水电工程表面变形监测自动化系统建设及应用研究

姜泉泉 刘绍英 刘东庆 徐 亮

(1. 国电新疆吉林台水电开发有限公司, 新疆 伊宁 835000;2. 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司, 北京 100024)

0 引言

水电作为我国清洁电力能源计划的重要组成部分,得到了长期持续发展。受水文地质、施工质量、运行管理、工程老化以及自然灾害等因素影响,电站工程设施及周边环境,可能出现坝体破损、渗漏、库岸侵蚀、垮塌等现象,不仅关系水电站正常运行,而且会威胁到国家及人民的生命财产安全。早期水电站表面变形安全监测大多采用人工观测方式[1],进行监测数据的获取、分析和预报,存在监测频次低、数据采集工作量大、易产生人为差错和受外界环境干扰(如高寒、高温)等缺点[2],难以较好的完成监测预警的目的。

随着测绘仪器设备自动化及计算机网络监控软件技术水平的进步,自动化数据采集和传输技术得到了长足的发展,自动化监测具有无人值守、实时在线、实时计算分析等优点,而且自动化可进行持续监测,既能避免人为误差、有效提升监测成果的测量精度与可靠性,也便于被监测对象变形规律和空间形态变化的及时掌握。

目前自动化监测技术在电站工程外部安全监测中已逐步得到推广运用,既有的外观自动化监测系统,大多采用设备厂家提供的程式化监测技术方案,虽较好地解决了人工观测存在的缺点与不足,但所实现的自动化观测系统在环境的适应性和功能的智能化等方面仍存在提升与完善的空间。依据项目合同要求,新疆吉林台一级水电站拟对现有人工监测系统进行自动化升级改造,项目任务包括引水渠道边坡自动化监测[3]和枢纽区表面变形全站仪自动监测系统改造建设两项工作内容。为此我单位在总结以往电站工程外观自动化系统建设经验的同时,针对该项目特殊地理环境、系统功能需求以及现有自动化系统存在的缺点与不足等,组织开展系统建设相关应用技术研究工作,以确保完成的电站外观自动化改造系统,在全面实现各项合同技术要求的同时,能够迅速将监测成果转化为安全信息,为电站运营管理的智能化、信息化提供可靠的监测数据支持。

1 设计思路

电站位于新疆北部高寒地区,属北温带大陆性气候,日照较长、昼夜温差大、无霜期短,多年平均风速2.5 m/s、最大风速24 m/s，冬季积雪较深且寒冷漫长,每年10月至翌年3月为冰冻期,最大冻土深度约1.6 m左右。该地区为多民族聚居地,生活有汉族、哈萨克族、维吾尔族、回族、蒙古族等多个民族。

根据项目自动化系统建设要求,针对电站引水渠道边坡不稳定体位置偏远、测点分散、无稳定供电等特点,拟采用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)方式建立自动化监测系统[4],对渠道边坡稳定情况实施在线监测。充分考虑电站枢纽工程区各部监测点的位置分布及周边环境,拟采用测量机器人以极坐标方法对监测点和参考点进行非接触测量;通过智能观测房建造、测量机器人、自动观测控制、数据检核与通信等组建测量机器人自动化监测系统;系统功能包括:可预先设置各项观测限差和精度指标、按指定时间或控制中心指令完成监测数据采集、智能观测房能通过气象环境及能见度的判定阈值控制观测窗的启闭、对采集的监测数据实施自主控制,并将符合要求的观测成果适时传至工控机等。最后将GNSS或测量机器人系统自动采集的监测数据解算、存储后,通过本地服务器发送至数据管理云平台,将监测成果以电脑页面、移动终端等多种形式推送发布及可视化展示。

为使建立的GNSS和全站仪自动化监测系统全面适应当地的特殊环境,且实现本项目外观监测自动化、智能化功能,需着重解决好以下应用技术问题:

(1)GNSS标点的环境适应性及野外保护的问题;

(2)高纬度、高海拔、高寒地区的智能观测房的设计和建造;

(3)自动化观测方法及测量精度的研究;

(4)气象站、智能观测房、测量机器人系统三者间的交互控制;

(5)监测数据的平差处理及成果精度;

