核電廠邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王豪威，楊海成，李云濤，武偉

1 核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002

2 中核三維地理信息工程技術研究中心，河北 石家莊 050002

3 河北雄安中核航遙信息科技有限公司，河北 石家莊 050002

核電廠由于其獨特的地質構造環(huán)境，在建設過程中形成些許和生產密切相關的邊坡，由于氣候、環(huán)境等自然因素的作用以及其結構的安全性和使用性能的退化使得正在運營的邊坡存在著或輕或重的安全隱患。傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測的方法主要有典型露頭測量、統(tǒng)計窗測量、斷面測量和三維激光掃描等方法，監(jiān)測設備以經(jīng)緯儀、全站儀、水準儀和三維激光掃描儀等常規(guī)測量儀器為主，具有效率低、易受天氣、人工和現(xiàn)場條件等許多因素的影響、間斷式監(jiān)測、監(jiān)測結果反饋滯后和人員和儀器野外安全無法保障等缺點，這些都嚴重影響邊坡工程的安全生產和管理水平［1］。近年來，隨著多元傳感器技術［2］、4G 通訊技術［3］和計算機技術［4-5］的不斷成熟，使得變形監(jiān)測技術越來越向全天候、高精度和自動化方向發(fā)展。美國、歐盟和日本等國先后啟動了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的地質災害實時監(jiān)測計劃，實現(xiàn)了對滑坡、泥石流進行監(jiān)控和預警［6-7］；國內黃凱等人將GNSS 自動化監(jiān)測技術運用到大壩的變形監(jiān)測中，獲取了大樣本、高采樣率、連續(xù)的大壩表面位移變形資料，對其進行合理的分析，建立科學的變形分析與預報模型，對大壩安全運營提供技術支撐［8］；陳壽轍將GNSS 自動化監(jiān)測技術運用到礦區(qū)開采沉陷變形監(jiān)測中，解決了傳統(tǒng)人工礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測受地形影響大、費力費時和不易自動化等缺點，提高了對變形體監(jiān)測與分析的效率［9］；王宇等人將自動化監(jiān)測系統(tǒng)運用到深基坑監(jiān)測中，結合工程實踐，論證了在城市深基坑監(jiān)測中利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行水平位移監(jiān)測的可靠性［10］。自動化監(jiān)測技術在上述領域已經(jīng)成功應用，但在核電廠邊坡監(jiān)測工程中尚未涉及，且對GNSS、測斜儀和裂縫儀等多種傳感器在一個系統(tǒng)中同時運行相關內容的研究及應用較少，系統(tǒng)集成較為復雜。

針對世界核營運者協(xié)會要求定期對核電廠進行監(jiān)測的特點，結合在核電廠邊坡運營中實際需求的調研，依據(jù)工程實施經(jīng)驗和對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與變形分析的研究，將GNSS、激光測縫儀和測斜儀等多元傳感器技術、4G 通訊技術、互聯(lián)網(wǎng)等技術相結合，設計一套集監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化接收、數(shù)據(jù)處理與分析、報表生成、預警預報以及圖形表現(xiàn)等功能為一體的邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應用到核電廠邊坡工程變形監(jiān)測項目中。該系統(tǒng)通過對邊坡的不同部位進行24 h 遠程監(jiān)測，可精確地掌握邊坡在使用過程的狀態(tài)變化和工作情況，在發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象（如邊坡下沉、偏移等）時及時分析原因，采取必要措施，防止事故發(fā)生，以保證安全生產。同時在邊坡GNSS 監(jiān)測過程中，開展人工監(jiān)測，并將觀測成果與GNSS 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，以驗證GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性。

1 自動化監(jiān)測關鍵技術簡述

1.1 GNSS 監(jiān)測技術

表面位移監(jiān)測系統(tǒng)主要由基準站和監(jiān)測站構成，采用高精度GNSS 接收機，將基準站輸出的差分信號（RTK）傳送給監(jiān)測站，使監(jiān)測站的位置信息得以矯正，且設備內置4G 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，使數(shù)據(jù)采集終端可以在野外無人值守的情況下連續(xù)工作，它將各個獨立的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送給監(jiān)測中心，監(jiān)測中心采用差分位移測量等方法分析監(jiān)測點位移的情況，計算出相應的坐標，通過多次坐標對比，得到當前相對于過去某個時間段的位移量［11］。

