第３６卷第１期 ２ ０ １ ７年２月 四川水力发电 Ｖｏ１．３６．Ｎｏ．１ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｆｅｂ．，２ ０ １ ７ 大坝外观自动化监测系统设计与环境因素影响评价 华博深， 刘满江， 刘 峰 （中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都摘６１００７２） 要：介绍了三种外观自动化系统，结合国内某大型电站混凝土重力坝进行了初步设计；介绍了自动化系统的组成构架及 各子系统的功能与联系；对外观自动化系统中的控制网分系统、ＧＮＳＳ和机器人组合监测分系统、监控中心分系统进行了功 能设计，并对现场观测环境进行了测试，以便充分考虑各系统的误差源，达到优化设计的目的。 关键词：大坝自动化监测；ＧＮＳＳ；测量机器人；环境因素 中图分类号：Ｔｖ７；ＴＶ５２２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－２１８４（２０１７）０１－００３７－０５ １概述 能模块并持续升级；受天气变化影响较全站仪小。 ＧＮＳＳ系统具有的主要缺点：受地形条件影 响较大。 ２．２测量机器人系统 目前，外部变形自动化监测方法应用较多的 主要有基于全球卫星定位技术的ＧＮＳＳ系统和基 于测量机器人的自动化系统以及二者的综合系 统。由于各系统的工作特性各异，其在实际应用 中适用性有所不同。在混凝土重力坝监测方面， 由于水库大坝往往地处深山峡谷，受环境影响明 由于测量机器人的测量精度较高，为±（１ ｍｉｌｌ＋１ ｐｐｍ），加之其又可以做到无人值守，故其 在很多变形监测工程和精密工程中被较为广泛的 应用，如小浪底工程外部变形监测，二滩水电站大 显且其所要求的监测精度较高，难度更大。 笔者以国内某大型混凝土重力坝为例，介绍 了其大坝外观自动化监测系统设计。该坝址位于 高山峡谷区，谷坡陡峻，地质构造相对复杂，两岸 地形总体坡面较为整齐，山体浑厚，河谷呈不对称 的“Ｖ”型。 ２ 自动化系统的组成 ２．１ ＧＮＳＳ系统 坝外部变形监测，小湾水电站高边坡监测等。 测量机器人系统具有的主要优点： 无人值守，可远程控制多台全站仪，２４ ｈ连续观 测；实时在线获得监测结果，即时限差检核并超限警 告；提供多种图形化分析报告；系统稳定可靠。 测量机器人系统具有的主要缺点： 测量机器人仪器费用高；雨雪雾天及暴晒等 恶劣气象条件下均不可靠或无法正常作业。 ２．３ ＧＮＳＳ和测量机器人联合系统 ＧＮＳＳ自动化变形监测系统已被国内外桥 梁、铁路、水电站大坝等各行业普遍应用。近年 来，随着我国北斗卫星系统中的卫星数量不断增 多，组网逐步完善，同时，科技工作人员研发出了 ＧＮＳＳ和测量机器人组成联合系统。测量机 器人弥补了ＧＮＳＳ系统受地形观测环境影响造成 的观测精度较差的缺限，而ＧＮＳＳ又满足了雨雪 雾天及暴晒等恶劣气象条件下连续全天候观测的 要求，从而使系统的可实施性和时效性得到提高。 而且基准点通过ＧＮＳＳ基准网的联测解算，可对 ＧＮＳＳ多频多星接收机，提高了ＧＮＳＳ系统自动化 监测的可靠性和稳定性，基于ＧＮＳＳ多频多星接 收机的自动化监测系统在水电工程大坝、高边坡 自动化监测中已逐步使用，如溪洛渡、锦屏、长河 坝水电工程等。 ＧＮＳＳ系统具有的主要优点：全天候无人值 其坐标进行修正，从而提高了监测成果的可靠度。 ３联合系统的工作原理 守连续自动监测；可远程配置接收机，监控状态， 平面位移监测控制网系统：建设３个ＧＮＳＳ 基准点（其中２个用于起算，１个用于稳定性校 核），系统采用具有存储功能的ＧＮＳＳ双频接收机 作为数据采集设备，ＧＮＳＳ接收机接收ＧＮＳＳ原始 自动获取数据；提供位移数据的限差检核和报警； 提供实时数据分析和图形化报表；可随时增配功 收稿日期：２０１６—１２－２４ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ■ 华博深等：大坝外观自动化监测系统设计与环境因素影响评价 ２０１７年第１期 测量数据，通过无线网络发送（或直接下载）到监 控中心进行处理，根据处理结果分析基准网的可 靠性及变形情况。 大坝自动化监测系统：布置２个控制基准点 （ＧＮＳＳ＋测量机器人），监测点均采用“北斗＋ ＧＮＳＳ”的双星高精度ＧＮＳＳ接收机并加装３６０。棱 镜。ＧＮＳＳ接收机接收ＧＮＳＳ原始测量数据，通过 ３Ｇ无线网络或光纤发送到监控中心进行处理，得 到基准点与各监测点之间的相对位置数据，并对 位置数据进行分析，从而达到对各监测点的位移 进行监测的目的。 ４外观自动化系统的组成 系统由相对独立的三个分系统组成：平面位 移监测控制网分系统、ＧＮＳＳ＋测量机器人监测分 系统以及监控中心分系统。总体框图见图Ｉ，系 统网络拓扑图见图２。 图１项目总体系统组成框图 ＧＰＳ与反射棱镜 组合监测点 基准站 串口光纤转换器 串口崩光纤，转换器无 网桥 串 图２系统网络拓扑图 ５系统设计方案 ５．１ 平面位移监测控制网分系统 （２）定期对基准点位置进行校准。 ５．１．２系统方案设计 为保证控制基准点观测数据可靠，基准点采 用ＧＰＳ＋北斗的双星ＧＮＳＳ接收机作为观测数据 ５．１．１ 系统功能 （１）提供监测点位移解算基准； 困Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 第３６卷总第１８８期 四川水力发电 ２０１７年２月 采集设备，既可以将观测数据存储到接收机内部 的ＣＦ卡上，还可以将观测数据通过数传链路传 输至监控中心。 平面位移监测控制网以３个ＧＮＳＳ站作为基 准点，在系统运行过程中，如果没有发现控制基准 点发生位移，则每３个月重新采集数据，按照国家 Ｂ级ＧＮＳＳ网的精度进行观测。控制网的基线解 算采用高精度的专业软件，观测星历采用ＩＧＳ精 密星历。基线处理结果的检验应满足《全球定位 相关条款的规定。平差计算采用配套专业软件， 全网在进行三维无约束和约束平差、整体平差后， 提供在ＩＴＲＦ框架下各点的地心坐标和大地坐 标、各基线的地心坐标分量和大地坐标分量、所有 参与平差的基线改正数和平差值及其精度信息。 在提供转换参数或提供至少３个ＧＮＳＳ控制 基准点的土建施工坐标的前提下，将计算后的坐 标系统统一转换为所需坐标系统。 ５．１．３系统组成框图 系统组成框图见图３。 系统（ＧＮＳＳ）测量规范》（ＧＢ／Ｔ １８３１４—２００９）中 ＧＰＳ天线 避 接收机＋ 全站仪 ＵＰＳ 电力 线浪 涌保 护器 串口服务器 交换机 电池板 图３基准点系统组成框图 ５．２ ＧＮＳＳ和测量机器人组合监测分系统 （１）系统功能。 （２）系统方案设计。 根据现场实际情况，在现有监测系统中改造 采集各监测点的ＧＮＳＳ和测量机器人的原始 观测数据； 依据各监测点位移变化情况，监测并预测该 区域滑坡趋势。 １２个监测点，测点安装情况见图４。其ＧＮＳＳ系 统使用双频双星系统的ＧＮＳＳ接收机、ＧＮＳＳ扼流 圈天线并在天线下方安装３６０。棱镜。 ５．