基于北斗卫星导航定位系统的大坝变形自动监测系统.doc

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1、基于北斗卫星导航定位系统的大坝变形自动监测系统解决方案建议书目录内容简介0AbStract0一、 系统概述1二、 系统特点3三、 系统主要技术43.1 北斗定位技术43.2 RTK技术53.3 系统主要功能6四、 系统方案设计与实现74.1 系统总体设计74.1.1 系统工作原理104.1.2 传感器的布置114.1.3 基站与测站的布置114.1.4 数据采集及传输子系统124.1.5 数据处理及存储子系统144.1.6 安全预警子系统174.2 系统硬件设计174.2.1 接收机选型与接口分析174.2.2 监控中心服务器184.2.3 监控中心工作站184.3 系统软件设计184.3.1

2、 基站与测站软件设计184.3.2 监控中心软件设计18插图目录图 1大坝变形实时监测系统联接图8图 2 大坝实时数据流程示意图9图 3 差分信号的传递路径13图 4 控制命令的具体流程14图 5 RTK数据、原始数据流14图 6 服务器软件功能19图 7 客户端软件功能20内容简介全球卫星导航系统的出现和不断发展完善，为水利大坝的变形监测提供了新的技术手段和方法。长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规测量方法，正在被一次性确定三维坐标的、高速度的、高效率的、高精度的卫星定位仪器所代替。本文运用“北斗二号”卫星定位技术，结合RTK、静态相对定位等技术，对大坝变形实时监测系统进行了详细设计。主

3、题词：北斗二号;大坝;RTK;静态相对定位AbStractThe emergence of global satellite navigation system and continuously developed for the civil engineering technology provides a new means and methods to make mapping a revolutionary change in location technology. For a long time with the angle, distance, measurement stand

4、ards as the main measurement method, is determined by a one-time three-dimensional coordinates, speed, high efficiency, high-precision satellite positioning equipment replaced. In this paper, Compass II satellite positioning technology, combined with RTK, static relative positioning techniques, real

5、-time monitoring system of bridge and highway landslide monitoring system designed in detail.Key words: Compass II; Civil engineering ; Static relative positioning ;RTK positioning1、 系统概述1.1 大坝监测的意义我国目前已建成的水库大坝约86000座，坝高在15米以上的约有19000座。据初步统计，在已建的这些水库大坝中，被列为病险的大中型水库有620余座，被列为病险的小型水库有33600余座。对部分大坝存在的缺

6、陷或隐患，如不及时发现和处理，将直接影响大坝的安全，甚至演变为溃坝的灾难性事故。据报道，我国在50年代末60年代初曾发生过溃坝。滑坡大部分分布在河流的两岸，其数量之多难以统计。仅三峡库区就有滑坡2490处，自1980年以来，有30多处发生崩塌、滑坡，造成重大损失。由此可见,对大坝、滑坡的安全监测非常重要。传统的形变监测是在监测区建立控制网，使用精密测距仪和经纬仪为主要手段，选择网中高等级点建立统一基准，将这些监控网点用可靠的方法高精度地与各部位的独立基准点联测，将独立基准点各部位倒垂、正垂、引张线等监测系统联系起来，形成整体的监测网络系统。监测网的精度和可靠性要求高，观测周期多，所需费用高，而

7、且需要大量的人力物力。北斗精密定位技术已在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及。与观测边角相对几何关系的传统测量方法相比，北斗监测具有很大的优点。与普通的工程测量不同，滑坡及大坝形变监测需要实时传送数据，并不断更新，达到监控的目的。普通的全站仪由于其内部的电器、光学特性使得它不能工作在雨雪天气，夜里也无法完成测量作业，北斗技术由于其全天候作业的特点不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将北斗信号传输到控制中心，实现数据自动化传输、管理和分析处理，它可以实现高度自动化，大大减轻外业强度，同时又能够迅速得到高效可靠的三维点位监测数据。1.2 大坝监测的现状和需求随

8、着经济的发展和科技的进步，大坝工程的建设规模和速度都在快速增长，随之而来的各种工程事故也层出不穷，大坝监测工作显得愈加重要。传统的大坝监测工作是采用人工监测手段定期或不定期(比如大坝结构受到意外损伤、载荷突变、处于特殊气象环境等情况下)分别对大坝的关键部位单独监测，并将现场测试数据带回实验室进行分析处理。然而，面对日益增长的交通压力，原来的人工监测手段已无法满足大坝养护的要求，难以有效防范突发事件的发生，主要表现在：1、 定时监测，间隔时间长，缺乏连续监测资料，而且监测数据不是实时监测数据，不能随时反映出大坝在极端受力状态和恶劣环境下的运营状况，起不到预防与报道的作用；2、 高程测量由人工完成

