大坝外观自动化监测系统设计与环境因素影响评价

华 博 深， 刘 满 江， 刘 峰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

大坝外观自动化监测系统设计与环境因素影响评价

华 博 深， 刘 满 江， 刘 峰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

介绍了三种外观自动化系统，结合国内某大型电站混凝土重力坝进行了初步设计；介绍了自动化系统的组成构架及各子系统的功能与联系；对外观自动化系统中的控制网分系统、GNSS和机器人组合监测分系统、监控中心分系统进行了功能设计，并对现场观测环境进行了测试，以便充分考虑各系统的误差源，达到优化设计的目的。

大坝自动化监测；GNSS；测量机器人；环境因素

1 概 述

目前，外部变形自动化监测方法应用较多的主要有基于全球卫星定位技术的GNSS系统和基于测量机器人的自动化系统以及二者的综合系统。由于各系统的工作特性各异，其在实际应用中适用性有所不同。在混凝土重力坝监测方面，由于水库大坝往往地处深山峡谷，受环境影响明显且其所要求的监测精度较高，难度更大。

笔者以国内某大型混凝土重力坝为例，介绍了其大坝外观自动化监测系统设计。该坝址位于高山峡谷区，谷坡陡峻，地质构造相对复杂，两岸地形总体坡面较为整齐，山体浑厚，河谷呈不对称的“V”型。

2 自动化系统的组成

2.1 GNSS系统

GNSS自动化变形监测系统已被国内外桥梁、铁路、水电站大坝等各行业普遍应用。近年来，随着我国北斗卫星系统中的卫星数量不断增多，组网逐步完善，同时，科技工作人员研发出了GNSS多频多星接收机，提高了GNSS系统自动化监测的可靠性和稳定性，基于GNSS多频多星接收机的自动化监测系统在水电工程大坝、高边坡自动化监测中已逐步使用，如溪洛渡、锦屏、长河坝水电工程等。

GNSS系统具有的主要优点：全天候无人值守连续自动监测；可远程配置接收机，监控状态，自动获取数据；提供位移数据的限差检核和报警；提供实时数据分析和图形化报表；可随时增配功能模块并持续升级；受天气变化影响较全站仪小。

GNSS系统具有的主要缺点：受地形条件影响较大。

2.2 测量机器人系统

由于测量机器人的测量精度较高，为±(1 mm+1 ppm)，加之其又可以做到无人值守，故其在很多变形监测工程和精密工程中被较为广泛的应用，如小浪底工程外部变形监测，二滩水电站大坝外部变形监测，小湾水电站高边坡监测等。

测量机器人系统具有的主要优点：

无人值守，可远程控制多台全站仪，24 h连续观测；实时在线获得监测结果，即时限差检核并超限警告；提供多种图形化分析报告；系统稳定可靠。

测量机器人系统具有的主要缺点：

测量机器人仪器费用高；雨雪雾天及暴晒等恶劣气象条件下均不可靠或无法正常作业。

2.3 GNSS和测量机器人联合系统

GNSS和测量机器人组成联合系统。测量机器人弥补了GNSS系统受地形观测环境影响造成的观测精度较差的缺限，而GNSS又满足了雨雪雾天及暴晒等恶劣气象条件下连续全天候观测的要求，从而使系统的可实施性和时效性得到提高。而且基准点通过GNSS基准网的联测解算，可对其坐标进行修正，从而提高了监测成果的可靠度。

3 联合系统的工作原理

平面位移监测控制网系统：建设3个GNSS基准点(其中2个用于起算，1个用于稳定性校核)，系统采用具有存储功能的GNSS双频接收机作为数据采集设备，GNSS接收机接收GNSS原始测量数据，通过无线网络发送(或直接下载)到监控中心进行处理，根据处理结果分析基准网的可靠性及变形情况。

大坝自动化监测系统：布置2个控制基准点(GNSS+测量机器人)，监测点均采用“北斗+GNSS”的双星高精度GNSS接收机并加装360°棱镜。GNSS接收机接收GNSS原始测量数据，通过3G无线网络或光纤发送到监控中心进行处理，得到基准点与各监测点之间的相对位置数据，并对位置数据进行分析，从而达到对各监测点的位移进行监测的目的。