1.2 深層位移監(jiān)測技術

深層位移監(jiān)測系統(tǒng)采用固定測斜儀，每個傳感器都設置有單獨的地址編號，傳感器按照預先設定的采集頻率向系統(tǒng)發(fā)送傾角數(shù)據(jù)，也可以按照接收到的系統(tǒng)指令反饋信息［12］。測斜儀傾角變化量計算見公式（1）。

式（1）中：Δθ—傾角變化量，度；K—傾斜儀的分辨率，°mV-1；Fi—傾斜儀實時測量數(shù)，mV；F0—傾斜儀安裝完成后的基準讀數(shù)，mV。

1.3 地表裂縫監(jiān)測技術

地表裂縫監(jiān)測采用激光測縫儀，該設備基于激光可定點發(fā)射、發(fā)散角度小等特點設計而成，其工作原理是測縫儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測量物體的反射后又被測縫儀接收，通過測縫儀記錄的激光往返的時間，計算出與被測量物體之間的距離［13］。

激光測縫儀計算見公式（2）。

式（2）中：ΔH—位移變化量，m；Hi—距離測量值，m；H0—距離原始值，m。

1.4 網(wǎng)絡通訊技術

自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用“無線傳輸模塊DTU+4G 網(wǎng)絡”組合技術，通過TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議將監(jiān)測現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。TCP/IP 協(xié)議是一種面向連接導向的、可靠的及基于字節(jié)流的運輸層通信協(xié)議，該協(xié)議采用4 層的層級結構，每一層通過呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來完成自己的需求［14］。

1.5 系統(tǒng)供電

由于電廠邊坡高差大，范圍分布廣給線纜鋪設造成很大的困難，且具備一定的管理風險，采用“太陽能+蓄電池”組合供電方式為系統(tǒng)提供電源，無需外接電源。

2 系統(tǒng)設計及功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計原理

邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)是基于計算機、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通信和多元傳感器等技術構建組合而成的全自動監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務和監(jiān)測預警軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)設計原理見圖1。

2.2 系統(tǒng)總體架構

邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)在.NET 平臺下以C#為編程語言，結合數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡等技術開發(fā)而成，其體系結構可分為3 層，由下自上分別是：數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層和功能層。系統(tǒng)體系架構見圖2。

圖2 系統(tǒng)體系架構圖Fig. 2 System architecture diagram

2.2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是對監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關信息進行管理和操作，主要包括采集與發(fā)送設備數(shù)據(jù)、監(jiān)測點元數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)和變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層主要通過無線傳輸模塊DTU 和成熟4G 網(wǎng)絡快速組建數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)實時遠程數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3 功能層

在功能層主要包括：用戶管理功能、項目管理功能、收發(fā)設備功能、實時數(shù)據(jù)功能、實時曲線功能、數(shù)據(jù)檢索功能、超限預警功能和監(jiān)測報表功能。

2.3 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫設計采用MySQL 作為數(shù)據(jù)庫管理統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫類別包括基礎參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)存儲轉換模塊、數(shù)據(jù)檢索繪圖模塊和預警模塊。數(shù)據(jù)庫信息見表1。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息Table 1 Monitoring system database information

2.4 系統(tǒng)功能管理與實現(xiàn)

2.4.1 用戶管理功能

用戶管理功能是對系統(tǒng)用戶登錄、權限配置、系統(tǒng)維護等相關信息進行管理，其功能包括用戶管理和權限管理。用戶登錄窗口見圖3。

圖3 用戶登錄窗口Fig. 3 User login window

2.4.2 監(jiān)測項目設置功能

監(jiān)測項目設置功能用于監(jiān)測項目的行政隸屬關系、位置、項目名稱和項目負責人等基本信息的管理，監(jiān)測項目設置功能窗口見圖4。

圖4 監(jiān)測項目設置功能窗口Fig. 4 Setting function window for monitoring project

2.4.3 收發(fā)設備管理功能

收發(fā)設備管理功能用于完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、解析，調用項目布設從屬關系，計算、整理每條收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)將計算過程階段性結果保存到對應的數(shù)據(jù)表內（原始數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)和物理數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)表），收發(fā)設備管理窗口見圖5。