9、，受读数误差、视角、天气、温度等因素的影响，测量精度不高；3、 每次监测都需要做好充分的准备，从安排加载车辆，调试仪器，搭设脚手架，安装和拆除传感器，到组织人员封闭交通，每个环节都不能疏漏，需耗费大量的人力、物力和财力，花费较长时间。由于人工监测的方法难以对大桥进行实时精确测量，我们必须寻求更先进的方法。 2、 系统特点北斗定位技术是全球卫星定位导航系统应用于大坝监测领域的一项新技术，其可以实现实时、高动态、高精度位移测量，为大坝实时安全监测提供了必要条件。北斗定位技术测量采样率达10Hz，其最高精度平面内误差低于1cm，高程误差低于2cm，而大坝主要振动频率都在0.5Hz以下，振幅在车辆随机

10、激励下在10cm左右，在台风作用下达米级， 因此北斗定位技术完全可以满足大坝实时监控的需要。与传统人工监测相比，采用北斗定位技术的大坝变形实时监测系统具有以下优点：1、 由于是接收卫星信号定位，所以桥上各点只要能接收到4颗以上卫星及基准站传来的差分信号，即可进行高精度定位。各监测站之间勿需通视，是相互独立的观测值，而且可以实现不同测点间的同步观测。2、 观测工作可以在任何地点，任何时间连续地进行，受外界大气影响小，目前的BD2卫星定位仪都具有防水装置，可以在暴风雨中进行监测。3、 测定位移自动化程度高。从接收信号，捕捉卫星，到完成差分计算都可由仪器自动完成。所测三维坐标可直接存入监控中心服务器

11、进行大坝安全性分析。4、 定位速度快、精度高。在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程，提供三维坐标。3、 系统主要技术在本系统的设计中，主要使用北斗定位技术和RTK技术。3.1 北斗定位技术“北斗二号”卫星导航定位系统（简称BD2）是我国自主研发的为用户提供快速定位、简短报文通信和授时服务的一种新型、全天候、全球性卫星定位系统。“北斗二号”采用与GPS相同的定位原理，即知道未知点到已知点的距离，未知点必然位于己知点为球心的，距离为半径的球上，测出未知点和三个己知点之间的距离，则未知点在三个球圆周的相交处，从而准确的测出未知点的位置。使用北斗定位技术的大坝变形实时监测系统与

12、使用其他卫星定位技术（如GPS、GLONASS等）的监测系统相比具有以下优势：1、 自主知识产权、国内政策主导“北斗二号”卫星导航系统是我国自主开发，不受外国控制的新一代导航系统。我国拥有该系统的自主知识产权，受我国政策的主导。因此，相比于国外GPS等系统，该系统将保证国内用户的利益不受国外政策和形势的变化而影响。2、 定位精度高“北斗二号”卫星导航定位系统的定位性能与GPS相当。系统采用差分技术（如RTK）后，其定位精度最高可达厘米级，完全满足大坝监测的精度要求。3、 发展前景广阔当前，我国已将卫星导航定位应用产业及通信系统产业化项目列入国家重点新产品项目和国家高新技术产业示范工程，明确列入

13、国家“十一五”规划，作为卫星导航定位应用产业的关键核心技术之一。随着北斗卫星系统的建设和不断完善，我们有理由相信未来北斗卫星导航系统在大坝监测方面的应用必将有更广阔的前景。3.2 RTK技术RTK技术（Real Time Kinematics）即载波相位差分技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。RTK定位精度高，可以全天候作业，每个点的误

14、差均为不累积的随机偶然误差。且外业操作简单，只需一个人，属于真正的一人操作系统。其平面精度可以达到1cm+1ppm，高程精度可以达到2cm+1ppm，完全可以满足大坝监测的精度要求。3.3 系统主要功能大坝变形实时监测系统，主要是利用北斗定位技术和RTK技术进行大坝结构整体性能的监测。系统主要功能包括大坝结构位移变形的监测和大坝动力特性及振动水平的监测。1、 大坝结构位移变形监测大坝结构位移变形监测又可分为大坝基础沉降变形监测、加劲梁挠度和桥塔位移变形监测两方面。l 大坝基础沉降变形监测大坝结构基础的稳定，是确保大坝安全运营的前提，大坝基础的沉降会给大坝结构造成多方面不利影响。过大沉降，特别是

