作基點與測點視線較短、通視條件較好的近壩工程邊坡；GNSS監(jiān)測技術主要用于周圍環(huán)境開闊、少遮擋的壩頂、高邊坡及庫區(qū)滑坡體。

（4）除糯扎渡等少數水電站在2012年已實現外部變形自動化監(jiān)測外，多數水電站都是在2016年之后陸續(xù)實現外部變形自動化監(jiān)測的。

（5）從設備廠家來看，電力行業(yè)水電站的測量機器人均采用進口的瑞士徠卡測量機器人監(jiān)測系統，GNSS監(jiān)測也大多采用徠卡GNSS監(jiān)測系統。

3 測量機器人外部變形自動化監(jiān)測

3.1 系統簡介

測量機器人是一種能替代人進行自動搜索、跟蹤、辨識、精確照準目標并獲取角度、距離、三維坐標、影像等信息的電子全站儀，也叫自動全站儀，其在全站儀基礎上集成了馬達、影像傳感器構成的視頻成像系統，并配置智能化的控制及應用軟件。在監(jiān)測點安裝固定棱鏡（見圖1），在基準點修筑一體化觀測房（見圖2）、安裝測量機器人（見圖3），通過監(jiān)測軟件實現全自動化監(jiān)測。監(jiān)測方法多樣，如前方交會法、全圓觀測法、極坐標法等，監(jiān)測精度高（可達毫米級），自動化程度高。

圖1 觀測棱鏡Fig.1 Observation prism

圖2 一體化觀測房Fig.2 Integrated observation room

圖3 測量機器人Fig.3 Measuring robot

測量機器人相對人工全站儀觀測的優(yōu)勢主要體現在可實現完全無人值守監(jiān)測，但無法克服類似人工測量的弊端，如測量儀器與監(jiān)測點必須通視，無法實現全天候自動監(jiān)測，惡劣氣候如雨、雪、霧和強日照等條件下其精度會受影響，甚至無法監(jiān)測。

3.2 應用情況

目前，國內主流的進口自動全站儀主要包括瑞士徠卡、美國天寶和日本拓普康。歐洲的產品一般以質量高和精度高為首要追求目標，價格較昂貴，已占據我國水電站安全監(jiān)測絕大部分市場；日本的觀測設備精度較高且價格相對較低，在國外市場占據了較大份額，在我國水電站大壩安全監(jiān)測行業(yè)占有率低于歐洲設備。從我國水電站監(jiān)測行業(yè)調研結果來看，國內接受度最高的全站儀產品為徠卡公司的設備系統。近些年，國內廠家也推出了國產測量機器人系統，設備生產商主要為南方測繪、蘇州一光等，如南方測繪公司在2020年首次推出國產智能化高精度測量機器人NTS-591/592，測角精度1″，測距精度1 mm+1 ppm，但目前在水電站大壩安全監(jiān)測行業(yè)高精度測量方面使用案例較少。

目前進口和國產的幾款常用測量機器人的技術指標比較見表1。從官方公布參數看，進口設備在測量精度上占據絕對優(yōu)勢，國產設備在測量精度方面與進口設備存在較大差距。其中徠卡設備在測角和測距方面精度最高，且由于歷經多年使用實踐，系統穩(wěn)定性經多方驗證，在國內水電站觀測中應用地位穩(wěn)固；國產設備造價較低，價格約為進口設備的1/4～1/3，但由于觀測精度難以滿足水電站高精度監(jiān)測的需要，且系統可靠性等方面缺少論證，在運行期水電站外部變形測量中實際使用較少。

表1 國產和進口測量機器人設備技術指標比較Table 1 Comparison of technicalindicators of domestic and imported measuring robots

3.3 存在問題及發(fā)展趨勢

從現狀來看，約80%以上的水電站的內觀監(jiān)測儀器都已實現自動化觀測，外部變形監(jiān)測自動化成為近些年水電站大壩安全管理的迫切需求。測量機器人被越來越多地使用到水電站大壩安全監(jiān)測領域，在使用過程中也暴露出一些問題，主要表現在多數電站改用測量機器人進行外部變形觀測后，相比人工觀測結果，測值精度反而變差，原因主要在以下幾方面：