圖5 收發(fā)設備管理窗口Fig. 5 Transceiver device management window

2.4.4 監(jiān)測預警功能

監(jiān)測預警功能支持自定義預警內容、預警方式方法、數(shù)據(jù)來源和預警周期等參數(shù)，定時周期性檢索監(jiān)測數(shù)據(jù)，當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預定預警規(guī)則時可按要求通過桌面、短信和郵箱等方式發(fā)出預警信息，預警規(guī)則管理窗口見圖6。

圖6 預警規(guī)則管理窗口Fig.6 Warning rule management window

2.4.5 報表制作功能

報表制作功能支持用戶通過word 文件來編輯報表格式（報表模板文件）、制作報表模板，由WD 報表功能模塊完成動態(tài)數(shù)據(jù)填充，獨立生成監(jiān)測項目報表、采發(fā)設備報表和設備通道（傳感器）報表，另外還提供了自定義的特殊報表功能接口，監(jiān)測報表設置窗口見圖7。

圖7 監(jiān)測報表設置窗口Fig. 7 Monitoring report settings window

2.4.6 數(shù)據(jù)檢索與導出功能

系統(tǒng)支持快速檢索、簡易條件檢索和高級語句檢索3 種數(shù)據(jù)檢索方式，通過預設檢索語句并存儲于數(shù)據(jù)表，以實現(xiàn)快速檢索語句調用和執(zhí)行，并將檢索語句的檢索結果導出為EXCEL 表格，快速檢索窗口見圖8。

圖8 快速檢索窗口Fig. 8 Quick search window

2.4.7 圖形繪制功能

圖形繪制功能可以將數(shù)據(jù)檢索結果繪制為圖形，默認情況下繪制類型為“曲線”，用戶也可以通過畫板的工具條修改繪制類型和畫板顯示參數(shù)，數(shù)據(jù)圖形繪制窗口見圖9。

圖9 數(shù)據(jù)圖形繪制窗口Fig. 9 Data graph drawing window

3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)在核電廠邊坡中的應用

3.1 工程概況

某核電廠邊坡至今已有三十多年歷史，局部區(qū)段存在滲水、裂縫和坡體表面開裂等現(xiàn)象，對核電廠的安全運營構成影響。為解決核電廠安全運行的迫切需求，將自動化監(jiān)測技術應用到邊坡工程安全管理中來，通過在邊坡隱患部位布設表面位移、深層位移和地表裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)采集終端，獲取邊坡變形相關的實時觀測數(shù)據(jù)，在發(fā)現(xiàn)異常情況時及時發(fā)布預警信息，為核電廠及時采取必要措施提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 數(shù)據(jù)采集終端布設

根據(jù)邊坡已有勘察設計、施工等資料，并結合現(xiàn)場踏勘情況，在邊坡變形區(qū)域外且基礎穩(wěn)定的巖石上布設一個GNSS 基準點，在變形區(qū)關鍵斷面處布設3 個GNSS 監(jiān)測點；根據(jù)地質災害危險性評估報告資料，在邊坡土質松散、力學性質較差、存在失穩(wěn)的隱患部位設立兩套深層位移監(jiān)測系統(tǒng)，每孔深度約30 m，分3 個斷層布設；根據(jù)地質災害危險性評估報告，在邊坡東北側路段存在因回填土沉降而產生的路基沉降、道路開裂等隱患處布設兩套激光式地表裂縫監(jiān)測儀。

3.3 通訊網(wǎng)絡布設

GNSS 監(jiān)測設備內置數(shù)據(jù)傳輸模塊；深層位移監(jiān)測設備和激光測距監(jiān)測儀將采集的數(shù)據(jù)通過線纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀，采集儀內置數(shù)據(jù)傳輸模塊；數(shù)據(jù)傳輸模塊通過4G 網(wǎng)絡將現(xiàn)場設備采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器，也可接收來自服務器的指令［15］。

監(jiān)測中心采用云服務器，該服務器擁有1個固定的IP 地址，3 個端口。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