15、基础不均匀沉降会引起大坝结构前半身过大的附加内力、大坝线形的恶化以及大坝附属设施(支座、伸缩缝、栏杆等)的损坏。l 加劲梁挠度和桥塔位移变形监测大坝作用下的加劲梁的轴线和桥塔位置是大坝整体安全状态的重要标志。活载作用下，加劲梁的挠度是评价大坝使用功能和安全性的重要指标之一，是大坝整体刚度的重要标志。通过对大坝基础沉降变形监测和加劲梁挠度以及桥上运行荷载的监测，可以从整体上把握大坝安全和安全状态。2、 大坝动力特性及振动水平的监测大坝动力特性参数(频率、振型、阻尼等)和振动水平(振动强度和幅值)也是大坝整体安全的重要标志。大坝质量的退化会引起结构振动特性的改变，例如大坝结构刚度的降低会引起大坝自

16、振频率的降低，大坝局部振型的改变可能暗示着结构局部损坏。因此，对大坝动力特性及振动水平的监测能够起到整体上对大坝结构安全状态监测的目的。4、 系统方案设计与实现4.1 系统总体设计大坝变形实时监测系统由基准站、监测站和监控中心三部分组成，各部分之间使用光纤通信网实现数据交互。其中监控中心由工作站、中心服务器和集线器等组成，为星形拓扑结构的局域网。中心服务器具备文件服务器、数据库服务器和WEB服务器多种功能，在局域网内可以实现办公自动化和信息共享。大坝变形实时监测系统联接图如下。按具体功能的不同，大坝变形实时监测系统又可分为数据采集及传输、数据处理及存储和安全预警三个子系统。后文将分别予以设计。

17、图 1大坝变形实时监测系统联接图图 2 大坝实时数据流程示意图系统各部分功能如下:1、 基准站:在基准站设有高精度接收机，对卫星进行连续观测。基准站负责将RTCM数据实时发送到监测站。2、 监测站: 每个监测站都设有一台高精度接收机。监控站输出RTK差分结果和原始数据。3、 工控机:主要负责接收监测站的原始数据和RTK差分结果，同时可向监测站发送控制命令，通过切换开关控制共享、分配器的工作。4、 远程控制器:远程启动和复位监测站，改变接收机的采样频率。5、 共享分配器:把差分信号由一路分成多路，每路差分信号和对应的控制命令通过切换开关共享一路。6、 中心服务器:运行数据库，处理工控机发送来的数

18、据供工作站显示和分析。7、 工作站:显示终端，实时显示大坝监测结果，进行安全分析。8、 附加传感器:如风速计、温度计、车辆称重仪等。及时了解大坝产生较大变形的原因。4.1.1 系统工作原理对大型大坝进行实时监测，主要是通过测定大坝主要特征点(如桥塔，大坝跨中等)在温度、风力、载荷和地震等外界因素影响下的位移变化特征，进而对大坝的安全状况进行评估和预警。本系统根据大桥的结构和受力特点，布设许多个测量点，采用光纤网络传输手段，能对大坝上的多个观测点进行自动同步位移测量。测量点的实时坐标通过RTK方式得到，其定位原理如下：在基准站安置一台高精度接收机，对测区内的卫星进行连续观测，并通过光纤网络实时将

19、观测数据和站坐标信息广播给测站；测站一方面通过接收机接收卫星定位信号，同时通过光纤网络通信链路接收基准站传送的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地处理数据，并实时地以厘米级的精度给出测站的三维坐标。具体来说，系统工作过程可分为以下几个步骤：1、 基准站上的接收机跟踪其视场内的所有卫星，监测站的接收机同时接收相同卫星的信号;2、 通过光纤网络，以一定的采样率(如10Hz)实时地将基准站接收机获得RTCM数据传输到监测站;3、 在监测站,接收来自卫星的信号和来自基准站的信息，进行实时差分处理，可得到监测站的三维坐标，并以一定的采样率发送到监控中心;4、 监控中心接收各监测点的监测结果，并通过数据

20、处理软件作进一步的处理与分析，可以得到结构在特定方向上的位移、旋转角等参数。所有这些位移信息被保存到数据库中，以便对大坝进行进一步的安全评估提供依据。4.1.2 传感器的布置为了及时了解大坝产生较大变形的原因，要进行大坝工作环境监测，一般包括风速风向、环境温度与结构温度分布、车辆荷载等等。通过在大坝的适当位置设置附加传感器，能达到对大坝工作环境监测的目的。4.1.3 基站与测站的布置基站与测站的布置要求如下：1、 基站要布置在相对稳定的桥外固定点上，上空应尽可能开阔，200m的范围内不能有强电磁波干扰源,基站和测站之间的距离一般不超过15km。2、 加劲梁的主跨跨中一般来说是大坝变形最大的部位

