浅谈GNSS自动化监测在引汉济渭黄金峡水利枢纽工程中的应用

2020-08-14马光明

陕西水利 2020年7期

马光明

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安 710100）

1 工程概况

黄金峡水利枢纽位于汉江干流上游峡谷段汉中市洋县境内，是陕西省引汉济渭工程的龙头，施工总工期52个月。该枢纽拥有当前亚洲最大的泵站，总装机12.6万kW，设计流量70 m3/s，设计扬程106.5 m。工程以供水为主，多年平均调水10亿m3，兼顾发电。

大坝采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程455m，库容2.21亿m3。虽然该工程坝高仅有63.00 m，但是由于地质条件十分复杂，左右岸边坡开挖高度分别达到304 m、148 m。

2 使用GNSS变形监测自动化系统的必要性

2.1 坝肩地质条件差且超高边坡安全稳定监测的需求

左坝肩边坡高差大，地质条件差，岩石破碎，节理十分发育，共有15条断层，其中有3条特大断层。这种地质条件下，在开挖坡度小于1∶1的自稳情况下，可能发生不稳定滑坡体。2016年7月19日左坝肩因地质原因发生大滑坡，边坡设计高度由原来的187 m变为现在的304 m。2019年～2022年度是坝体、电站及泵站施工的高峰期，坝肩安全稳定十分重要，每天24小时全天候监测监控坝肩变形情况，做出科学快速决策非常必要。

2.2 原设计方案的不足

原设计方案采用全站仪半自动化监测，存在以下不足之处：①容易受雾天、施工扬尘、刮风、下雨等环境条件影响，无法根据实际需要随时开展边坡监测；②边坡监测自动化程度不高。数据下载、处理依赖监测人员手动完成，自动化程度低，容易出错；③边坡预警预仍采用传统的人工分析预报，实时性以及适时性难以保证；④边坡工作危险性高，劳动强度大。架站和立镜都需要人员步行或攀爬，容易发生安全事故。

3 边坡GNSS自动化监测原理与可行性分析

3.1 自动化监测原理

GNSS是全球卫星定位导航系统，泛指美国的GPS、俄罗斯的GLONSS、欧盟的GALIEO及中国的COMPASS（北斗），目前应用范围较广的是美国的GPS。GNSS可为用户提供全天候的三维位置、三维速度和时间信息，在勘察勘探、航空航海、地壳监测和工程安全监测等领域应用广泛。

其基本原理是在稳定的非变形区域设置基准站，在变形监测区域设置监测站，基准站和监测站安装的GNSS接收机同步接收天空中卫星信号，数据传输系统将同一时刻的GNSS接收机获得的原始观测数据传输至远端的数据处理中心，专业的监测软件对原始观测数据进行自动解算处理，解算出监测点的实时三维坐标，精度可达毫米级。平差解算后的监测点数据，自动传入监测软件的预警预报系统，为用户及时提供预警预报信息。

3.2 可行性分析

要实现GNSS自动化监测，前提是卫星信号、网络通讯、供电和交通等基础设施服务条件的具备。基础设施服务条件良好，才能顺利实现该系统的安装，实现各项子功能的发挥，从而保障高精度的自动化监测成果，给用户准确的预警预报信。

3.3 GNSS变形监测自动化系统可行性试验研究

采用9台GNSS接收机，前后对边坡监测网进行了三次静态相对测量实验。测量数据经严密平差、似大地水准面精化后，将获得的各监测点数据成果与同期次的全站仪半自动化监测结果进行了对比，证明GNSS静态测量的成果精度可靠，完全能满足边坡监测平面位置误差±5 mm，高程中误差±5 mm的限差要求。实地勘察GNSS接收机收星信号、通讯和电源等的实施条件，发现黄金峡水利枢纽区域具备实施GNSS自动化监测的良好条件。

4 系统设计

4.1 设计依据

本工程GNSS自动化监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。该系统的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行。

4.2 总体布置

该系统的后端数控中心，布置在枢纽良心沟信息楼；接收机天线布置在枢纽两岸边坡的观测墩上，其主机和数据传输传感器布置在边坡附近交通便利区的机柜内，就近接入电源和网络。

4.3 数据采集及监测站布置

1）数据采集系统主要包括GNSS接收机、接收机天线、天线罩和辅助设施等。

2）左岸边坡监测站的布置

左岸边坡共设28个监测点。供电电源选用国网电源及已建成的的视频监控系统的太阳能电源。网络利用通过边坡的公用网络。

右岸边坡设计有5个监测点。

3）数据传输子系统设计

本工程设计有三级数据传输节点。由接收机传输至前端数控中心，该段距离较近，且收发数据包含原始观测数据，数据量较大，采用无线网络的形式；由前端数控中心向后端数控中心传输时，由于距离较远，且该段有线网络设施齐全，尽量使用有线网络传输定位数据。

