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际上高精度GNSS变形监测系统滑坡监测应用方案

发布时间:2023-08-15 16:18:30 阅读次数:

1、概述

滑坡是一种严重的地质灾害。许多大型基础设施的建设,如高速公路、铁路、水库 等设施,在开挖山体时,都有发生滑坡的可能。这就要求采用一种成本低、易于推广和有效的监测手段,对这些潜在或是正在滑动的滑坡体进行监测,以避免大面积滑坡产生时造成难以预料的损失。GPS技术具有全天候、自动化、选点灵活、可同时测定点的三维位置与速率等优点。因而为滑坡监测提供了一种有效的数据采集手段在。

GPS卫星定位技术相比于传统的测绘方法有着显著的特点和优越性。它不受天气的干扰,点位间不需通视,容易实施长距离的精确定位。此外,GPS可以进行实时测量,具备良好的自动化和集成化性能,特别适用于动、静态的安全监测和满足较大工程区域内现代施工所需的复杂测量工作。近年来GPS以其特有的优势在形变监测和精密工程测量领域得到了广泛应用。

2、系统介绍

际上实时形变监测系统Stone RT主要由三个部分组成:监测终端、服务器、客户端,如图所示。

图、Stone RT网络拓扑图

野外的接收机或自动化传感器将监测数据实时发送数据给监控中心,监控中心对收到的数据进行针对不同传感器的处理与存储并对外提供服务,客户端连接服务器,请求实时及历史数据进行绘图分析。

际上高精度实时变形监测系统是由数据采集子系统、数据传输子系统、数据分析处理子系统、显示预警子系统、实时形变监控管理中心等五个子系统组成,其中实时形变监控管理中心是整个解决方案的数据管理中心,数据分析处理子系统是实时GNSS数据分析解算中心,也是际上高精度实时形变监测系统的核心。系统功能框图见图3-2 。

图、系统结构框图

 实时形变监控管理中心

可有效进行系统运行实时监测;可根据项目实际,分别采用Access、MS SQL Server、Oracle 等数据库进行解算后数据管理、用户管理;可方便进行参数设置、状态本地/远程浏览、数据本地/远程下载以及数据共享,定期自动备份数据中心,可实现每天24小时,每周7天,全年365天,全天候无人值守式监控,确保系统长期有效处于工作状态,满足客户实时监控需求,节约后续人力资源成本。

 数据采集子系统

数据采集系统由基准站、监测站、户外电源、防雷系统以及相关设备保护装置组成的保障支持系统组成。其中关键设备采用自主研发的高精度实时 GNSS 接收机,硬件设计适合长期、持续、稳定、精确的监测工作要求,确保数据采集实时精确。为北斗兼容多模 GNSS 的高精度大型设施变形监测系统设计的高精度实时 GNSS 接收机精度将达平面:±(2.0mm+1x10-6D)高程:±(4.0mm+1x10-6D)。

 数据传输子系统

数据传输系统可采用 RS232、专线有线/无线 ADSL Modem、 光纤、GPRS 无线、CDMA 无线、UHF 无线电台等传输介质搭建,系统架构灵活通用。系统不仅支持户外就地拖拽式数据下载,还能实现远程实时数据 TCP/IP 传输和 FTP 文件下载,最大可支持每监测区 100 以上观测点的数据流量。

 数据分析处理子系统

数据分析处理子系统首先将采集设备传输获得的GNSS原始数据由数据转换功能模块进行格式转换、清理,统一成际上标准解算格式KRT格式。标准格式数据将由解算核心模块进行基线解算、平差计解算、坐标转换、输出、精度评定等处理。解算后数据将送达监控管理中心数据分析子系统,对变形数据进行参数精度、灵敏度分析、基准稳定性分析、变形量时序、频谱分析、变形直观图输出、显示等处理。针对实时监控系统的需要,数据分析模块可进行长时间连续实时数据处理,并提供数据压缩(4:1),进库、转贮、库文件管理、打印各种报表等服务。数据解算采用先进的卡尔曼滤波集成单历元整数算法,数据分析处理能力非常强大,分析角度多样,手段丰富,能计算三维位移分量及各向形变速率,轻松达到毫米级定位精度,确保系统运行稳定及数据的可靠性。

