高边坡远程自动化安全监测系统

高边坡远程自动化安全监测系统

高边坡远程自动化安全监测系统

对于自然或人工的边坡及大坝等重要建筑物的变形监测,通常有常规监测和GPS监测两种方法。常规监测方法是使用经纬仪、测距仪或全站仪等仪器,采用前方交会、边角网、极坐标差分等方法获取监测点观测数据，并通过相应的数据处理方法获得监测点的位移量；GPS监测法是将GPS接收机分别安置在基准站和监测点上，观测相同卫星载波测量值，利用载波相位的差分观测值，获得高精度的基线向量，从而获得监测点相对基准点的三维位移量。

常规监测方法的优点是观测数据直观可靠，短距离获得的精度高、投资少。但缺点是受通视条件、气象条件以及施工干扰的影响，在进行长距离监测时精度较差并且很难提高。但大坝修筑的山区峡谷地带气候复杂多变，每到雨季更有湿度大，雾气大的特点，使得常规的监测方法在雨季这样监测的重要时期不具备实效性。而GPS卫星定位技术不受天气的干扰，点位间毋需通视，容易实施长距离的精确定位。此外G PS所具有精度高、速度快等优点，是常规监测方法难以比拟的，它已成为当今最先进的形变监测手段。随着新型GPS接收机的开发和数据处理技术的不断提高，GPS快速静态定位的精度在短距离（10km）范围内的精度可以达到1～3mm，大大提高了变形监测的精度。

GPS作为一种高新技术，在我国水电工程建设中已获得了一些应用，但在大坝、边坡安全监测中应用却是个十分薄弱的环节。影响GPS技术广泛应用于安全监测系统的最大障碍是昂贵的费用。由于监测点和基准站上都需要安置接收机，当在大坝、边坡这样大范围区域实施监测时，需要布设的测点很多，因此投入成本很大。若采用分批观测方法又需要较长周期。因此极大制约GPS在该领域的发展。

针对GPS在安全监测中存在的问题，我们提出了GPS一机多天线思想,并研究开发了GPS一机多天线控制器，使一台GPS接收机能互不干扰的连接多个天线。在这种体系下，每个监测点上只安装GPS天线，而不需安装接收机,从而极大地降低了安全监测系统的造价。该项技术开发为大坝、高边坡利用GPS进行

安全监测创造了极为良好的条件，也使GPS技术在水利水电工程中拥有了更为广阔的应用前景。

此外，基于GPS一机多天线控制器也为高边坡自动化连续遥测创造了有利条件。为了实现这种无人职守的安全自动的工作模式，需要开发远程自动化监控系统。应顾及海量GPS原始数据传输技术及成本。

GPS一机多天线无线远程自动化监测系统

新研制的GPS一机多天线监测系统解决了以上问题，它利用多天线控制器，使一台GPS接收机能连接8个天线，可以监测8个点的变形，大大降低了设备投入。利用快速静态定位理论和滤波技术，能在快速确定整周模糊度；采用专用天线减弱了多路径效应的影响，大大提高了观测精度。此系统可以根据需要进行定时或实时监测。一机多天线监测系统综合了微波技术、计算机实时控制技术、大地测量数据处理和定位算法等，在保证每个GPS天线能同时至少观测到4颗卫星的情况下，由计算机控制对数据进行自动采集，并基于快速静态定位理论和卡尔曼滤波技术进行数据处理，以实现实时监测的变形分析和预报。另外，考虑到高边坡多属危险地区，为了保证人身安全，需要实现无人职守的工作模式，对监测的原始数据采用无线传输的数据链路，提出了基于GPS一机多天线的无线远程自动化监测系统。使系统从观测、采集、传输、解算分析都

实现全自动化，从而

快速准确地预报边坡的变形。

图1 GPS一机多天线方法示意图

边坡远程自动化安全监测系统由数据采集、数据通讯、计算机网络、应用软件、趋势分析及预警五个子系统组成。见图1。

图2 GPS一机多天线远程自动化监测系统示意图

(1)原始监测数据采集部分主要负责各监测点GPS数据的接收和存储。其核心部分是一机多天线控制器。它由硬件和软件控制两大部分构成。硬件部分包括多通道微波开关及相应的控制电路、一台GPS接收机及相应的处理芯片组成。软件部分实现控制多通道工作方式并可设置测点的观测时间、与GPS接收机通讯和数据发送等功能。实时控制技术等有机结合，使接收机能够互不干扰地接收若干个GPS天线传输来的信号。并通过嵌入式系统PC-104更为有效的控制系统工作和数据的存储与传输。