(6)GNSS和全站仪监测数据的集成管理和监测信息的可视化展示。

2 GNSS自动化系统

2.1 GNSS标点组成

GNSS标点类型包括GNSS基准站标点和监测站标点。标点由观测墩(杆)建造、GNSS接收机设备、供电系统、通讯与传输系统、防雷击装置及其他辅助设备组成[5]。

2.2 系统施工建设

充分收集了解当地最大冻土深度数据,确保GNSS自动化监测系统的基准标点和监测标点[6]基础埋深均在冻土深度以下。基准点的选位从稳定和间距适当两方面综合考虑,监测标点则从能准确反映渠道边坡实际变形为出发点,遵循设计要求选定基准站和监测站标点的埋设位置,并依据基础地质条件和破碎风化状况,确定标点混凝土基础埋设尺寸。为适应现场高寒、多风、昼夜温差大等气候特点,标点应具有良好的抗风性,为避免温度对监测成果的影响,在要求标点立杆铅直的同时,基准站和监测站标点建造选择相同的材质和规格。此外通过提高标点基础混凝土建造强度和立杆高度,提升GNSS标点野外保护能力。

根据本项目边坡不稳定体所处的地理位置和自然环境条件,引水渠道沿线两处不稳定体分别采用2座基准标点加6座监测标点和2座基准标点加7座监测标点的组合方式,分别埋设8座和9座GNSS标点。设备选型时,从GNSS接收机设备价格、获取数据的稳定性、主板的耐用性、特殊环境的适应性、工程应用经验、厂商市场信誉以及售后服务评价等方面综合比选,采用国内知名品牌GNSS设备供应商,其高精度GNSS监测设备包括:E40G多频监测型接收机和A40c监测型GNSS天线及相应设备附件。GNSS系统基础建造及最终埋设式样见图1。

2.3 监测数据输出

设立本地服务器将各GNSS标点监测原始数据接收并集中存储入库,应用设备供应商提供的解算软件,由于现场对空条件良好,接收卫星数据质量优良,采用1 h时长的观测数据解算时点位精度即完全达到设计要求。确定GNSS自动化监测系统的数据采集与数据处理的时间间隔为1 h,将GNSS监测成果[7]通过移动通信网络推送至项目管理云平台固定端口,进行集中发布,实现引水渠边坡不稳定体的远程、在线监测。

3 全站仪自动化系统

3.1 工作原理及系统组成

基于全站仪(即测量机器人)的自动化监测系统[8],其原理是利用安装于固定位置的测量机器人,接收监测控制中心发送的指令,按设定的测量方法对监测点和参考点进行周期性非接触测量,为保证数据采集的质量,根据外部环境智能选择合适的观测时机,由预先设置各项观测限差[9],自动控制补测或重测,并将符合要求的观测数据实时传回至工控机,通过系统软件的数据处理、量值对比及统计分析,将观测数据迅速转化为连续的监测成果信息。全站仪自动化监测系统主要观测方法是极坐标距离差分法。

(1)极坐标法点位误差计算

在不顾及起始点误差、测站点和照准点对中误差等情况下,极坐标测量平面点位精度估算公式如下:

(1)

Mp: 点位误差;ms:测距误差;β: 垂直角;S:斜距;m0: 测角误差。

由式(1)可知,监测点平面点位误差的主要来源是测距误差,通过气象改正公式计算,在1 000 m距离上,1℃的温度影响约为0.96 mm,50 Pa的气压影响约为0.15 mm。同理高程点位精度也与测距误差有着直接联系。

(2)距离差分改正

假设测站点与参考基准点已知斜距为d0,且参考点点位稳定,周期观测时受气象变化影响观测斜距为d1,则本期观测距离改正系数k为:

(2)

若某监测点初始斜距为s0,本期观测监测点斜距为si,则差分改正后斜距为s1:

s1=si-k×s0

(3)

本期观测边长变化量为:s1-s0。

(3)系统组成

全站仪自动化系统主要由固定棱镜监测点、测量机器人、智能观测房、工控机、通信系统、控制中心及预警平台等几部分组成。

3.2 智能观测房布置及建造

根据枢纽工程区监测点分布,确定观测方法并进行严密精度估算评定后,在不影响原有监测控制网网形结构位置布置3座智能观测房。观测房外观呈六边形,整体采用方钢框架结构,便于自动启闭门窗的安装及与监测点的通视;观测房内部空间能满足工控机柜、工作台等设备布置的同时,还留足维护人员工作活动的空间;观测房外采用镀锌钢板与框架锚固密封,顶部加盖整块正六边形花纹钢板,固定并做防锈处理后压盖绝缘辅材,进行隔热、防水及防雷处理;内部采用PVC装饰材料贴面,内外墙之间预留走线空间和线槽,其余部分采用保温棉填充;观测房顶部和平台均安装安全围栏,围栏采用不锈钢焊接,各观测房均安装钢管爬梯,爬梯上部安装安全护箍,下部安装防盗爬装置。