（1）改造前后觀測方法的改變：為了提高觀測精度，外部變形人工測量一般采用兩個工作基點交會法，通過增加約束條件進行測量誤差的檢驗，控制測量精度。由于測量機器人造價較高（一般每個測量機器人及工作基點配套設施造價約100萬元），為了節(jié)省投資，電站多采用單機器人觀測模式，因此采用傳統的測量控制參數較少的單后視點極坐標法。有時現場條件受限，極坐標法的后視點距離較近，短邊作為后視點，增大了測點對中及目標偏心誤差對水平角觀測的影響，導致觀測精度較低。與人工大地測量法一樣，測量機器人屬于高精度測量設備，其誤差來源主要是氣象改正、觀測條件等。其中氣象改正要求測定電磁波所經路徑上各點的溫度、氣壓和濕度，但在實際工作中同步實現氣象自動改正代價較高，因此一般未做氣象改正，直接影響了觀測精度。

（2）測量機器人位移解算軟件中的參數設置不符合現行水電站大壩安全監(jiān)測規(guī)范的要求。調查發(fā)現，目前水電站場景中的測量機器人采用的位移解算軟件多為原廠自帶軟件，由于原廠軟件為各行業(yè)通用的位移計算軟件，觀測測回和限差參數等的設置未根據水電站大壩安全行業(yè)規(guī)范進行設計，雖然可控制測量機器人對測點進行實時監(jiān)測和計算，但從現場檢查情況來看，其缺少工作基點穩(wěn)定性校核與檢驗，以及測量作業(yè)質量、邊角交會閉合差計算與檢驗等功能。同時在監(jiān)測數據管理方面有諸多不足，如原始觀測記錄和結果無法方便地提取、查看和備份，不能方便地更換工作基點及其后視點的坐標和點位，無法快速獲取計算選取的投影面高程、氣象改正等基本參數。受技術壁壘的限制，負責設備銷售和售后服務的廠家也未能對進口解算軟件中的“黑匣子”進行破解。

針對上述問題，有關單位開展了對精度提高方法的研究。如受大氣折光等影響，機器人的測邊精度高于測角精度，觀測中盡量采用邊邊交會法，同時觀測時段盡量安排在干擾較少的夜晚；在節(jié)省成本的前提下，考慮采用極坐標差分法，多后視點增加約束條件，提高觀測精度；有單位專門針對水電站場景重新開發(fā)解算軟件，根據行業(yè)規(guī)范要求進行觀測程序設計和限差參數設置，觀測時選用經鑒定精度較高的溫度計、氣壓計雙向多次測量溫度、氣壓，確保氣象改正精度。這些方法都在一定程度上提高了測量機器人在實測中的觀測精度，取得了較好的實踐效果。

4 GNSS外部變形自動化監(jiān)測

4.1 系統簡介

用戶在基準站和測站安裝定位天線（見圖4）和接收機（見圖5），通過接收導航衛(wèi)星發(fā)射的測距信號和導航電文，采用衛(wèi)星星歷解算衛(wèi)星及地面定位點的空間坐標，并采用靜態(tài)相對定位技術確定地面基準站和測站的相對位移，同時通過延長觀測時段（一般在4～6 h），消除觀測噪聲影響，提高計算求解精度，使相對定位精度達到毫米級，現場設備成品見圖6。該技術具有布點靈活、不要求測站之間通視、不受天氣條件影響、可實現全天候、全自動化、連續(xù)觀測、位移監(jiān)測精度高等優(yōu)點。

圖4 定位扼流圈天線Fig.4 Position choke antenna

圖5 衛(wèi)星接收機Fig.5 Satellite receiver

圖6 設備安裝成品Fig.6 Installed equipments

4.2 應用情況

GNSS監(jiān)測設備主要由GNSS接收機和GNSS定位天線組成。國外GNSS接收機生產廠家主要有天寶、徠卡、諾瓦泰等，國內接收機生產廠家主要有北斗星通、司南導航、合眾思壯、華測和中海達等。由于接收天線專業(yè)技術要求和接收機不一樣，一般由專門的廠家生產，國內天線廠家主要有華信、海積和華穎等。