 显示预警子系统

际上空间监测预警系统,可在各监测区现场地形地貌影像图上显示各监测点实时工作状态信息,可根据分析解算结果自动生成形变历时曲线,形变分布图和多因素相关图;能根据实地地形数据生成三维仿真图形,并生成形变场等高图和渐变色谱图以及形变场剖面图;能综合其他监测数据进行初步分析与数据统计评价;能根据预设警界值进行风险判别,实时以红色预警屏显,报警声响,短消息等形式进行多渠道状态信息发布,紧急状态还能适时多渠道多形式进行预警信息播报(发布渠道包括运行技术人员、单位领导、上级管理部门信息中心等)。

3、硬件设备

采用际上空间自主研发GNSS接收机ROCK T100或T200,根据工程需求可灵活选型,T100为单频接收机,T200为双频接收机。还配有与接收机相匹配的GNSS天线、适配器等。见下图。

 

图、际上Rock接收机T200和GNSS天线

表、接收机主要技术参数

项目

参数

跟踪通道

72通道

GPS:L1 C/A码,L2C,L1/L2

GLONASS :L1 C/A码和P码、L2P码、L1/L2

北斗二代:B1 C/A、B1/B2

定位精度

静态: 平面:±(2.5mm+1×10-6D)

             高程:±(5.0mm+1×10-6D)

动态:支持实时(RTK)/事后处理

             平面:±(10mm+1×10-6D)

             高程:±(20mm+1×10-6D)

配合Stone RT系统软件精度

             静态达到实时3mm

             日观测精度1mm

初始化

初始化时间:   小于30秒

初始化可靠性:大于99.9%

内存:               1GB

支持MicroSD:2GB

数据记录

默认采样率:1Hz           最高采样率:20Hz

存储格式:原始观测格式,RINEX

下载方式:网络下载

通信

RS232

RJ45

差分电文:CMR,CMR+,RTCM2.3,RTCM3.0,RTCM3.2(兼容北斗)

电源

7-18V,标准电压12V,功率4W

工作环境

工作温度:–40℃ ~ 65℃

存储温度:–45℃ ~ 85℃

远程访问

网页Web访问

物理尺寸

长:200mm;宽:142mm;高:74mm;重量:850g


4、系统运行界面

图、系统运行实时界面

图、事后位移数据查看界面

图、点位分布界面

5、自动化监测方案

物品清单:接收机,GNSS天线,射频线。另需:网线,PCB管(保护线路),防雨箱,路由器;为保证供电连续可以使用UPS电源。

供电:供电系统主要由太阳能电池板、电源控制器和蓄电池三部分组成。电源控制器是一个专门控制太阳能电池板/风力发电机、蓄电池以及给接收机供电的控制装置,此处以太阳能为例进行说明。太阳能电池板将产生的电能传输给太阳能控制器,太阳能控制器给蓄电池充电以及给接收机供电,阴天或夜间,太阳能控制器使用电瓶中给接收机供电。另外,如采用风能供电,只需将太阳能电池板替换成风力发电机即可。

防护:一般防护可以如下将蓄电池、太阳能控制器以及接收机放置在防雨箱中;在观测墩周边2米范围安装防护栏防止人为或者牲畜破坏。

防雷:基准站与5个监测站均安装预放点式避雷针。

天线固定:变形监测中需要GNSS天线与监测点之间固定,建立变形监测观测墩后加装强制归心盘,并浇筑混凝土。为避免人为遮挡,一般外部天线高于地面1.5米或以上,可以参考观测墩架设相关资料。

通信:如下图的通信方式是采用的有线与无线网桥通信方式相结合的方式。基准站由于提供差分信号源,因此较重要,如有可能尽量采用有线电缆通信,保证通信质量;监测站采用无线网桥通信架设方式,避免线缆铺设的难度与费用。只需使用ROCK的RJ-45网络接口与无线网桥外设连接并在接收机Web管理端按照有线传输方式配置即可。

远程监控中心:根据监控中心设计,系统需要将监测结果远程传输给位于上海的监控中心,因此Stone RT监测软件架设与下图所示本地服务机房,并通过因特网将监测结果远程传输至远程监控中心。