３监控中心分系统 图４测点安装示意图 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ圈 华博深等：大坝外观自动化监测系统设计与环境因素影响评价 ２０１７年第１期 ５．３．１ 系统功能 根据现有环境，该监测中心由１个无线ＳＭ、３ （１）采集控制基准点，定期控制基准点及各 监测点的观测数据； （２）完成平面控制网数据处理及解算； （３）完成各监测点数据处理及解算； （４）进行监测分析。 ５．３．２系统方案设计 监控中心分系统的主要功能是进行数据的处 理和显示，包括处理定期观测点（定期控制基准 个数传电台及天线、串口设备服务器、数据处理软 件及用户自购设备（交换机、服务器、台式计算 机、ＵＰＳ、避雷系统、供电系统）等组成，并提供公 网连接服务，完成对ｌ２个测点的改造并网。 数据处理软件用于对控制网和各监测点的数 据进行接收、处理和分析。 监控中心的电台天线安装在监控中心房顶， 与相应的监测点电台天线通视，天线和接收机之 间采用在线避雷器进行避雷保护；无线ＳＭ同样 架设于房顶与基站观测房的ＡＰ保持通讯。 ５．３．３软件子系统设计 （１）变形监测软件结构组成情况见图５。 （２）软件组成。 点和监测点）的数据。使用专用的专业软件对控 制网数据进行三维无约束和约束平差、整体平差， 提供在ＩＴＲＦ框架下各点的地心坐标和大地坐 标、各基线的地心坐标分量和大地坐标分量、所有 参与平差的基线的改正数及平差值及其精度信 息，并提供相应点的地方坐标与系统坐标。 软件由系统监控软件、控制网解算软件、数据 图５ 变形监测软件结构组成图 处理中心软件、变形解算软件组成。 （３）功能说明。 该软件具有的功能是根据采集回来的基准点 数据、其他控制基准点数据对控制网进行结算，并 将解算结果存人数据库，提供变形解算软件必要 的参数。 ①系统监控软件。 软件根据数据处理中心软件发送过来的数据 回传信息，对基准点、监测点的ＧＮＳＳ数据及常规 ③数据处理中心软件。 该软件通过无线网络，从基准点、监测点接收 观测数据回传状态进行监控，显示数据回传情况， 查询、显示、分析各监测点的变形情况及报警情 况，并对系统监控参数进行设置。系统监控软件 用例图见图６。 回传回来的数据并进行格式转换，保存为变形解 算软件可用的格式。 将基准点、监测点的ＧＮＳＳ、全站仪的观测信 ②控制网解算软件。 息发给系统监控软件，监控数据回传的状态。 皿Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏ’．， 第３６卷总第１８８期 四川水力发电 ２０１７年２月 图６系统监控软件用例图 将系统监控软件对基准点、实时监测点数据 回传时间间隔的设置信息转发给基准点、实时监 测点的控制器。 ④变形解算软件。 该软件对采集回来并转换为标准格式的各监 可实施性，同时有利于对系统进行优化设计。 ６．１ 测量机器人测试 测试选择三个测站分别对坝顶上游侧１３个 测点进行观测，观测在不同的天气情况下进行，其 中阴天观测１组、雨天观测１组、晴天观测２组， 测点数据进行变形解算，并将解算出来的结果保 存到数据库，供系统监控软件分析变形时使用。 ６测区环境测试 每组１２测回。 测试仪器选用ＴＭ３０，其具有自动照准和补偿 功能。 通过对测区环境进行测试，分析各数据采集 设备的观测环境和观测数据质量，可验证系统的 各测站正倒镜互差的统计情况见表１，方向 观测中误差统计情况见表２。 ／” 表１ 各测站正倒镜互差统计表 测试所用全站仪（ＴＭ３０）在不同天气条件下 均能稳定运行，观测到的最大２Ｃ值为６．