自動化監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集終端建設、調試和試運行階段，于2021 年1 月投入運行。監(jiān)測頻率設置為正常情況下每間隔24 h 采集一次數(shù)據(jù)，異常情況下每間隔1 h 采集一次。經(jīng)過2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日的在線監(jiān)測，已取得電廠邊坡3 個GNSS 表面位移監(jiān)測點730 條的有效數(shù)據(jù)，其中x變化為正，表示向東位移，反之表示向西位移；y變化為正，表示向北位移，反之表示向南位移；z變化為正，表示向上上升，反之表示向下沉降；已獲取邊坡2 個地表裂縫監(jiān)測點730 條有效數(shù)據(jù)，其中正值表示裂縫加大，負值表示裂縫減小；已獲取廠后區(qū)邊坡2 個深層位移監(jiān)測點730 條有效數(shù)據(jù)，其中正值表示監(jiān)測孔朝邊坡反方向傾斜，負值表示監(jiān)測孔朝邊坡方向傾斜。

3.4.1 GNSS 監(jiān)測站點數(shù)據(jù)分析

3.4.1.1 過程線變化規(guī)律分析

GNSS 監(jiān)測點x、y和z位移實測值曲線見圖10～12。

圖10 GNSS x 位移實測曲線圖Fig. 10 GNSS x displacement measurement curve

圖11 GNSS y 位移實測曲線圖Fig. 11 GNSS y displacement measurement curve

圖12 GNSS z 位移實測曲線圖Fig. 12 GNSS z displacement measurement curve

3.4.1.2 特征值分析

GNSS 監(jiān)測點x、y和z位移實測值極值統(tǒng)計及變化區(qū)間統(tǒng)計見表2。

表2 GNSS 監(jiān)測點x、y、z 位移實測值極值統(tǒng)計及變化區(qū)間統(tǒng)計表Table 2 Extreme value statistics and variation interval statistics of the measured displacement values of x, y, and z at GNSS monitoring points

3.4.1.3 總體評價

綜合以上過程線分析及特征值分析可見，在2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日期間，該電廠邊坡GNSS 位移過程曲線變化平穩(wěn)，波動較?。槐竟こ滩捎玫腉NSS 設備平面測量標稱精度為±（2.5+0.5/100 000 0）mm，高程測量標稱精度為±（5.0+0.5/100 000 0） mm，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該設備的實際平面測量誤差為±2.3 mm，實際高程測量誤差為±4.8 mm，測量數(shù)據(jù)的誤差在儀器標稱精度范圍內；GNSS 各觀測點x、y和z的累積變化值在預警值范圍內，邊坡表面位移在安全監(jiān)測范圍內。

3.4.2 地表裂縫監(jiān)測站點數(shù)據(jù)分析

3.4.2.1 過程線變化規(guī)律分析

地表裂縫監(jiān)測儀實測曲線見圖13。

圖13 地表位移實測曲線圖Fig.13 Surface displacement measurement curve

3.4.2.2 極值分析

地表裂縫實測值極值統(tǒng)計及變化區(qū)間統(tǒng)計見表3。

表3 地表裂縫實測值極值統(tǒng)計及變化區(qū)間統(tǒng)計表Table 3 Extreme value statistics and variation interval statistics of measured surface cracks

3.4.2.3 總體評價

綜合以上過程線分析及特征值分析可見，在2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日期間，該電廠邊坡地表裂縫過程曲線變化平穩(wěn)，波動較?。槐竟こ滩捎玫募す鉁y縫儀標稱精度為±1.0 mm，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該設備的實際測量誤差為±0.8 mm，測量數(shù)據(jù)的誤差在儀器標稱精度范圍內；各地表裂縫監(jiān)測點的累積變化值在預警值范圍內，邊坡地表裂縫整體在安全監(jiān)測范圍內。

3.4.3 深層位移監(jiān)測站點數(shù)據(jù)分析

3.4.3.1 過程線變化規(guī)律分析

深層位移各監(jiān)測點實測值曲線見圖14～15。

圖14 深層位移監(jiān)測站1 實測曲線圖Fig. 14 Actual measurement curve of deep displacement monitoring station 1

