大壩安全監測系統

     大壩安全監測系統支持高(gāo)精度、中長(cháng)基線解算、多系統聯合解算、 GNSS各頻率組合自(zì)動搜索解算，建立起大壩位移變化數據庫，可(kě)為(wèi) 分析大壩的(de)變形趨勢提供客觀、精準的(de)數據依據，為(wèi)人民的(de)生命、财産安全 保駕護航。

中國(guó)北(běi)鬥衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國(guó)自(zì)行(xíng)研制的(de)全球衛星導航系統。是繼美國(guó)全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）之後第三個成熟的(de)衛星導航系統。

作為(wèi)一(yī)種空間數據獲取方法，衛星定位是現代測繪學(xué)科(kē)的(de)代表技術之一(yī)。以GPS為(wèi)代表的(de)GNSS測量技術出現後，随即在變形監測領域得到了嘗試和(hé)應用。

随着GNSS自(zì)動化形變監控系統的(de)發展，以及GNSS系統精度進一(yī)步提高(gāo)。GNSS系統開始逐步從平面監測向高(gāo)程監測方向發展。同時，北(běi)鬥作為(wèi)我國(guó)自(zì)主研發、自(zì)主建設、獨立運營的(de)全球衛星導航系統，在變形監測領域也發揮了重要作用。

橋梁、大壩、滑坡等工程災害雖然不像地(dì)震、洪水、海嘯那樣一(yī)發生就造成巨大人員傷亡和(hé)财産損失，但地(dì)震、洪水、海嘯一(yī)般都是十幾年(nián)，乃至幾十年(nián)一(yī)遇，而工程災害發生非常頻繁，幾乎每周一(yī)遇。從這個意義上講，工程災害的(de)危害比地(dì)震災害、洪水、海嘯災害等有(yǒu)過之而無不及。近年(nián)來，國(guó)內(nèi)外水庫大壩潰壩現象時有(yǒu)發生，水庫大壩的(de)安全尤為(wèi)重要，及時對大壩的(de)變形進行(xíng)監測，如(rú)果壩體變形超過舍得安全允許時，及時報警，在大壩安全性保障方面顯得十分重要。尤其在汛期和(hé)抵抗大的(de)洪水的(de)時候，将起到直接決定洩洪與否的(de)決定性作用。因此為(wèi)了準确預報工程災害，到達減災防災的(de)目的(de)，必須對有(yǒu)可(kě)能帶來災害工程進行(xíng)監測和(hé)預警。一(yī)般的(de)方法是利用外觀資料和(hé)引起外觀位移的(de)因變量等各種資料，進行(xíng)綜合分析，及時掌握其運營狀态及變化趨勢，在災害未發生之前進行(xíng)預警并采取相應的(de)對策，從而保證建築物的(de)運行(xíng)安全和(hé)保障人民的(de)财産不受損失。

災害監測的(de)危害性和(hé)實時性，決定了需要一(yī)套在辦公室就能自(zì)動獲取各種變形監測數據，并實時對數據進行(xíng)分析和(hé)預測預報的(de)系統。那麽這樣的(de)系統對儀器或監測技術提出更高(gāo)要求，主要概括下面三點：自(zì)動化程度高(gāo)，在天氣惡劣條件下也能監測；實時獲取變形，盡量在數據觀測完後，就能夠得到變形量；價格适宜，如(rú)果太高(gāo)，不便于推廣應用。

基于上述需求，同時，北(běi)鬥變形監測系統已經在成本、精度和(hé)實時性等方面遠遠優于傳統的(de)變形監測方法。因此，理(lǐ)論上基于北(běi)鬥的(de)水庫表面變形北(běi)鬥監測系統可(kě)完全滿足需求。本系統采用我國(guó)北(běi)鬥衛星導航系統（BDS）和(hé)美國(guó)全球定位系統（GPS）雙系統聯合解算， 具有(yǒu)定位速度快、全天候、自(zì)動化、測站之間無需通視(shì)、可(kě)同時測定點的(de)三位坐标及精度高(gāo)等特點。通過精密解算獲得的(de)水平位移和(hé)垂直位移量可(kě)達到毫米級乃至亞毫米級的(de)精度， 可(kě)對水庫大壩較大變形進行(xíng)預警， 為(wèi)大壩的(de)穩定性、安全性和(hé)防洪決策提供了科(kē)學(xué)依據。