图、远程滑坡监测系统结构

6、实施方案

 基站的选址

在使用Stone RT进行变形监测时应注意基站的选址,原则如下:

1. 根据GB/T 18314规定,基准点应在变形影响范围之外埋设测量;

2. 站点附近视野开阔,无强磁场干扰;

3. 站点附近交通、通讯条件良好,便于联络和数据传输;

4. 站点附近地表面有浅植被覆盖,以抑制多路径效应;

5. 人员稀少或不易到达的地点,避免闲杂人滋扰;

6. 点位需要设立在稳定的、易于保存的地点;

7. 电源供应可靠,保障设备供电。

 设备配置

表、基准站设备配置表


项 目

参考型号

规格

 设

 

 备

GNSS接收机

ROCK T200

参考站专业型GNSS接收机

GNSS天线

AT504

扼流圈GPS防多路径零相位天线

UPS电源

 

2.2kV/24h,具备控制接口

电池

 

密封免维护阀控铅酸蓄电池(12V-100Ah)

路由器

 

访问路由器,支持VPN,内置防火墙 ,固定广域网接口,可选广域接口WIC卡,固定局域网接口:10/100Base-T/TX

交换机

3Com3C6794

Switch Hub,8个10/100M网口

防电涌设备

HELITA pulsar18

避雷针

MCG SF80

电源线保护器

Auto STAC

ST3000W电源稳压器


 工程安装

每个基准站观测墩结构设计与土建工程所包括的工作:建适材料之准备、建造地基、建造混凝土观测墩、与GNSS天线之接口、所需的电缆管道铺设等工作。基准站系统的施工与安装根据下表进行,同时每工序的所需提交的成果也列入表内。

表、基准站工程建造及设备的安装调试

工序

项 目

内 容

提交成果

1

选 点

站址选择、环境测试

《基准站选点技术总结报告》

2

基准站设计

建筑物、结构、安装、施工等

整体设计

《基准站建筑设计报告》

《基准站整体设计报告》

3

土 建

建筑施工

修建仪器墩、工作室

《基准站土建工程工作报告》

管线敷设

敷设电力、通信等管线

4

设备安装

室外设备安装

GPS天线,气象设备,防雷系统

《电涌防护设备的设计报告》《电涌防护设备的安装报告》各设备的安装报告

供电系统安装

防电涌设备,UPS电源

室内设备安装

GPS接收机,通信设备,主机

5

调试

各单元测试

系统各单元分别测试

《基准站测试报告》

《基准站建设总结报告》

基准站整体测试

基准站整体测试

详细建设细节,可参考GB/T 18314《全球定位系统测量规范》中相关规范进行施工。

另外,基站使用的网络通信方式建议使用有线通信,保证数据传输的实时性,不会因为基站数据的延迟造成监测点数据的延迟。对于实时性要求不高的工程应用可以采用无线GPRS网络传输。

 监测点选址

根据实地工程需求进行选择,同时需要顾及GNSS在信号接收时的场地要求,基本与基站选址原则相同。

 监测点架设

按照图所示的设计方案,搭建监测点平台。



图、监测点示意图

 

图、典型安装结构

图、现场安装

图、GNSS基准站

图、GNSS监测站

 中心机房建设

中心机房建设的总体要求如下:

1、机房建设各项指标需符合最新国家级标准,即GB50174-93《电子计算机机房设计规范》

机房工程装修方面,总体上要充分考虑机房的防水、防潮、防雷、防尘、防静电及电磁屏蔽等多方面因素,确保其安全性。在装修材料上要以国家有关标准规范为依据,进行选材用材。

2、机房整体设计科学,分布合理,工艺简单,操控和管理方便。全面兼顾先进性、安全性、经济性。

在机房内部构建方面,要考虑各个环节,包括机房内各个操控系统的组成,网络条件,线路走位,消防安全等。主要来说有机房空调和通风换气系统、机房配电系统、应急UPS电源供电系统和机房监控系统,另外还有处于安全考虑的接地系统、防电防雷系统以及消防灭火系统等。电源、网络及服务器连接等线路要科学布局,杜绝安全隐患。

3、机房花费要严格控制在预算范围内,在满足各方面实用性的同时做到经济、节约。


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