高邊坡遠程自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)

1、高邊坡遠程自動化安全監(jiān)測系 統(tǒng)高邊坡遠程自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)對于自然或人工的邊坡及大壩等重要建筑物的變形監(jiān)測，通常有常規(guī)監(jiān)測和GPsa測兩種方法。常規(guī)監(jiān)測方法是使用經(jīng)緯儀、測距儀或全站儀等儀器，采用前方交會、邊角網(wǎng)、極坐標(biāo)差分等方法獲取監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的 數(shù)據(jù)處理方法獲得監(jiān)測點的位移量；GPSB測法是將GPSR收機分別安置在基準(zhǔn) 站和監(jiān)測點上，觀測相同衛(wèi)星載波測量值，利用載波相位的差分觀測值，獲得 高精度的基線向量，從而獲得監(jiān)測點相對基準(zhǔn)點的三維位移量。常規(guī)監(jiān)測方法的優(yōu)點是觀測數(shù)據(jù)直觀可靠，短距離獲得的精度高、投資少。 但缺點是受通視條件、氣象條件以及施工干擾的影響，在進行長距離監(jiān)測時

2、精 度較差并且很難提高。但大壩修筑的山區(qū)峽谷地帶氣候復(fù)雜多變，每到雨季更 有濕度大，霧氣大的特點，使得常規(guī)的監(jiān)測方法在雨季這樣監(jiān)測的重要時期不 具備實效性。而GPS衛(wèi)星定位技術(shù)不受天氣的干擾，點位間毋需通視，容易實 施長距離的精確定位。此外 GPS所具有精度高、速度快等優(yōu)點，是常規(guī)監(jiān)測方 法難以比擬的，它已成為當(dāng)今最先進的形變監(jiān)測手段。隨著新型GPS接收機的開發(fā)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷提高，GPS快速靜態(tài)定位的精度在短距離（10km范 圍內(nèi)的精度可以達到13mm大大提高了變形監(jiān)測的精度。GPS 乍為一種高新技術(shù)，在我國水電工程建設(shè)中已獲得了一些應(yīng)用，但在大壩、邊坡安全監(jiān)測中應(yīng)用卻是個十分薄弱的環(huán)節(jié)

3、。影響GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)測系統(tǒng)的最大障礙是昂貴的費用。由于監(jiān)測點和基準(zhǔn)站上都需要安置接收 機，當(dāng)在大壩、邊坡這樣大范圍區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)測時，需要布設(shè)的測點很多，因此 投入成本很大。若采用分批觀測方法又需要較長周期。因此極大制約GPS在該領(lǐng)域的發(fā)展。針又t GPS&安全監(jiān)測中存在的問題，我們提出了 GPS-機多天線思想，并研 究開發(fā)了 GPS一機多天線控制器，使一臺 GP或收機能互不干擾的連接多個大 線。在這種體系下，每個監(jiān)測點上只安裝 GPS天線，而不需安裝接收機，從而極 大地降低了安全監(jiān)測系統(tǒng)的造價。該項技術(shù)開發(fā)為大壩、高邊坡利用GPS進行 安全監(jiān)測創(chuàng)造了極為良好的條件，也使 GPS技術(shù)在

4、水利水電工程中擁有了更為 廣闊的應(yīng)用前景。止匕外，基于GPS 一機多天線控制器也為高邊坡自動化連續(xù)遙測創(chuàng)造了有利 條件。為了實現(xiàn)這種無人職守的安全自動的工作模式，需要開發(fā)遠程自動化監(jiān) 控系統(tǒng)。應(yīng)顧及海量GPS始數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及成本。GPS-機多天線無線遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)新研制的GPS-機多天線監(jiān)測系統(tǒng)解決了以上問題， 它利用多天線控制器， 使一臺GPSR收機能連接8個天線，可以監(jiān)測8個點的變形，大大降低了設(shè)備 投入。利用快速靜態(tài)定位理論和濾波技術(shù)，能在快速確定整周模糊度；采用專 用天線減弱了多路徑效應(yīng)的影響，大大提高了觀測精度。此系統(tǒng)可以根據(jù)需要 進行定時或?qū)崟r監(jiān)測。一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)綜合了微波

5、技術(shù)、計算機實時控制 技術(shù)、大地測量數(shù)據(jù)處理和定位算法等，在保證每個GPS天線能同時至少觀測到4顆衛(wèi)星的情況下，由計算機控制對數(shù)據(jù)進行自動采集，并基于快速靜態(tài)定 位理論和卡爾曼濾波技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)實時監(jiān)測的變形分析和預(yù)報。 另外，考慮到高邊坡多屬危險地區(qū)，為了保證人身安全，需要實現(xiàn)無人職守的 工作模式，對監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)采用無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路，提出了基于GPS-機多天線的無線遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)。使系統(tǒng)從觀測、采集、傳輸、解算分析都實現(xiàn)全自動化，從而 快速準(zhǔn)確地預(yù)報邊坡的變形。接收機陣列天線陣列圖1 GPS 一機多天線方法示意圖邊坡遠程自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、計算機網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)