設計原則

本系統應用北(běi)鬥、GPS 實時監測技術對大壩變形進行(xíng)監測并作精密解算，從而使水平位移和(hé)垂直位移量達到毫米級乃至亞毫米級精度。系統整體設計、關鍵部件研發、軟件設計和(hé)系統整體測試方案均以此目标為(wèi)核心，并綜合考量系統穩定性、可(kě)靠性、易用性以及環境适應性。軟件設計可(kě)充分滿足實時數據處理(lǐ)要求，并達到标稱精度。

                                                             圖2.1 總體設計

本系統由數據采集、數據傳輸、數據處理(lǐ)與分析3大部分組成。數據采集為(wèi)自(zì)主研發的(de)北(běi)鬥、GPS多模多頻GNSS高(gāo)精度監測型接收機(jī)（Mos-L300），數據傳輸采用無線通訊方式，數據處理(lǐ)與分析為(wèi)自(zì)主研發的(de)高(gāo)精度實時變形監測系統監測軟件（QGMOSV1.0）

監測軟件可(kě)提供實時解以及準實時解等多種解算模式，每個監測點可(kě)同時輸出實時解和(hé)3 hour、24 hour等準實時解，滿足數據分析中對探測精度和(hé)穩定性等指标的(de)要求。

1. 系統遵循科(kē)學(xué)可(kě)靠、結構合理(lǐ)、功能完善、經濟适用的(de)原則；

2. 緊密結合GNSS系統有(yǒu)關國(guó)家規範以及各行(xíng)業規範，實現理(lǐ)論研究與工程實踐的(de)統一(yī)；

3. 采用目前國(guó)際上GNSS算法研究方面較先進的(de)理(lǐ)論成果，提高(gāo)數據處理(lǐ)方法的(de)效率和(hé)精度，并保證監測系統精度滿足應用需求；

4. 實現數據采集、處理(lǐ)、分析、輸出、存儲、報警全過程的(de)自(zì)動化，可(kě)實現長(cháng)期無人值守連續自(zì)動運行(xíng)監測；

5. 系統通信網絡及接口符合工程設計總體規劃，便于擴展維護；系統功能豐富，可(kě)滿足不同領域用戶需求；

6. 人性化操作設計，保證軟件操作的(de)便捷及穩定。

水庫表面變形北(běi)鬥監測系統控制點包括兩類：基準站和(hé)監測站。一(yī)般根據現有(yǒu)資料以及以往的(de)建設經驗進行(xíng)布點設計。觀測測站對于接收衛星信号的(de)能力與測站周圍的(de)觀測環境有(yǒu)較大關系，監測精度與觀測時長(cháng)息息相關。所以，在點位選擇過程中，應綜合考慮觀測環境等因素，選擇合适的(de)環境與相應的(de)設備。

圖4.1 基準站

                                                                圖4.2 監測站

數據的(de)采集

理(lǐ)論上大壩在短(duǎn)期的(de)時間內(nèi)的(de)水平方向和(hé)垂直方向位移量為(wèi)0，采用這種方法來測試北(běi)鬥監測系統的(de)穩定性，采用北(běi)鬥變形監測系統某一(yī)監測點的(de)數據進行(xíng)穩定性分析，監測的(de)數據為(wèi)自(zì)定義站心坐标系，設定一(yī)段時間觀測，主要分析內(nèi)容為(wèi)24小時解，3小時解，實時解。下面為(wèi)采用實際項目監測點的(de)數據分析。

數據分析

使用監測站前三天數據建立起始坐标基準點，第四天、第五天、第六天與前三天起始坐标進行(xíng)比較，其24hour輸出的(de)位移量觀測坐标水平變化小于1mm，垂直方向小于2mm。

分析結論

由采集數據分析得出結論為(wèi)：以前三天數據為(wèi)平均值做(zuò)為(wèi)監測點起始坐标，将後三天的(de)數據與之比較，水平方向坐标變化範圍為(wèi)0.385mm，小于1mm，垂直方向坐标變化範圍值為(wèi)-0.840mm，小于2mm，滿足設計要求，達到亞毫米級别。

結論

通過多個水庫項目表面變形北(běi)鬥監測系統試驗，以及對設備自(zì)身、安裝布設、電纜連接、系統采集等多方面進行(xíng)考核，系統總體指标已達到國(guó)內(nèi)外同等水平，系統的(de)穩定性，可(kě)靠性優于國(guó)內(nèi)同類水平。