21、，因此要在该部位设置测站。3、 为了能够即时根据测点数据得出加劲梁的线型，同时测量加劲梁在变形时的挠度及振动特性, 因此要在1/4跨的位置设置测站。4、 考虑到桥塔为高耸结构，桥塔顶部在较大风速下变形较大，因此要在该部位设置测站。5、 大桥的钢索索力状态是衡量大桥是否处于正常运作状态的一个重要标志，因此如果资源充足，应该在主缆上设置测站。6、 若边跨跨度较大，应在边跨跨中设置测站，这样能够更加准确地得出大坝线型和评估大坝的安全状态。4.1.4 数据采集及传输子系统对于整个监测系统而言，数据采集部分是基础，是整个监测系统数据的来源。大坝变形实时监测系统能否对大坝结构的安全状况做出正确评估和预警取

22、决于数据采集系统能否采集到准确、可靠、有代表性、能如实反映结构状态的各种特征信息。本系统的数据采集端选用高精度定位接收机，采用RTK技术后，能实时地以厘米级的精度给出测站的三维坐标，经监控中心处理后，能对大坝结构的安全状况做出正确评估和预警。大坝变形实时监测系统具有实时性高、采样数据量较大的特点，故大坝变形实时监测系统对数据传输的稳定性和可靠性都有较高要求。由于光纤不受电磁波干扰，在恶劣作业环境下，如雷暴、高压电流的电磁场影响、强风等，光纤通讯网络仍能维持高水平的数据传输质素和速度。先进的光纤收发仪器更能侦测光纤网络信息的中断并发出警号，让维修人员实时知道通讯网络出现问题的位置，确保系统工作效

23、率。因此系统的数据传输采用高效率和高稳定性的光纤网络。系统信号流程如下：1、 差分信号的传送由于大桥实时监测系统的精度要求较高，水平X、Y的误差为1cm，高程误差为2cm，所以采用的RTK差分方式。差分信号传递的实时性比较强，为减少信号延迟，在系统的设计时差分信号回路应减少控制。差分信号的传递路径如图。图 3 差分信号的传递路径2、 控制命令的传递根据监测系统的实际情况，接收机应能单独输出0-20Hz采样频率的RTCM数据，也能同时输出RTK结果和原始数据，这需要系统能根据实际需要远距离设置桥上接收机的参数。系统的实现是先由工作站的设置程序通过网络通信去控制工控机上的数据采集程序，再由采集程序

24、根据工作站的命令控制切换开关，向各个接收机发送指令。控制命令的具体流程见下图:图 4 控制命令的具体流程3、 RTK差分结果和原始数据传递RTK数据、原始数据的采集是系统工作的核心，数据量在通信回路上也是最大的。系统能处理两种数据任意频率的组合，通过工控机的处理，RTK结果以数据库方式存入服务器，原始数据以文件形式写入，具体流程如下图:图 5 RTK数据、原始数据流4.1.5 数据处理及存储子系统数据处理及存储子系统接收基站和测站的数据进行存储和进一步处理，供安全预警子系统使用。数据处理及存储子系统主要包括CGS2000坐标到大坝局部坐标系变换、风载、温度、车辆荷载对大桥位移的影响分析、频谱分

25、析、数据压缩及存储等功能。1、 预处理大坝变形实时监测系统的监测数据中或多或少会存在一些奇异值，尤其是卫星信号存在噪声，所以要进行监测数据的平滑处理，将奇异值进行剔除。该系统是无人值守24小时连续实时监测系统，在传输过程中也难免会出现一些数据丢失的现象，这时子系统能根据丢失点的前后数据通过插补得到该丢失点的数据，以保证监测数据序列的连续性。2、 坐标变换由于实时监测系统获得的监测点的坐标是CGS2000坐标，为了便于分析大坝的变形，通常应将所得到的CGS2000坐标按高斯投影变成平面坐标，然后变换成大坝局部坐标系下的坐标。在测站，接收来自卫星的信号和来自基准站的信息，采用接收机集成的软件进行实

26、时差分处理，可得到监测站的三维坐标，并以一定的采样率发送到监控中心。监控中心接收各监测点的监测结果，并通过数据处理软件作进一步的处理与分析，可以得到结构在特定方向上的位移、旋转角等参数。3、 风载、温度、车辆荷载对大坝位移的影响分析系统通过附加传感器可实时记录大坝所在位置的风速、风向，根据所得测点的对桥身、塔顶、主缆的三轴向位移资料，可对大桥进行风力将就监测及结构的抗风验算复核。l监测系统长时间监测大桥整体结构的位移变化，可引证因环境温度而引发的日夜和季节性的位移变化周期。l对一般大跨度大坝而言，交通挤塞是交通(车辆)荷载的主要设计考虑因素。测量和论证交通荷载设计假设和参数的有效性是大跨桥交通