3.3 测量机器人设备选型

自动化测站测量机器人[10]采用徕卡TM50全站仪,现场3个测站,安装3台徕卡测量机器人。徕卡新一代精密监测机器人是以超精密三维自动化测量而著称的新型测量机器人,测角精度0.5″、测距精度标准棱镜下0.6+10-6D(D为平距),自动目标识别(ATR)能力最远可达3 km,可通过自带或第三方监测软件实现自动变形监测。

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3.4 观测房自动升降测窗设计

选定测站机器人位置,依据监测点的水平、垂直视线偏角,设计窗体大小为长1 100 mm×宽800 mm,升降窗安装建筑钢化玻璃,下部安装电缸推杆,通过接收工控机发送的指令,由伺服驱动器控制推杆完成观测窗升降启闭;窗框周边铺设发热电缆,防止冬季结冰对测窗启闭带来影响。

3.5 观测房气象采集设备集成

集成气象采集设备布置在观测房顶部,包括超声波风速仪、能见度观测摄像头、雨/雪传感器和内外温度传感器四部分;可自定义气象采集频率(如:1次/min),实时获取雨雪、风力、温度和可见度四项气象数据,数据传输至工控机作为观测时气象条件的判断依据。

3.6 监测点棱镜保护

枢纽工程区原有人工观测测点41座,新建测点7座,为实现表面变形测点的自动观测,所有测点观测墩顶部均安装固定棱镜目标。为解决防雨雪、防盗、防偏转等问题,依据监测站和测点位置进行棱镜保护罩设计,实施测点设施改造,设计加工的整套棱镜装置包括整平基座、连接螺栓、棱镜支架、徕卡单棱镜和保护罩等部分。单独设计的整平基座具有水平调节功能,确保目标棱镜处于竖直状态。棱镜及保护罩通过防盗螺丝固定后,棱镜及观测窗口均正对相应的一体化智能测站。

3.7 监测系统集成与数据传输

各智能观测房均设置一台工控主机,通过二次开发的全站仪自动化数据采集软件,集中控制测量机器人、自动测窗等设备。智能观测房按约定观测频次并参考现时气象条件,定期对各监测部位监测点实施观测。观测准备时,分析由气象采集设备获取的气象条件是否达到观测要求,当条件满足时,由控制软件发送指令控制测窗开窗及测量机器人开机准备,至内外温度传感器测量温差满足要求时开展自动观测。观测过程中,根据限差控制数据观测质量,平差计算获取周期性监测成果。观测结束后将全站仪自动化监测成果通过光缆发送至电站本地服务器进行检查入库,实现电站枢纽工程的自适应控制监测。

4 系统应用成果展示

表1 监测点相邻期坐标分量差值的中误差

在集控中心搭建具有固定地址的项目管理云平台服务器,集成了国电新疆吉林台公司喀什河流域各电站内外观监测成果的集中网上展示功能,云平台在收到各电站本地服务器推送的监测成果后,即可在网页或移动设备客户端界面实时浏览各监测点信息。包括最新一期、近7天以及历史数据等。可进行模拟测量,观看整个模拟测量的过程,根据历史数据,依据内置多种预测分析模型进行分析统计,绘图制表,并一定程度上做到变形趋势预测。全站仪自动化系统智能测站成品及云平台[12]展示界面如图2。

5 结束语

自动化监测系统的投入使用,提升了吉林台水电站外观监测数据质量和工作效率,解决了现场原有人工观测方式存在的监测频次低、数据采集慢、受外界干扰大等缺点;实现了无人值守、实时在线、自动计算分析等功能;设计的标点保护罩及观测房对监测设备起到了良好的保护作用;极坐标差分及分组观测方法提升了全站仪自动化监测成果的精度及可靠性;数据管理云平台实现了变形数据的实时发布与预警推送,达到了预期效果。

就项目实施完成的表面变形监测自动化系统而言,在GNSS数据远程无线传输、自动化集成、系统稳定性等方面,仍有赖于通信网络、计算机、工业数控等方面技术水平的进一步发展与完善。如通过5G网络、卫星数据传输技术确保GNSS监测数据的无障碍通讯;依托未来数控技术,着力解决智能测站自动化控制系统的模块化设计和设备的标准化集成问题,避免设备、设施间繁杂的调线连接,提高系统运行的稳定性;在监测成果的可视化展示方面,遵循物联网、大数据和可视化的未来监测理念,运用三维地理信息技术,将地理信息空间、建筑物结构模型、成果发布、安全评价、预报预警等全过程逐一展示,使最终汇集的监测信息直观、生动,具有全面性、系统性,有利于变形趋势的把握,有效指导电站安全运行生产。