北斗在電力桿塔沉降監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

金福銘，段意，劉智慧，張鵬，欒俊清

( 內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司包頭供電分公司, 內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭市 014000 )

0 引言

架空輸電線路是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它們承擔(dān)著將電能從生產(chǎn)地傳輸?shù)较M(fèi)者的重要角色，因此為確保可靠的電力供應(yīng)，其設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)至關(guān)重要. 這些輸電線路主要組成部分包括桿塔、絕緣子、導(dǎo)地線和金具等，因長期暴露在大氣腐蝕環(huán)境中，需要面對各種惡劣氣候和環(huán)境條件，這些元件容易受到多種因素的損害，包括但不限于風(fēng)雪、雷電、大氣污染、機(jī)械負(fù)荷以及電力負(fù)荷的變化[1]. 外在環(huán)境因素會(huì)加劇桿塔金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕減薄、焊縫開裂或斷裂，造成塔身傾斜或倒塔事故，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，對社會(huì)和經(jīng)濟(jì)造成重大影響. 而電力桿塔地基的沉降程度，是判斷桿塔金屬結(jié)構(gòu)是否完好的重要依據(jù)，因此對電力桿塔地基沉降程度的監(jiān)測顯得尤為重要. 如何有效地監(jiān)測電力桿塔地基沉降，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并處理異?，F(xiàn)象，是我們亟待解決的問題.

1 監(jiān)測方法、原理及方案

近年來，針對老舊鋼管桿(架)存在的問題，出現(xiàn)了許多管理監(jiān)測方法. 其中大多數(shù)方法側(cè)重于傳感器的應(yīng)用，通過部署硬件設(shè)備來監(jiān)測，例如在鋼管桿(架)表面布置漆包線等方式來實(shí)施監(jiān)測[2]. 然而，傳統(tǒng)方法存在一些顯著的局限性. 一是檢測中存在著很多現(xiàn)實(shí)問題，特別是涉及到人工操作的不穩(wěn)定性，此外現(xiàn)場作業(yè)人員也會(huì)存在著一定的人身安全隱患問題. 二是精度問題. 在精度方面，電力桿塔地基沉降監(jiān)測精度也受到多種因素的影響，其中主要因素包括測量設(shè)備的精度、安裝位置的合理性、監(jiān)測時(shí)間和自然環(huán)境因素等. 常用的測量設(shè)備包括沉降儀、傾斜儀、變形計(jì)等，其精度與型號(hào)、品牌、使用壽命等有關(guān). 一般情況下，測量設(shè)備的精度越高，監(jiān)測精度也就越高.安裝位置的選擇應(yīng)遵循桿塔地基的沉降規(guī)律，并考慮到測量設(shè)備的靈敏度，避免測量點(diǎn)受到外界影響[3].如果監(jiān)測時(shí)間過短，將難以全面反映地基沉降的趨勢和變化情況，監(jiān)測精度也會(huì)相應(yīng)下降. 因此，需要根據(jù)實(shí)際情況，制定合理的監(jiān)測方案，延長監(jiān)測時(shí)間，提高監(jiān)測精度. 此外，自然環(huán)境因素例如地震、風(fēng)、雨等自然災(zāi)害都可能對地基沉降監(jiān)測產(chǎn)生干擾. 因此，在監(jiān)測過程中需要加強(qiáng)現(xiàn)場管理，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性.