常规GPS 形变监测，每个GPS 天线对应一台GPS 接收机，天线与接收机之间距离较近(一般为3米)，利用接收机厂家提供的信号传输电缆便可完成日常工作。使用GPS 一机多天线控制器在边坡这样大范围区域内进行形变监测，连接GPS 天线与控制器之间电缆线受现场条件和点位布置关系的限制, GPS 天线与控制器以及GPS 接收机间的距离较远, 如图2.10所示，通常可达几百米甚至上千米。为解决因传输电缆较长造成GPS 信号衰减的问题，我们开发了低噪音信号放大器，如图2.11所示，以确保GPS 原码数据能正常处理。一般情况下，需要在电缆线中间加入低噪音信号放大器，另一方面还需要利用PVC 管或铝合金管保护连接电缆和低噪音信号放大器,以防止施工或鼠类动物等的破坏。

图3 基于PC/104控制的GPS 多天线控制器

(2)数据无线传输主要负责将采集到的原始监测数据通过无线网络传输到控制中心，主要利用GPRS 技术实现。GPRS 是Gerneral Packer Radio Service 的英文缩写，中文译为通用无线分组业务，具体来讲，GPRS 是一项高速数据处理的科技，即以分组的形式把数据传送到用户手上。相对于GSM 的9.6kbps 的访问速度而言，GPRS 拥有171.2kbps 的访问速度；在连接建立时间方面，GSM 需要10-30秒，而GPRS 只需要极短的时间就可以访问到相关请求；而对于费用而言，GSM 是按连接时间计费的，而GPRS 只需要按数据流量计费；GPRS 对于网络资源的利用率而相对远远高于GSM 。因此，GPRS

技术具有省时、省力、省花

图5 低噪声信号放大器

费优势。针对无线公网GPRS所提供的服务优势，用户只要在数据发送端保证有通讯信号覆盖，在接收端保证接入到INTERNET网络，并有一个固定的IP地址，就可以将数据源源不断地发送到目的地。而且GPRS通讯可以将多个发送端的数据发送到同一个IP地址的接收端。这种“多对一”的传输模式，便于系统的升级扩展。另外，无线公网GPRS传输不受距离限制，用户可以灵活选择接收端位置。这样就有利于安全监控系统的控制中心远离测区现场恶劣环境，有效保障系统的正常运行。此外，在必要时作为决策平台的监控中心还可以根据情况转移到专家聚集地，发挥系统方便、灵活的特点。

GPRS天线

图6 GPRS通讯终端及天线

(3)计算机网络子系统以监控中心为核心建立一管理局域网。局域网内设中心服务器、数据接收工作站、数据处理工作站以及成果显示工作站。中心服务

器具备文件服务器、数据库服务器等多种功能，在局域网内可以实现办公自动化和信息共享。边坡上实时采集监测数据发送至数据接收工作站，工作站根据数据标识将数据整理归类后发送到中心服务器入库备份。数据处理工作站通过相应的应用软件对接收到的监测数据进行解算分析

.

成果显示终端

中心服务器

通讯服务终端

打印机交换器

(4)应用软件子系统包含了监测数据解算、分

析、管理为一体的高边坡安全监测专用软件。从而实现资料录入、计算分析、查询、统计、图形绘制、报表打印等。界面友好、功能强大，使用方便。资料录入实现数据自动更新，并将数据按处理时段合并整理后通过网络发送到中心服务器进行备份；GPS 数据解算软件通过获得监测点的三维坐标,并将解算数据纳入数据库，通过相应的算法分析拟合作出预报；功能强大的报表生成器和图形绘制软件生成各种报表和过程线、统计曲线。

图7 监控中心示意图

图8 控制中心现场控制终端

图9 测点成果可视化

图10 点位三维位移曲线

(5)预警子系统根据边坡监测成果，建立预警机制，以便及时为决策部门提供情报，使决策部门作出最迅速的反应，避免造成不必要的损失。