4 外观自动化系统的组成

系统由相对独立的三个分系统组成：平面位移监测控制网分系统、GNSS+测量机器人监测分系统以及监控中心分系统。总体框图见图1，系统网络拓扑图见图2。

图1 项目总体系统组成框图

图2 系统网络拓扑图

5 系统设计方案

5.1 平面位移监测控制网分系统

5.1.1 系统功能

(1) 提供监测点位移解算基准；

(2) 定期对基准点位置进行校准。

5.1.2 系统方案设计

为保证控制基准点观测数据可靠，基准点采用GPS+北斗的双星GNSS接收机作为观测数据采集设备，既可以将观测数据存储到接收机内部的CF卡上，还可以将观测数据通过数传链路传输至监控中心。

平面位移监测控制网以3个GNSS站作为基准点，在系统运行过程中，如果没有发现控制基准点发生位移，则每3个月重新采集数据，按照国家B级GNSS网的精度进行观测。控制网的基线解算采用高精度的专业软件，观测星历采用IGS精密星历。基线处理结果的检验应满足《全球定位系统(GNSS)测量规范》(GB/T 18314-2009)中相关条款的规定。平差计算采用配套专业软件，全网在进行三维无约束和约束平差、整体平差后，提供在ITRF框架下各点的地心坐标和大地坐标、各基线的地心坐标分量和大地坐标分量、所有参与平差的基线改正数和平差值及其精度信息。

在提供转换参数或提供至少3个GNSS控制基准点的土建施工坐标的前提下，将计算后的坐标系统统一转换为所需坐标系统。

5.1.3 系统组成框图

系统组成框图见图3。

图3 基准点系统组成框图

5.2 GNSS和测量机器人组合监测分系统

(1)系统功能。

采集各监测点的GNSS和测量机器人的原始观测数据；

依据各监测点位移变化情况，监测并预测该区域滑坡趋势。

(2)系统方案设计。

根据现场实际情况，在现有监测系统中改造12个监测点，测点安装情况见图4。其GNSS系统使用双频双星系统的GNSS接收机、GNSS扼流圈天线并在天线下方安装360°棱镜。

5.3 监控中心分系统

5.3.1 系统功能

(1) 采集控制基准点，定期控制基准点及各监测点的观测数据；

(2) 完成平面控制网数据处理及解算；

(3) 完成各监测点数据处理及解算；

(4) 进行监测分析。

5.3.2 系统方案设计

监控中心分系统的主要功能是进行数据的处理和显示，包括处理定期观测点(定期控制基准点和监测点)的数据。使用专用的专业软件对控制网数据进行三维无约束和约束平差、整体平差，提供在ITRF框架下各点的地心坐标和大地坐标、各基线的地心坐标分量和大地坐标分量、所有参与平差的基线的改正数及平差值及其精度信息，并提供相应点的地方坐标与系统坐标。

根据现有环境，该监测中心由1个无线SM、3个数传电台及天线、串口设备服务器、数据处理软件及用户自购设备(交换机、服务器、台式计算机、UPS、避雷系统、供电系统)等组成，并提供公网连接服务，完成对12个测点的改造并网。

数据处理软件用于对控制网和各监测点的数据进行接收、处理和分析。

监控中心的电台天线安装在监控中心房顶，与相应的监测点电台天线通视，天线和接收机之间采用在线避雷器进行避雷保护；无线SM同样架设于房顶与基站观测房的AP保持通讯。

5.3.3 软件子系统设计

(1)变形监测软件结构组成情况见图5。

(2)软件组成。

软件由系统监控软件、控制网解算软件、数据处理中心软件、变形解算软件组成。

图5 变形监测软件结构组成图

(3)功能说明。

①系统监控软件。

软件根据数据处理中心软件发送过来的数据回传信息，对基准点、监测点的GNSS数据及常规观测数据回传状态进行监控，显示数据回传情况，查询、显示、分析各监测点的变形情况及报警情况，并对系统监控参数进行设置。系统监控软件用例图见图6。