圖15 深層位移監(jiān)測站2 實測曲線圖Fig. 15 Actual measurement curve of deep displacement monitoring station 2

3.4.3.2 極值分析

深層位移實測值極值統(tǒng)計及變化區(qū)間統(tǒng)計見表4。

表4 深層位移實測值極值統(tǒng)計及變化區(qū)間統(tǒng)計表Table 4 Extreme value statistics and variation interval statistics of measured values of deep displacement

3.4.3.3 總體評價

綜合以上過程線分析及特征值分析可見，在2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日期間，該電廠邊坡深層位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量微?。槐竟こ滩捎玫墓潭y斜儀標稱精度為±0.2 mm，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該設備的實際測量誤差為±0.16 mm，測量數(shù)據(jù)的誤差在儀器標稱精度范圍內；各深層位移監(jiān)測點的累積變化值在預警值范圍內，邊坡深層位移整體在安全監(jiān)測范圍內。

3.5 分析驗證

山體邊坡現(xiàn)存的常規(guī)變形監(jiān)測墩共有16個，在2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日期間，利用全站儀和水準儀對監(jiān)測墩的坐標和高程進行3 次測量，水平位移測量數(shù)據(jù)見表5，高程測量數(shù)據(jù)見表6。

表5 水平位移測量數(shù)據(jù)Table 5 Horizontal displacement measurement data

表6 常規(guī)變形監(jiān)測墩高程測量數(shù)據(jù)Table 6 Conventional deformation monitoring pier elevation measurement data

由表5、6 數(shù)據(jù)分析可知：人工測量的數(shù)據(jù)水平位移x方向變化區(qū)間分布介于-3.8～4.1 mm 之間，水平位移y方向變化區(qū)間分布介于-4.8～4.6 mm 之間，高程z變化區(qū)間分布介于-7.7～6.4 mm 之間；將人工測量變形觀測結果與表 2中數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)位移變化區(qū)間基本吻合，所反映的邊坡表面位移變化規(guī)律一致，進一步驗證了GNSS 表面位移監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性較高，信號傳輸穩(wěn)定，滿足核電廠邊坡工程監(jiān)測的需要。

4 結論與展望

4.1 結 論

本文研究了基于GNSS、激光測縫儀、測斜儀等多元傳感器、4G 網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫等技術相結合構建的自動化監(jiān)測系統(tǒng)在核電廠邊坡工程變形監(jiān)測中的應用，主要研究內容及成果如下：

1）基于多元傳感器技術、網(wǎng)絡通訊技術和數(shù)據(jù)庫等技術構建了邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對邊坡工程的表面位移、地表裂縫、深層位移等24 h 遠程監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)人工監(jiān)測不連續(xù)、結果反饋滯后和野外安全無法保障等問題，提升了邊坡工程的安全管理水平。

2）采用“太陽能+蓄電池”組合供電方式為系統(tǒng)提供電源，采用“4G 網(wǎng)絡+DTU”無線數(shù)據(jù)傳輸技術將采集終端數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，自動化監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過采集終端建設、調試和試運行階段，于2021 年1 月投入運行，通過對已獲取的2 年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，各監(jiān)測站點位移過程曲線變化平穩(wěn)，波動較小，為邊坡穩(wěn)定性評估工作提供數(shù)據(jù)支撐。

3）在邊坡GNSS 表面位移監(jiān)測工程中，同時開展人工監(jiān)測，并將觀測成果與GNSS 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，結果表明該技術完全可以應用于核電廠邊坡變形監(jiān)測工作中，為核電廠同類工程的實施提供經(jīng)驗。

4.2 展 望

1）本文監(jiān)測站設備采用4G 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，對于在信號不穩(wěn)定區(qū)域或有特殊要求的區(qū)域可采用北斗導航衛(wèi)星通訊方式。

2）將邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)平臺接入到已有的核電廠建構筑物變形監(jiān)測系統(tǒng)中，便于業(yè)主統(tǒng)一管理。

3）三維可視化是數(shù)據(jù)展示的新方向，融合實景三維建模技術，承載變形體實景三維模型數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的可讀性、可視性和擴展性。