数据传输传感器设置在机柜内，就近接入电缆线，并入数据传输子系统。

4）接收机选型

精度可靠、性能参数优越、价格适中是选型标准。本工程选择上海司南公司生产的接收机，机型M300net网络版。该机型不仅性能可以达到国外同类型产品的水平，整体监测功能完备，而且价格较低，可以满足项目边坡的监测需求。接收机天线选用AT500扼流圈天线，其相位中心极小，抗干扰能力强。

5）数控制中心

它是整个系统的核心单元。中心由机房、中心网络和软件系统组成，具有数据处理、监控和网络管理的功能。后端数控中心设置在良心沟信息楼。其硬件是2台计算机、网络接入端口和电源接入端口；软件是数据解算处理软件和监控预警预报软件。2台计算机分别安装数据解算处理软件、监控预警预报软件。

5 系统施工

5.1 设备安装

①安装前对主要设备进行检验，连接扼流天线、卫星接收机、RS232转网通讯模块，通电后检验设备是否正常加电自检是否正常接收卫星信号、是否正常通讯；

②将卫星接收机、RS232转网通讯模块、太阳能控制器等设备安装固定在设备柜中，用双绞线连接接收机和通讯模块的RS232端口；

③将设备柜运至现场，用配套抱箍固定在观测墩上；

④将扼流圈天线安装到对中基座上，天线的出线位置应与设备柜在同一方向，便于连接；

⑤将扼流圈天线的数据线（同轴电缆）引入设备柜，连接到卫星接收机的相应接口；

⑥各设备接电，检查设备电源指示灯是否正常工作。

5.2 防雷系统施工

防雷系统由接地网和避雷针等组成。

5.3 太阳能供电系统施工

由太阳能电池板、电源控制器、蓄电池、地埋箱等组成。施工措施如下：

①电池板用支架固定在观测墩上，高度高于周边植被，避免阳光被遮挡；②将装好电池板的支架用抱箍固定在参考站观测墩上，调整电池板的对空角度，以获得最好的光照角度；③将蓄电池安装在地埋箱中；④将太阳能控制器安装到参考站机柜中；⑤连接电池板、电池、控制器的电缆，并接入卫星接收机、无线网桥。

5.4 通讯系统施工

通讯系统施工内容包括：光缆敷设、光纤熔接、架设无线网桥、交换机设备安装及部署、通讯系统连接测试及总调等。

5.4.1 光缆敷设

左岸边坡测点较多，布线较为复杂，局部示意图见图1。

图1 左岸边坡EL519m以上高程光缆布线图

5.4.2 光纤熔接

光缆到各监测点光纤终端盒后需进行光纤熔接，采用光纤熔接机进行熔接，引出尾纤后需进行光通路测试，合格后将尾纤盘连接到终端盒法兰和光纤收发器。

5.4.3 架设无线网桥

共使用4对无线网桥，左岸参考站-右岸边坡EL488 m马道，右岸参考站-左岸边坡EL519 m马道，左岸边坡EL519 m马道-右岸边坡EL488 m马道，右岸边坡EL488 m马道-信息大楼。

该网桥安装在立杆上，用抱箍固定，网桥与交换机之间使用屏蔽六类网线连接。该无线网桥工作频段为5.8GHz，为定向天线，指向性很强，安装时需仔细调整方向，每对网桥天线都应准确互指，以获得最佳信号强度。

5.4.4 交换机设备安装及部署

共布置3台网络交换机，左岸两台24口交换机，分别位于EL615 m马道和EL519 m马道；右岸布置一台8口交换机，位于EL488 m马道。设备安装完成后进行线路连通测试，确保设备正常工作、线路通畅。

5.4.5 通讯系统连接测试及总调

在光缆敷设、无线网桥架设、交换机安装等工作完成后，进行通讯系统连接测试。在数控中心访问每一个监测点设备、测试网络响应速度，对无法访问的设备或网络响应迟缓的测点，立即检查通讯线路和通讯质量。

5.5 倾斜摄影及变形监测区域三维地形建模

选择风和日丽、晴朗无云的天气，用无人机对工区变形监测区域进行倾斜摄影。初步估算摄影飞行面积约为6 km2；

摄影完毕后检查摄影质量，若满足要求即可对照片进行建模运算，最终生成监测区域的三维模型。

5.6 数控中心施工

主要内容为搭建起整套监测数据接收、解算、后处理系统，具体如下：组装工作站硬件系统；组装UPS电源、接通电源控制器；安装操作系统、搭建数据库平台；安装GNSS解算软件、数据处理软件平台；架设无线网桥，调试网络环境。

5.7 自动化系统调试

本系统各部分施工、安装完毕，通讯及供电系统工作正常后，进入系统调试阶段。主要工作内容有：参考站及各测点的网络通讯稳定性；用专用软件连续检查各测点卫星信号质量，为确定解算软件参数提供数据；测试不同的解算参数，如不同的滤波方法、数据时长、采样频率的多种组合，以获得最佳结果；设置数据处理平台、连接数据库、设置报表格式、图表样式等，以符合工程要求；系统连续不间断运行，通过检查软件日志和系统日志了解工作站和各个软件的运行情况、资源占有率、网络通讯速率、硬盘空间占用速率等运行信息。