塔基沉降監(jiān)測是用于追蹤支撐結(jié)構(gòu)塔基的垂直位移或沉降情況的重要工作. 如果塔基發(fā)生異常的沉降，可能會(huì)對整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成威脅.特別是在鋼管桿(架)受到腐蝕或損壞的情況下，它們可能失去承載能力，導(dǎo)致塔基的異常沉降或不穩(wěn)定. 反之亦然，異常的塔基沉降也可能對支撐結(jié)構(gòu)的鋼管桿(架)施加不正常的壓力，從而加速其腐蝕或破壞. 為解決以上難點(diǎn)問題，本文采取提高桿塔沉降監(jiān)測精度的方式，降低現(xiàn)場檢測人員作業(yè)難度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，將鋼管桿(架)腐蝕導(dǎo)波檢測技術(shù)、基于磁致伸縮液位計(jì)的地基沉降監(jiān)測技術(shù)和北斗載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分沉降位移監(jiān)測技術(shù)三者有機(jī)融合，并通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)和隨機(jī)森林，構(gòu)建模型來預(yù)測結(jié)構(gòu)可能的問題或未來的行為. 將腐蝕、沉降和位移數(shù)據(jù)整合到一個(gè)綜合的數(shù)據(jù)集中，以綜合分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)將最終的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)構(gòu)建塔桿沉降監(jiān)測系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)定閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)超過這些閾值時(shí)觸發(fā)警報(bào). 首先，從腐蝕導(dǎo)波檢測、液位計(jì)和北斗實(shí)時(shí)差分定位(real-time kinematic，RTK)系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括聲波信號(hào)的特征(如幅度、頻率等)、液位計(jì)讀數(shù)和北斗RTK定位結(jié)果坐標(biāo)，對每個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行特征提取，計(jì)算聲波信號(hào)的均值、液位計(jì)讀數(shù)的變化率和北斗RTK坐標(biāo)變化的速度等，將來自不同數(shù)據(jù)源的特征組合成一個(gè)特征向量，可以為不同數(shù)據(jù)源的特征分配權(quán)重，以便更重要的特征對模型有更大的影響. 我們使用線性回歸模型，如式(1)所示：

式中：w1、w2、w3是權(quán)重；b是偏置項(xiàng). 這個(gè)線性回歸模型將綜合特征與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的相關(guān)性建模，使用歷史數(shù)據(jù)來訓(xùn)練線性回歸模型，找到最佳的權(quán)重值w1、w2、w3和偏置項(xiàng)b，以最小化預(yù)測誤差. 同時(shí)采用沉降監(jiān)測的精度比對分析，彌補(bǔ)監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中存在的不足之處.

輸電線路鋼管桿損傷檢測系統(tǒng)，依托磁致伸縮超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)、導(dǎo)波B掃描成像技術(shù)，為架空輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)健康安全保駕護(hù)航. 本文提出的方案主要利用磁致伸縮效應(yīng)和磁致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、嵌入式自動(dòng)化模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、激勵(lì)信號(hào)源、控制中心模塊、信號(hào)放大器、噪聲信號(hào)濾波、服務(wù)器數(shù)據(jù)采集等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對架空輸電線路鋼管桿缺陷實(shí)時(shí)高效地檢測，對架空輸電線路潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào). 方案的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：激勵(lì)信號(hào)源發(fā)出超聲波信號(hào)，傳播到鋼管桿內(nèi)，然后通過磁致伸縮和磁致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生回波信號(hào). 這些信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大和噪聲濾波后，由嵌入式模塊進(jìn)行處理，并通過遠(yuǎn)程控制模塊上傳至控制中心. 控制中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)控線路桿的狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行健康安全評估.

方案中采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Satellite Navigation System, BDS)設(shè)備、TPS測量機(jī)器人、溫度氣壓儀、測斜儀、雨量計(jì)、滲壓計(jì)、裂縫計(jì)、傾角儀、靜力水準(zhǔn)儀、有害氣體檢測儀、斷面儀、環(huán)境監(jiān)測儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，旨在實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)變形監(jiān)測信息的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)分發(fā)、綜合化實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)、在線評估等多項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)監(jiān)測的信息化、多維化、實(shí)時(shí)化、網(wǎng)絡(luò)化，使生產(chǎn)、安全管理，可以及時(shí)、直觀地掌握監(jiān)測物安全數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài). 特別需要強(qiáng)調(diào)BDS設(shè)備在該方案中的關(guān)鍵作用，它用于提供輸電線路各個(gè)桿塔的精確位置信息，同時(shí)各傳感器收集到的數(shù)據(jù)也會(huì)通過北斗衛(wèi)星的短報(bào)文功能傳輸給系統(tǒng)服務(wù)器，形成空中通信鏈路，確保數(shù)據(jù)的完整與穩(wěn)定. 具體而言，BDS用于提供輸電線路桿塔的經(jīng)度、緯度、高度等準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)，這些位置信息是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，與損傷檢測傳感器的數(shù)據(jù)融合后，幫助系統(tǒng)精確判斷每個(gè)桿塔的狀態(tài)，識(shí)別異常情況，并在需要時(shí)發(fā)出預(yù)警通知，以便及時(shí)采取行動(dòng)，確保輸電線路的安全性和穩(wěn)定性. 而在數(shù)據(jù)傳輸方面北斗短報(bào)文具有快速響應(yīng)、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備要求低等優(yōu)點(diǎn)，適用于野外、海上等沒有網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)的場景.因此，BDS在該方案中的角色是提供準(zhǔn)確的空間定位信息，也兼顧在移動(dòng)通信無法覆蓋或中斷的情況下，實(shí)現(xiàn)桿塔的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測，提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性. 它為綜合分析和預(yù)警提供必要的數(shù)據(jù)支持.