6、用 軟件、趨勢分析及預(yù)警五個子系統(tǒng)組成。見圖 1圖2 GPS 一機多天線 遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)示意圖(1)原始監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分主要負責(zé)各監(jiān)測點 GP繳據(jù)的接收和存儲。其核 心部分是一機多天線控制器。它由硬件和軟件控制兩大部分構(gòu)成。硬件部分包 括多通道微波開關(guān)及相應(yīng)的控制電路、一臺 GPS8收機及相應(yīng)的處理芯片組成。 軟件部分實現(xiàn)控制多通道工作方式并可設(shè)置測點的觀測時間、與GPS接收機通訊和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。實時控制技術(shù)等有機結(jié)合，使接收機能夠互不干擾地接 收若干個GP雙線傳輸來的信號。并通過嵌入式系統(tǒng) PC-104更為有效的控制系 統(tǒng)工作和數(shù)據(jù)的存儲與傳輸。圖3基于PC/104控制的GP夠天線控制

7、器常規(guī)GPS形變監(jiān)測，每個GPS天線對應(yīng)一臺GPS接收機，天線與接收機 之間距離較近（一般為3米），利用接收機廠家提供的信號傳輸電纜便可完成日常 工作。使用GPS一機多天線控制器在邊坡這樣大范圍區(qū)域內(nèi)進行形變監(jiān)測，連 接GPS天線與控制器之間電纜線受現(xiàn)場條件和點位布置關(guān)系的限制，GPS天線與控制器以及GPS接收機間的距離較遠，如圖2.10所示，通?？蛇_幾百米甚至 上千米。為解決因傳輸電纜較長造成 GPS信號衰減的問題，我們開發(fā)了低噪音 信號放大器，如圖2.11所示，以確保GPS原碼數(shù)據(jù)能正常處理。一般情況下， 需要在電纜線中間加入低噪音信號放大器，另一方面還需要利用PVC管或鋁合金管保護連接電

8、纜和低噪音信號放大器，以防止施工或鼠類動物等的破壞。圖5低噪聲信號放大器(2)數(shù)據(jù)無線傳輸主要負責(zé)將采集到的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?，主要利?GPR敬術(shù)實現(xiàn)。GPR* Gerneral Packer Radio Service的英文縮寫，中文譯為通用無線分組業(yè)務(wù)，具體來講，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的科技，即以分組的形式把數(shù)據(jù)傳送到用戶手上。相對于GSM勺9.6kbps的需要10-30秒，而GPRW需要極短的時間就可以訪問到相關(guān)請求；而對于費用訪問速度而言,GPRSM有171.2kbps的訪問速度；在連接建立時間方面,GSM而言，GShM按連接時間計費的，而 GPRW需要按數(shù)據(jù)

9、流量計費；GPRS寸于網(wǎng)絡(luò)資源的利用率而相對遠遠高于 GSM因此，GPRSg術(shù)具有省時、省力、省花費優(yōu)勢。針對無線公網(wǎng)GPR新提供的服務(wù)優(yōu)勢，用戶只要在數(shù)據(jù)發(fā)送端保證有 通訊信號覆蓋，在接收端保證接入到INTERNET絡(luò)，并有一個固定的IP地址, 就可以將數(shù)據(jù)源源不斷地發(fā)送到目的地。而且 GPRSS訊可以將多個發(fā)送端的數(shù) 據(jù)發(fā)送到同一個IP地址的接收端。這種“多對一”的傳輸模式，便于系統(tǒng)的開 級擴展。另外，無線公網(wǎng) GPR聯(lián)輸不受距離限制，用戶可以靈活選擇接收端位 置。這樣就有利于安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心遠離測區(qū)現(xiàn)場惡劣環(huán)境，有效保障 系統(tǒng)的正常運行。止匕外，在必要時作為決策平臺的監(jiān)控中心還可以

10、根據(jù)情況轉(zhuǎn) 移到專家聚集地，發(fā)揮系統(tǒng)方便、靈活的特點。GPR沃線圖6 GPRS通訊終端及天線(3)計算機網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以監(jiān)控中心為核心建立一管理局域網(wǎng)。局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)中 心服務(wù)器、數(shù)據(jù)接收工作站、數(shù)據(jù)處理工作站以及成果顯示工作站。中心服務(wù)器具備文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等多種功能，在局域網(wǎng)內(nèi)可以實現(xiàn)辦公自動 化和信息共享。邊坡上實時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)接收工作站，工作站根據(jù) 數(shù)據(jù)標(biāo)識將數(shù)據(jù)整理歸類后發(fā)送到中心服務(wù)器入庫備份。數(shù)據(jù)處理工作站通過 相應(yīng)的應(yīng)用軟件對接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行解算分析 .通訊服務(wù)終端數(shù)據(jù)處理終端(4)應(yīng)用軟件子系統(tǒng)析、管理為一體的高邊圖8控制中心現(xiàn)場控制終端圖7監(jiān)控中心示意圖包含了監(jiān)測數(shù)據(jù)解算、分坡安全監(jiān)測專用軟件。從而實現(xiàn)資料錄入、計算分析、查詢、統(tǒng)計、圖形繪制、報表打印等。界面友好、 功能強大，使用方便。資料錄入實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動更新，并將數(shù)據(jù)按處理時段合并 整理后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心服務(wù)器進行備份；GP酸據(jù)解算軟件通過獲得監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，并將解算數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫，通過相應(yīng)的算法分析