低温雪上环境场地场馆精准形变监测系统方案研究

2020-06-12张颖芝姚勇

中国信息化 2020年5期

张颖芝姚勇

一、前言

依托北斗高精度定位系统，结合风力、风向、温度、湿度、降水量、雪深等传感器数据，可以实现低温雪上环境下的场地场馆精准形变监测。

本文提供一套技术方案，通过研究雪场关键位置精准定位与传感设备布设方案，结合雪场GIS/BIM模型数据，构建覆盖雪场区域的毫米级雪层/雪上场馆形变监测系统，实现对冬奥雪场的全天候连续实时精准监测，同时形成多级预警机制，将监测点位异常状况信息推送至不同应急管理部门，切实保障冬奥场馆运营安全。

二、关键技术研究

（一）技术方案

目前监测雪层厚度变化的方式主要依赖于雪深仪的监测，主要通过反射雪层表面至雪深仪的高差来对雪层厚度进行识别。北斗多传感器系统主要监测地面位移变化，通过北斗基准站、北斗监测站以及渗压计、固定式测斜仪、雨量计、裂缝计等设备结合，对地表及地面深处的位移变化进行2小时静态毫米级的监测，并根据监测值得变化结果进行实时预等服务。对地面和雪层厚度的监测方式目前应用比较广泛且成熟。

但对于一些大型高山滑雪赛事的比赛场地（如冬奥会），其地势往往陡峭且地质结构复杂，再加上大量的观众对赛场的冲击，会对山地地质结构产生较大的影响。而雪层厚度的实时变化会对运动员的比赛结果造成一定程度的影响。由于雪深仪的监测是相对结果，在监测其变化时，无法准确判定是由于地面沉降引起的雪层厚度变化，还是冰雪融化引起的雪层厚度变化，如果因为地面沉降，但雪层厚度实际上没有发生变化，一味进行人工造雪也會对比赛产生影响，而且会威胁到运动员及观众的生命安全。给监测结果带来非常大的影响。

一个改进方案是将北斗监测站的监测墩与雪深仪支架进行刚体连接，形成一体，北斗监测站结合传感器监测的是地面的位移变化，雪深仪监测的是雪层的厚度变化，二者充分结合，即可准确判定出究竟是由于地面沉降还是冰雪融化引起的雪层厚度变化，为比赛的顺利进行、运动员的高水平发挥以及现场人员的人身安全等提供重要的保障依据。其原理如图 1所示。

北斗监测站和雪深仪的布设方式如图 2所示。

其他关联传感器包括渗压计、固定式测斜仪、裂缝计、雨量计、风速风向计、温度传感器等。数据通讯方式可以是地面网络（4G/5G）、网线、LORA、NBIOT、无线网桥、北斗短报文等多种方式；数据可直接网络传输，也可通过专用网关进行传输；设备供电方式为电池供电、太阳能供电、220V供电、380V工业用电等。

结合几种传感器的数据，其预测模型判断方式如表1所示。

其中所涉及的关键技术所下所述。

（二）北斗高精度位移形变监测方法

北斗高精度位移形变安全监测技术用于位移及沉降形变安全通常用到的是北斗相对定位原理。相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的北斗卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，消去整周模糊度参数等，使基线精度提高。如图 3所示，如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星（至少四颗）。而且A是一个已知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就可以加以确定。

（三）多传感器辅助监测方法

多传感器辅助形变安全监测方法主要是通过布设在地表深处的渗压计监测地下水压力值来判定地下深处土层的变化、通过布设在地下深处的固定式测斜仪（一般每8米布设一个）通过专用套管分段布设，来监测地下每一个深度范围的地层变化，再辅以裂缝计、雨量计、风速风向计、温度计等传感器，通过外界环境的变化监测，进行地下及地表形变的综合判定。

（四）雪深仪雪层厚度监测方法

雪深仪雪层厚度识别方法主要是通过雪深仪照射雪层，通过雪层反射光线与雪深仪之间的相对距离变化来监测雪层厚度的变化，具体工作原理如图 4所示：

雪场北斗监测站及传感器布设如图 5所示。