該方案由模型算法和損傷檢測系統(tǒng)兩部分組成.損傷檢測系統(tǒng)為模型算法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，再將預(yù)測數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，以檢測當(dāng)前塔桿是否存在異常情況. 這一循環(huán)閉合的過程構(gòu)建了一個(gè)完整的電力桿塔沉降監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)的核心目標(biāo)是協(xié)助進(jìn)行塔桿檢測工作，降低人工操作可能引發(fā)的精度誤差，從而提高整體監(jiān)測的精度. 通過有效的方式實(shí)現(xiàn)了對塔桿的實(shí)時(shí)形變監(jiān)測與監(jiān)管，同時(shí)降低了操作人員的工作難度和風(fēng)險(xiǎn).

2 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由鋼管桿(架)腐蝕導(dǎo)波檢測分系統(tǒng)、北斗載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分降位移[4]和基于磁致伸縮液位計(jì)的地基沉降監(jiān)測分系統(tǒng)組成，北斗監(jiān)測分系統(tǒng)則作為獨(dú)立的比對監(jiān)測系統(tǒng).

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

在當(dāng)前塔桿沉降監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了鋼管桿(架)腐蝕導(dǎo)波檢測技術(shù)和基于磁致伸縮液位計(jì)的地基沉降監(jiān)測技術(shù)，前者的技術(shù)路線，對超聲導(dǎo)波在鋼管桿上的傳播特性進(jìn)行理論分析，是對鋼管桿上局部加載產(chǎn)生超聲導(dǎo)波的波場特性進(jìn)行模擬仿真，深入了解局部加載是超聲導(dǎo)波在鋼管桿上的振動(dòng)能量分布情況. 根據(jù)超聲導(dǎo)波局部加載時(shí)的位移分布規(guī)律，設(shè)計(jì)專用的磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器，實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的局部激勵(lì)與接收. 利用改進(jìn)的頻域合成孔徑聚焦算法，對超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行分析與成像，得到分辨率更高的腐蝕成像信號(hào)[5]. 結(jié)合超聲導(dǎo)波激勵(lì)、接收的時(shí)序、能量要求，設(shè)計(jì)開發(fā)滿足局部加載與信號(hào)接收的周向掃查超聲導(dǎo)波電子儀器系統(tǒng). 最后利用周向掃查超聲導(dǎo)波電子儀器系統(tǒng)樣機(jī)，對鋼管桿的內(nèi)外腐蝕進(jìn)行掃查成像試驗(yàn)研究.

在電力桿塔地基沉降監(jiān)測中，北斗/GNSS主要應(yīng)用于高精度的位置測量，以獲取桿塔位置的變化情況，進(jìn)而判斷地基沉降情況. 通過在桿塔上安裝北斗/GNSS接收器，可以獲取電力桿塔的位置信息，并實(shí)時(shí)監(jiān)測位置的變化情況. 當(dāng)?shù)鼗两蛋l(fā)生時(shí)，電力桿塔的位置會(huì)發(fā)生變化，通過對北斗/GNSS測量數(shù)據(jù)的處理分析，可以得出電力桿塔的沉降趨勢和變化情況. 相比傳統(tǒng)的監(jiān)測方法(沉降儀、傾斜儀等)，北斗/GNSS具有無需接觸測量、數(shù)據(jù)精度高、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)點(diǎn). 因此，它在電力桿塔地基沉降監(jiān)測中具有較為廣泛的應(yīng)用前景. 由于北斗/GNSS測量精度受到多種因素的影響，在使用北斗/GNSS進(jìn)行電力桿塔地基沉降監(jiān)測時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況選取合適的接收機(jī)和天線，并合理設(shè)置測量參數(shù)，以提高監(jiān)測精度和可靠性[6].