27、荷载监测的主要项目。从监测系统得出的桥身、塔顶、主缆的三轴向位移资料，可与交通荷载分布状况的监测资料互相验证，协助进一步制定大坝结构的各级应力阶段，并用作大桥主要构件的疲劳估算。系统能绘出位移时程曲线图，对照相应时间内的风速、环境温度、车辆荷载等，便可很直观地显示出大坝位移随风速、温度和车辆荷载变化而变化的趋势，定量地分析出在某一温度、某一风速、某种荷载时大坝前产生的最大位移，最后由这些成果来分析风速、温度和车辆荷载对大坝位移的影响程度。4、 频谱分析通过分析监测点位移时程曲线，可以得到大坝的震动频率和振幅。利用快速傅立叶变换的方法，通过频谱分析可以得到监测点功率谱曲线，与设计的理论值或不同时

28、段的功率谱曲线进行比较，以诊断大坝结构的稳定性。5、 数据压缩及存储数据压缩及存储是子系统重要功能之一，大坝变形实时监测系统是一个长期的监测系统，因而从监测系统中采集的监测数据是海量的，以至很难采用传统的文件形式管理监测数据，必须采取一定的数据压缩技术。此外，对来自监测系统的统计数据、处理和分析结果也应该进行有效的管理。数据库技术是管理海量数据的有利工具，运用数据库技术，系统能对存储原始观测数据和存储平差结果数据的数据表进行维护，从而使测量数据在整个实时监测系统中行如一条流水线，快速、准确、自动地进行数据的存取，实现实时地处理观测数据，及时地得到位移结果，为整个大坝的安全运营增加一道保险。4.

29、1.6 安全预警子系统安全预警子系统要实现的功能主要是安全预警和应急处理，在监测过程中如果发现经过自动处理后的监测数据异常，应能够及时地通知大坝监测的管理人员。若监测数据达到或超过报警值，系统能自发地做出响应，及时停止桥上的交通，尽量减少万一出现事故时的生命财产损失。安全预警子系统主要功能如下：1、 设置报警值报警值是根据现场条件和一般工程经验以及大坝检定规范可以确定的一个限值，当达到该限值时大坝结构会出现危险、或路面行车会不安全。2、 安全预警和应急处理当系统监测到监测数据异常，系统能通过无线通讯网络（如GSM）实时通知管理人员，以便及时排除大坝安全隐患。当系统监测到监测数据达到或超过报警值

30、，系统可通过在大坝上安装的自动报警装置，第一时间向桥上车辆发出危险警报。4.2 系统硬件设计4.2.1 接收机选型与接口分析接收机采用本公司自主研发的北斗二号/GPS双模接收机，采用RTK方式，能使精度提高到厘米级(cm)，完全满足大坝监测的精度要求，达到业内先进水平。4.2.2 监控中心服务器服务器是系统运转的中枢,选用IBM高档服务器,其配置为: CPU为IntelXEON2. 0以上,选用双CPU结构;内存在4 G以上,硬盘为3个10 000转120 G硬盘,选用磁盘阵列卡备份数据,网卡为1000M。4.2.3 监控中心工作站工作站是系统的终端，选用高档计算机。4.3 系统软件设计大坝变

31、形实时监测系统主要由基站、测站和监控中心三部分组成，因此系统的软件也相应分成三大部分。4.3.1 基站与测站软件设计基站的软件主要实现RTCM数据的采集，并通过光纤实时传输给各个测站。测站的软件主要接收基站RTCM数据，进行实时解算，将RTK差分结果传输到监控中心。4.3.2 监控中心软件设计监控中心在数据操作和处理上采用C/S体系结构,在远程监控浏览上采用B/S结构,以数据服务平台为基础,向用户提供先进、便捷的服务,实现监测数据的管理、发布和显示。监控中心软件设计可分为服务端数据管理程序和客户端数据分析程序两部分。1、 数据管理程序服务器端的数据管理程序如图所示。包括:参数设置和客户端管理模块、原始数据采集管理模块、客户端实时数据发布模块和UPS电源监控功能模块。图 6 服务器软件功能2、 数据分析程序客户端数据分析程序包括:连接管理与参数设置模块、监测站参数设置模块、实时监测数据显示模块、备份数据回放模块、历史数据回放模块、报表分析模块、报警模块和数据备份模块。图 7 客户端软件功能