由于GNSS測量精度與可接收衛(wèi)星數量有直接關系，近年來科技工作人員研發(fā)出了GNSS多頻多星接收機，提高了GNSS系統自動化監(jiān)測的可靠性和穩(wěn)定性?；贕NSS多頻多星接收機自動化監(jiān)測系統在水電工程大壩、高邊坡自動化監(jiān)測中的逐步使用，基本形成以國外技術和設備為主導的產業(yè)化行業(yè)解決方案，部分已取得了較理想的使用效果，能夠滿足水電站大壩安全監(jiān)測的需要。由于GPS技術在變形監(jiān)測領域已經應用了30多年，長期處于壟斷地位，目前GNSS數據解算處理等仍主要基于GPS衛(wèi)星導航系統，監(jiān)測系統的傳輸協議、解算軟件等與測量機器人類似，同樣存在“黑匣子”問題，無法直接對其進行再次開發(fā)。

4.3 存在問題及發(fā)展趨勢

GNSS技術在水電站大壩變形監(jiān)測中取得了許多重要的技術成果，限制其推廣應用最主要的因素為：在大山峽谷、密林深處等地區(qū)，由于信號受到遮擋，其接收數據存在失真，影響觀測精度。對于水電站大壩、滑坡等變形體的監(jiān)測，受觀測環(huán)境所限，測站往往遮擋嚴重，從而影響衛(wèi)星的信號接收和幾何構型，降低了變形監(jiān)測的精度和可靠性[2]，且以目前的成果來看，一般GNSS在垂直向的位移精度要明顯低于水平向精度。

近年來，越來越多的衛(wèi)星高精度變形監(jiān)測技術研發(fā)單位開展了國產衛(wèi)星高精度位移監(jiān)測系統的研究工作，主攻方向在接收設備和解算算法兩方面。設備研究主要針對提升國產接收設備高精度定位能力及設備性能，解算算法主要針對衛(wèi)星觀測數據質量評估水平的挖掘和復雜環(huán)境下的衛(wèi)星定位誤差消除技術等。如為了進一步提高垂直方向的位移觀測精度，有單位開展了通過實時氣象數據庫進行模型參數優(yōu)化、網平差模式替代傳統單基線位移解算等研究和試驗工作，取得了良好的使用效果。

2021年7 月，北斗三號衛(wèi)星全球組網成功，標志著我國北斗衛(wèi)星導航系統的服務范圍已覆蓋全球。相比其他衛(wèi)星導航系統，其高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區(qū)，這一優(yōu)勢更明顯。由于其特殊的星座設計，在我國大部分地區(qū)其衛(wèi)星可見數也多于GPS等衛(wèi)星導航系統。隨著BDS衛(wèi)星民用信號頻段開放協議的完善，這一優(yōu)勢會更加明顯，這無疑為北斗高精度位移監(jiān)測提供了無限可能。

5 成功案例

5.1 進口監(jiān)測系統應用的典型案例

以某座已在2014年實現外部變形自動化監(jiān)測的大壩為例，對大壩外部變形監(jiān)測系統的布置方案及實施成果進行介紹。西部某工程大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高186 m，壩頂長540 m，其外部變形監(jiān)測自動化系統采用徠卡測量機器人和GNSS監(jiān)測系統，監(jiān)測范圍包括大壩及兩岸工程邊坡。在大壩右岸和大壩下游共布置兩個測量機器人測站（見圖7中1號、2號測站），對壩頂、壩后坡及兩岸工程邊坡的表面位移測點進行監(jiān)測，另外在大壩河床中部監(jiān)測斷面的壩頂及壩后坡共5個測點同時布置了GNSS監(jiān)測設備（見圖7），以便兩種監(jiān)測方式相互驗證。

圖7 某大壩外部變形監(jiān)測系統布置情況Fig.7 Layout of the external deformation monitoring system for a dam