電力桿塔地基沉降北斗/GNSS監(jiān)測的精度主要取決于北斗載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分沉降位移監(jiān)測系統(tǒng). 北斗載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分沉降位移監(jiān)測分系統(tǒng)通過測量北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的載波相位，并利用基準(zhǔn)站和監(jiān)測終端載波相位觀測數(shù)據(jù)的雙差解算，實(shí)現(xiàn)高精度的定位和測量. 在本文的實(shí)驗(yàn)中，使用了載波相位觀測數(shù)據(jù)，運(yùn)用RTK算法，通過實(shí)時(shí)校正衛(wèi)星信號(hào)的傳播延遲和大氣影響，首先計(jì)算出監(jiān)測終端相對于基準(zhǔn)站的三維坐標(biāo)偏差，然后再計(jì)算出監(jiān)測終端精確的三維定位結(jié)果[7]. 結(jié)合實(shí)際工程需求，我們使用MATLAB構(gòu)建了一種數(shù)字化輸電塔架形變模型[8]，并且再結(jié)合三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出一種核心思想是將測量數(shù)據(jù)視為隨機(jī)變量，使用概率統(tǒng)計(jì)方法來獲得形變數(shù)據(jù)的平均分布的算法. 該算法以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)集合，形變傳感器數(shù)據(jù)集合和模型參數(shù)為輸入，輸出得到形變數(shù)據(jù)的平均分布模型. 算法的第一步則是對于每個(gè)測點(diǎn)，將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與形變傳感器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，確保時(shí)間同步，其后使用三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)集合構(gòu)建數(shù)字化輸電塔架的三維模型. 考慮塔架的結(jié)構(gòu)和幾何特性，將形變傳感器的位置與三維模型中的相應(yīng)位置關(guān)聯(lián)，以模擬實(shí)際測量位置. 考慮形變傳感器的靈敏度和方向，將形變傳感器的測量值轉(zhuǎn)化為實(shí)際形變量，對于每個(gè)測點(diǎn)經(jīng)過處理，利用形變傳感器數(shù)據(jù)集合進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，將形變數(shù)據(jù)視為隨機(jī)變量，估計(jì)每個(gè)測點(diǎn)形變數(shù)據(jù)的概率分布，將每個(gè)測點(diǎn)形變數(shù)據(jù)的概率分布模型整合到一個(gè)綜合的數(shù)字化輸電塔架形變模型中，最后綜合模型將提供數(shù)字化輸電塔架的形變數(shù)據(jù)的平均分布，計(jì)算各測點(diǎn)形變數(shù)據(jù)分布的均值、方差等統(tǒng)計(jì)量來實(shí)現(xiàn)，將該算法結(jié)合到系統(tǒng)中得以持續(xù)監(jiān)測輸電塔架上的形變數(shù)據(jù)，使用綜合模型來評估當(dāng)前形變數(shù)據(jù)是否偏離平均分布. 這種方法通過有效的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)制，使輸電塔塔架的形變監(jiān)測能夠更加及時(shí)、準(zhǔn)確，并且適用于大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，從而提高了監(jiān)測的有效性和實(shí)時(shí)性. 及早發(fā)現(xiàn)問題、采取必要的維護(hù)和修復(fù)措施，以確保輸電系統(tǒng)的可靠性和安全性. 但是在實(shí)際檢測中，檢測存在很多現(xiàn)實(shí)困難：

1)檢測效率低：由于鋼管桿是一種大范圍結(jié)構(gòu)的被檢測物，超聲檢測是一種 “踩點(diǎn)式”[9]，即檢測時(shí)探頭所覆蓋的區(qū)域只能反映檢測所在點(diǎn)的情況. 而要實(shí)現(xiàn)鋼管桿30%探傷檢測需要耗費(fèi)的人力、物力和時(shí)間是難以估計(jì)的，對人員的技術(shù)要求專業(yè)執(zhí)照，工作強(qiáng)度很大，工作效率較低，任務(wù)看似簡單但是實(shí)際卻難以實(shí)現(xiàn).