１”，满足 一全站仪轴系补偿值具有相关性 ，进而得到以下 结论：不同的天气条件下，阴天全站仪的运行情况 最为稳定，补偿值最小；雨天次之；晴天受太阳照 等观测精度指标。 根据全站仪补偿值计算原理，正倒镜之差与 射和气温变化的影响，补偿值较大。 华博深等：大坝外观自动化监测系统设计与环境因素影响评价 ２０１７年第１期 在相同天气情况下对测站之间的情况进行比 较，三个测站中ＴＮ１测站角度观测值最为稳定， 观测条件最好；对同一测站在不同天气情况下的 情况进行比较，以阴天的方向观测值中误差最小， 最适合观测。 ６．２ ＧＮＳＳ测试 使用ＴＥＱＣ和ＲＴＫｌｉｂ软件对坝顶部分监测 点的ＧＮＳＳ环境测试观测数据进行计算分析，得 到的主要数据质量评价指标汇总见表３。 大坝坝顶ＧＰＳ可见卫星数为５～８颗，平均 表３坝顶监测点观测数据质量评价指标表 为６颗左右，数量偏少。采用ＢＤＳ／ＧＰＳ双系统 ＧＮＳＳ接收机能显著提高测站可见卫星数量，但 新的ＢＤＳ卫星的加入并非一定能优化测站的图 中心分系统提出了设想。 同时，通过对现场环境的全面测试，科学分析 了试验区Ｇｅｏｒｏｂｏｔ测量和ＧＮＳＳ测量的主要误差 形结构，这主要与ＢＤＳ卫星的轨道结构有关。 ＰＤＯＰ值总体上小于参考值７，左右岸坝段由于山 体遮挡，ＰＤＯＰ值略大于河床段。 多路径效应指标ＭＰ１和ＭＰ２数值总体偏 大，反映监测站受到来自上游侧水面和山体的多 源，认为在今后系统设计、点位选取和设备选型时 应予以充分考虑。 参考文献： ［１］徐绍锉，程温鸣，等．ＧＰＳ在大坝和滑坡安全监测中应用的 研究［Ｊ］．水力发电，２００３，２９（１）：６１—６４． ［２］王川，杨姗姗，等．ＧＮＳＳ监测系统在小湾拱坝安全监测 中的应用［Ｊ］．水电自动化与大坝监测，２０１３，３７（１１）：６３— ６７． 路径影响较为明显，特别是在采用ＢＤＳ／ＧＰＳ接收 机和一般测量型天线情况下；而采用扼流圈天线， 抗多路径效果则较为明显。对于同一测站，所观 测到的ＭＰ１和ＭＰ２指标均与接收机及其天线自 身的性能有关。 ７ 结语 ［３］李征航．ＧＰＳ定位技术在变形监测中的应用［Ｊ］．全球定位 系统．２００１，２６（２）：１８—２５． ［４］ 邹永涛．全站仪误差分析及其测量自动化的研究［Ｄ］．北 京：北京林业大学，２０１２． 作者简介： 大坝外观监测是水电工程一项重要的工作内 容，笔者介绍了根据目前外观自动化监测系统并 华博深（１９８８一），男，江西临川人，工程师，硕士，从事大坝及边坡 外观变形监测工作； 刘满江（１９７５ ），男，陕西咸阳人，高级工程师，学士，从事工程测 量与安全监测工作； 结合国内某大型水电站混凝土重力坝的实际情况 设计的外观自动化变形监测系统（包括ＧＮＳＳ加 测量机器人自动化系统的组成及各模块的功能） 刘峰（１９８４ ），男，河南信阳人，工程师，硕士，从事工程测量与 安全监测工作． （责任编辑：李燕辉） 以对其实施自动化、全天候的变形监测，并对控制 网分系统、ＧＮＳＳ和机器人组合监测分系统、监控 立洲水电站３台机组完成７２小时试运行 ２０１６年８月２６日，四川木里河立洲水电站ｌ号机组（第三台机）顺利通过７２小时试运行，至此立洲水电站３台机组 全部完成７２小时试运行。立洲水电站是木里河流域梯级开发的门户电站，电站总装机容量为３５．５万千瓦，多年平均发 电量１５．４６亿千瓦时，其中主厂房装有３台单机容量为１１．５万千瓦机组。 圈Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