從兩套監(jiān)測設備相互驗證的監(jiān)測情況來看，兩套自動化監(jiān)測系統測得的三向位移測值變化規(guī)律相符，變化趨勢及量值大小基本一致，過程線變化規(guī)律也滿足大壩壩體的變化規(guī)律，表明外部變形自動化監(jiān)測系統的監(jiān)測成果總體可靠，典型測點的位移過程線見圖8。因此，測量機器人與GNSS監(jiān)測系統在該工程取得了較好的應用效果。

圖8 某大壩典型測點測量機器人（TM30）及GNSS監(jiān)測結果對比過程線Fig.8 Comparison of monitoring results from measuring robot(TM30)and GNSS

5.2 國產北斗監(jiān)測系統試點典型案例

以東部某抽蓄電站開展的北斗高精度位移試點為例，對北斗監(jiān)測系統的布置方案及實施成果進行簡要介紹。該電站為一等大（1）型工程，上、下水庫大壩均為土石壩。為驗證北斗監(jiān)測系統的可用性，在該電站上、下水庫典型部位分別布置北斗監(jiān)測點和基準點，對位移情況進行監(jiān)測。近一年的監(jiān)測表明，北斗監(jiān)測結果真實反映了所在部位的位移變化情況，典型測點過程線見圖9。該測點位于庫區(qū)堆渣體的擋墻上，當雨季降雨量增大時，堆渣體呈現一定的向坡外變形趨勢，當冬季雨量漸少時，向坡外變形則明顯減小，與現場巡視檢查的結果一致?？梢姳倍繁O(jiān)測結果真實反映了變形體的位移變化情況，初步說明國產北斗監(jiān)測系統可實現對變形體的高精度位移監(jiān)測，值得進一步研究和探索。

圖9 某電站堆渣體表面位移北斗監(jiān)測結果過程線Fig.9Monitoring result of surface displacement of a slag by Beidou satellite

6 結語

（1）電力口注冊備案的電站中僅有少數電站實現了外部變形自動化監(jiān)測，絕大多數電站仍依賴人工手段，這主要是因為人力操作設備易于維護，監(jiān)測頻次和方法可以滿足現行規(guī)范的相關要求，且經過長期實踐應用，已比較適應這種模式。而自動化監(jiān)測系統總體應用案例較少，且存在造價高、多為進口設備、使用過程中的運行維護工作只能依靠國外廠家等問題，使得該監(jiān)測手段應用并不多。

（2）測量機器人監(jiān)測系統市場基本已被進口設備占領，這與我國精密測量儀器的研究起步較晚有關。經過各方面的改進，國產測量機器人與進口設備的差距將會逐步縮小，但鑒于現實情況，該進程可能需要較高的研發(fā)投入和較長的周期。

（3）我國北斗三號衛(wèi)星目前已組網成功，這將為GNSS外部變形監(jiān)測技術的發(fā)展提供無限可能。迫切需要研究基于北斗三號全球信號及深度行業(yè)定制的北斗系統國產設備，提高精度和穩(wěn)定性，同時降低成本，加快行業(yè)的推廣應用。目前多家單位已在國產北斗監(jiān)測接收設備和解算系統等方面開展相關研究，驗證北斗系統在高精度位移領域的可用性，這對我國水電站外部變形監(jiān)測技術的發(fā)展具有重要意義。

（4）測量機器人和GNSS兩種外部變形監(jiān)測方法各有不同的應用環(huán)境，可以互補使用，目前已在一些電站取得了較好的效果，可供參考和實際借鑒。各水電站可以結合自身外在條件，合理設計建設方案，克服傳統人工測量方法在使用過程中的弊端，充分發(fā)揮安全監(jiān)測在水電站安全運行中的重要作用。

（5）在今后的水電站變形監(jiān)測中，可逐步考慮將大地測量技術、GNSS定位技術與其他技術（In-SAR、攝影測量等）集成組合為一種全新的表面變形自動監(jiān)測系統，實現多種技術的優(yōu)劣互補。