2)檢測不完整：由于超聲檢測為“踩點(diǎn)式”檢測方式，使得檢測結(jié)果置信度往往比較依賴于檢測人員的操作水平和職業(yè)素養(yǎng)，存在極大的漏檢可能性.

3)需登高作業(yè)：由于鋼管桿的高度較高，一般都是10 m以上，在高度高于操作人員高度采用超聲檢測需要登高作業(yè)，而且往往是在線檢測，故登高檢測不僅會(huì)帶來人力、物力和時(shí)間資源的巨大消耗，更會(huì)帶來更多的人員安全隱患. 而且如果不檢測高處的鋼管桿，更會(huì)發(fā)生漏檢情況[10].

3 數(shù)據(jù)比對

針對于當(dāng)前監(jiān)測系統(tǒng)中存在的不足之處，本文提出了沉降監(jiān)測的精度比對分析. 根據(jù)實(shí)地需求進(jìn)行模擬沉降監(jiān)測的分析，采用以靜力水準(zhǔn)儀為標(biāo)準(zhǔn)與北斗/GNSS設(shè)備為偵測的方式，兩者有機(jī)結(jié)合的地基沉降監(jiān)測手段[11].

靜力水準(zhǔn)儀是一種高精度的測量工具，常用于土地測繪、建筑工程、水利工程等領(lǐng)域，以確定地面高程差異，它的原理是基于液體的自動(dòng)水平，因此不受光線的影響，可以在各種天氣條件下進(jìn)行測量[12]. 通常，靜力水準(zhǔn)儀是直接安裝在測試物體上，或者并立于測試物體旁的模擬立樁上，利用模塊化的傳感自動(dòng)測量單元比較自身設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值來采集比對數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與模型模擬. 靜力水準(zhǔn)測量具有測量精度高(通?？蛇_(dá)亞毫米級)、自動(dòng)化監(jiān)測、性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn). 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)通常包含多個(gè)靜力水準(zhǔn)儀、安裝支架、液體聯(lián)通管、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、后臺(tái)管理軟件等組成，軟件可根據(jù)觀測值生成相應(yīng)的變化曲線，并根據(jù)工程設(shè)計(jì)值進(jìn)行報(bào)警.

使用北斗對地基沉降進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，必須選擇一個(gè)固定(或相對固定)的基準(zhǔn)點(diǎn)[13]，基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇對于確保測量的準(zhǔn)確性和一致性非常重要，根據(jù)具體測量任務(wù)的要求和精度標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行. 地基沉降監(jiān)測的高程是以基準(zhǔn)點(diǎn)為參照點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該是穩(wěn)定的，不容易受到地質(zhì)變化、地震、土壤沉降或其他環(huán)境因素的影響. 如果基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生變化，將會(huì)影響到后續(xù)測量的準(zhǔn)確性，但不保證后期未發(fā)生沉降，所以一些基準(zhǔn)點(diǎn)需要依賴于國家或地區(qū)的正式基準(zhǔn)點(diǎn)，例如測繪和地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)應(yīng)用. 這些正式基準(zhǔn)點(diǎn)通常由政府或授權(quán)機(jī)構(gòu)維護(hù)，并具有法律地位[14]. 在實(shí)際的沉降監(jiān)測中，我們常常遇到這樣一種情況，即基準(zhǔn)點(diǎn)和沉降監(jiān)測點(diǎn)位于同一區(qū)域，并且同時(shí)經(jīng)歷了沉降現(xiàn)象. 特別是在復(fù)雜的地下工程或隧道等項(xiàng)目中，這種情況更為普遍.然而，傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)可能無法準(zhǔn)確反映這種情況，因?yàn)樗鼰o法區(qū)分基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)之間的沉降. 為了提高地基沉降監(jiān)測的準(zhǔn)確性，我們采用了北斗/GNSS設(shè)備安裝點(diǎn)作為靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn). 通過這種方法，能夠更有效地獲取地基沉降基準(zhǔn)點(diǎn)的大地高程變化數(shù)據(jù)，并用這些數(shù)據(jù)來結(jié)合多種數(shù)學(xué)模型，綜合得出校正靜力水準(zhǔn)測量的沉降數(shù)據(jù). 這種方法使我們能夠更好地理解基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降規(guī)律，并對監(jiān)測點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性.