②控制网解算软件。

该软件具有的功能是根据采集回来的基准点数据、其他控制基准点数据对控制网进行结算，并将解算结果存入数据库，提供变形解算软件必要的参数。

③数据处理中心软件。

该软件通过无线网络，从基准点、监测点接收回传回来的数据并进行格式转换，保存为变形解算软件可用的格式。

将基准点、监测点的GNSS、全站仪的观测信息发给系统监控软件，监控数据回传的状态。

图6 系统监控软件用例图

将系统监控软件对基准点、实时监测点数据回传时间间隔的设置信息转发给基准点、实时监测点的控制器。

④变形解算软件。

该软件对采集回来并转换为标准格式的各监测点数据进行变形解算，并将解算出来的结果保存到数据库，供系统监控软件分析变形时使用。

6 测区环境测试

通过对测区环境进行测试，分析各数据采集设备的观测环境和观测数据质量，可验证系统的可实施性，同时有利于对系统进行优化设计。

6.1 测量机器人测试

测试选择三个测站分别对坝顶上游侧13个测点进行观测，观测在不同的天气情况下进行，其中阴天观测1组、雨天观测1组、晴天观测2组，每组12测回。

测试仪器选用TM30，其具有自动照准和补偿功能。

各测站正倒镜互差的统计情况见表1,方向观测中误差统计情况见表2。

表1 各测站正倒镜互差统计表 /″

表2 各测站方向观测中误差统计表 /″

测试所用全站仪(TM30)在不同天气条件下均能稳定运行，观测到的最大2C值为6.1″，满足一等观测精度指标。

根据全站仪补偿值计算原理，正倒镜之差与全站仪轴系补偿值具有相关性[4]，进而得到以下结论：不同的天气条件下，阴天全站仪的运行情况最为稳定，补偿值最小；雨天次之；晴天受太阳照射和气温变化的影响，补偿值较大。

在相同天气情况下对测站之间的情况进行比较，三个测站中TN1测站角度观测值最为稳定，观测条件最好；对同一测站在不同天气情况下的情况进行比较，以阴天的方向观测值中误差最小，最适合观测。

6.2 GNSS测试

使用TEQC和RTKlib软件对坝顶部分监测点的GNSS环境测试观测数据进行计算分析，得到的主要数据质量评价指标汇总见表3。

大坝坝顶GPS可见卫星数为5～8颗，平均为6颗左右，数量偏少。采用BDS/GPS双系统GNSS接收机能显著提高测站可见卫星数量，但新的BDS卫星的加入并非一定能优化测站的图形结构，这主要与BDS卫星的轨道结构有关。PDOP值总体上小于参考值7，左右岸坝段由于山体遮挡，PDOP值略大于河床段。

表3 坝顶监测点观测数据质量评价指标表

多路径效应指标MP1和MP2数值总体偏大，反映监测站受到来自上游侧水面和山体的多路径影响较为明显，特别是在采用BDS/GPS接收机和一般测量型天线情况下；而采用扼流圈天线，抗多路径效果则较为明显。对于同一测站，所观测到的MP1和MP2指标均与接收机及其天线自身的性能有关。

7 结 语

大坝外观监测是水电工程一项重要的工作内容，笔者介绍了根据目前外观自动化监测系统并结合国内某大型水电站混凝土重力坝的实际情况设计的外观自动化变形监测系统(包括GNSS加测量机器人自动化系统的组成及各模块的功能)以对其实施自动化、全天候的变形监测，并对控制网分系统、GNSS和机器人组合监测分系统、监控中心分系统提出了设想。

同时，通过对现场环境的全面测试，科学分析了试验区Georobot测量和GNSS测量的主要误差源，认为在今后系统设计、点位选取和设备选型时应予以充分考虑。

[1] 徐绍锉，程温鸣，等．GPS在大坝和滑坡安全监测中应用的研究[J]．水力发电，2003，29(1)：61-64．

[2] 王 川，杨姗姗，等．GNSS监测系统在小湾拱坝安全监测中的应用[J]．水电自动化与大坝监测，2013，37(11)：63-67.

[3] 李征航．GPS定位技术在变形监测中的应用[J]．全球定位系统．2001，26 (2)：18-25．

[4] 邹永涛．全站仪误差分析及其测量自动化的研究[D]．北京：北京林业大学,2012．

(责任编辑：李燕辉)

2016-12-24

TV7;TV522

B

1001-2184(2017)01-0037-05

华博深(1988-)，男，江西临川人，工程师，硕士，从事大坝及边坡外观变形监测工作；

刘满江(1975-)，男，陕西咸阳人，高级工程师，学士，从事工程测量与安全监测工作；

刘 峰(1984-)，男，河南信阳人，工程师，硕士，从事工程测量与安全监测工作.