數(shù)據(jù)采集部分通常由兩個(gè)關(guān)鍵組件組成，分別是基準(zhǔn)站和移動(dòng)站. 基準(zhǔn)站通常被放置在測量區(qū)域內(nèi)的已知位置，而移動(dòng)站則被布置在需要監(jiān)測的具體測點(diǎn)上. 這兩個(gè)站點(diǎn)協(xié)同工作，通過差分技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)高精度的位置測量和形變監(jiān)測. 因?yàn)锽DS采用的坐標(biāo)系通常是地心地固坐標(biāo)系，在地心地固坐標(biāo)系中，地球的中心被定義為原點(diǎn)，坐標(biāo)軸與地球自轉(zhuǎn)軸平行. 其中三維坐標(biāo)系中包含有緯度B，橢球上某點(diǎn)的經(jīng)度與相應(yīng)中央子午線的差值L，作為公式中的(B,L)，所以首先需要使用簡化后的轉(zhuǎn)換公式，將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)(x,y)，如式(2)所示:

式中：從赤道到緯度B的本初子午線弧長在公式中以X進(jìn)行表表示，也可以用公式S=R*θ表示，S表示赤道到緯度B的弧長，R是地球的平均半徑，θ 是緯度B的弧度值，可以通過緯度B與赤道的夾角計(jì)算得到；卯酉圈曲率半徑是N；輔助變量是η和t，其中η2=e′2cos2B,t=tanB，e′為第二偏心率，a、b分別是橢球參考系的長短軸半徑[15].

在監(jiān)測模型中，Z代表該點(diǎn)相對于當(dāng)?shù)厮矫娴母叱? 一旦實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集完成，數(shù)據(jù)處理部分將執(zhí)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化. 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)將會(huì)作為參數(shù)輸入到監(jiān)測模型中，經(jīng)過模型演變計(jì)算得到結(jié)果，再以結(jié)果繪畫數(shù)據(jù)比對圖表[16].

基準(zhǔn)點(diǎn)大地高程變化量分布如圖2所示，基準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化量在±1.5 mm上下波動(dòng)，基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性是比較高的，表面實(shí)驗(yàn)期間的塔桿是處于穩(wěn)定良好的狀態(tài). 數(shù)據(jù)在真實(shí)值附近波動(dòng)，是受到無法排除的環(huán)境誤差影響[17]，這些誤差導(dǎo)致了偶然因素，為實(shí)驗(yàn)帶來了一些不可靠的數(shù)據(jù)，本文已經(jīng)對誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波.

圖2 基準(zhǔn)點(diǎn)大地高程變化量分布

在本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用了北斗/GNSS設(shè)備進(jìn)行工程監(jiān)測，監(jiān)測的時(shí)間范圍為20 d，從2022年10月20日至2022年11月8日，監(jiān)測頻率設(shè)置為每60 s進(jìn)行一次監(jiān)測. 在連續(xù)20 d的監(jiān)測過程中，北斗/GNSS設(shè)備與靜力水準(zhǔn)儀同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，北斗/GNSS設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)在傳輸過程中也得到了良好的轉(zhuǎn)發(fā)和保存，得以保障模型算法的正確運(yùn)行，保證了數(shù)據(jù)結(jié)果的穩(wěn)定和正確，證明北斗/GNSS設(shè)備的可靠和穩(wěn)定性. 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布來看，由于環(huán)境因素等誤差的存在，在信號(hào)不好的時(shí)候噪點(diǎn)較多，這期間得到的數(shù)據(jù)結(jié)果有較大地波動(dòng)，但從整體的高程數(shù)據(jù)分布來看，高程在325286.6±2 mm的范圍內(nèi)波動(dòng)，表示該基準(zhǔn)點(diǎn)未發(fā)生顯著的沉降現(xiàn)象，處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài).

地基沉降的主要表現(xiàn)是高程的緩慢變化. 判斷地基沉降的問題在于沉降區(qū)域與非沉降區(qū)域之間存在緩慢的過渡區(qū)間，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)能夠給出判斷，甚至在特定的情況下，兩者會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換的可能，沉降區(qū)變成了非沉降區(qū). 我們使用靜力水準(zhǔn)的累積值分析曲線來表現(xiàn)這一過程，其中監(jiān)測點(diǎn)的累積值等于監(jiān)測點(diǎn)當(dāng)前值減去基準(zhǔn)站的初始值，而基準(zhǔn)站的累積值等于基準(zhǔn)站當(dāng)前值減去基準(zhǔn)站的初始值. 這一信息揭示了地基沉降的復(fù)雜性，因?yàn)榈鼗两挡粌H僅是一種持續(xù)的下沉過程. 相反，它可以表現(xiàn)為沉降區(qū)域中某些地點(diǎn)的沉降停止，同時(shí)在其他地點(diǎn)可能會(huì)在某些時(shí)刻開始發(fā)生沉降. 這可能受到地下水位、土壤類型和負(fù)荷分布等因素的影響.

因此，嚴(yán)格追求基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性并不能完全準(zhǔn)確地反映地基監(jiān)測點(diǎn)的沉降情況. 在進(jìn)行沉降監(jiān)測時(shí)，我們必須深入分析每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)位移、監(jiān)測點(diǎn)的速度、加速度以及監(jiān)測點(diǎn)的離散數(shù)據(jù)等.更具體地說，我們需要仔細(xì)審查和分析這些數(shù)據(jù)，以確定監(jiān)測點(diǎn)是否發(fā)生了沉降現(xiàn)象. 有時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)所觀測到的沉降可能是由于基準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化所導(dǎo)致的.但在一些特殊情況下，例如基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)所在的整個(gè)平臺(tái)同時(shí)發(fā)生沉降，監(jiān)測點(diǎn)所計(jì)算出的相對高程，是沒辦法判斷出整體下沉的結(jié)果，也是在這種情況下，監(jiān)測數(shù)據(jù)是沒有出現(xiàn)變化的. 因此，對于地基沉降監(jiān)測，我們必須綜合分析來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，以獲取準(zhǔn)確的沉降情況，而不僅僅依賴于基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性. 綜合數(shù)據(jù)分析如下：使用不同類型的傳感器(例如位移傳感器、壓力傳感器、傾斜傳感器等)來采集監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù). 確保傳感器的精確度和穩(wěn)定性，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪音、校正誤差、數(shù)據(jù)對齊等. 確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，將來自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步和空間對齊，確保數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的一致性，這通常涉及到時(shí)間戳的校準(zhǔn)和空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，將對齊后的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以使用數(shù)據(jù)融合算法(例如加權(quán)平均、卡爾曼濾波等)將不同傳感器的數(shù)據(jù)整合為一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集[18]. 然后，利用統(tǒng)計(jì)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法或人工智能技術(shù)來分析數(shù)據(jù)，探測數(shù)據(jù)中的模式、趨勢或異常. 這種綜合分析有助于更全面地理解地基沉降的復(fù)雜性，從而采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砭S護(hù)和管理工程項(xiàng)目.

4 總 結(jié)

該系統(tǒng)基于BDS和傾斜監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，具有高度的可靠性. 以BDS的原始觀測數(shù)據(jù)為核心，通過4G無線網(wǎng)絡(luò)、北斗短報(bào)文傳輸?shù)娇刂浦行?，?shí)時(shí)解算出各監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，為電力桿塔沉降的監(jiān)測提供了精確的數(shù)據(jù)支持. 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測不同環(huán)境下的實(shí)時(shí)差異數(shù)據(jù)，對電力桿塔沉降區(qū)域變形情況進(jìn)行差異補(bǔ)正. 這有助于及早發(fā)現(xiàn)潛在的問題，采取相應(yīng)的措施，確保輸電線路的穩(wěn)定性和安全性. 提供全生命周期的服務(wù)，從設(shè)計(jì)、建設(shè)到運(yùn)維，為電力公司提供了全面的解決方案. 考慮到時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，還應(yīng)在未來進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)分析算法，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的預(yù)測和預(yù)警，提前應(yīng)對潛在的風(fēng)險(xiǎn). 結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電力桿塔沉降的智能化管理，提高效率和減少人力成本. 本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)可推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如橋梁、建筑物等，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施的安全性.

致謝：本論文得到內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“輸電線路鋼管桿(架)損傷檢測及其地基沉降監(jiān)測技術(shù)”資助(發(fā)文號(hào)：內(nèi)電科信[2021]3號(hào)).