（廣州創(chuàng)科工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司）

一、北斗系統(tǒng)

1.1 概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。2020 年 7 月 31 日北斗三號(hào)衛(wèi)星全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通，標(biāo)志著北斗“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略圓滿完成，北斗邁進(jìn)全球服務(wù)新時(shí)代。經(jīng)全球連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)試表明，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位、測(cè)速、授時(shí)精度，以及服務(wù)的可用性、連續(xù)性等均滿足指標(biāo)要求。目前，國(guó)家有關(guān)部門(mén)正采取有效舉措，全面提高對(duì)全系統(tǒng)的運(yùn)維保障和應(yīng)急處置能力，確保系統(tǒng)高可靠、高安全、高質(zhì)量運(yùn)行。這意味著北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)服務(wù)能力步入世界一流行列。

1.2 北斗系統(tǒng)在大壩、海塘應(yīng)用的必要性與可行性

近年來(lái)，我國(guó)水利事故時(shí)有發(fā)生，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的威脅，總體安全形勢(shì)不容樂(lè)觀。目前，我國(guó)大部分大壩、海塘、堤防等水利工程安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)施并不完善，這些工程表面變形監(jiān)測(cè)大部分由人工定期使用傳統(tǒng)儀器（水準(zhǔn)儀、全站儀等）到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，水平位移監(jiān)測(cè)常用觀測(cè)方法分基準(zhǔn)線法和大地測(cè)量法兩大類(lèi)。沉降位移觀測(cè)常用的方法有幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法、三角高程測(cè)量法、電容式靜力水準(zhǔn)法等。這些技術(shù)雖成熟，應(yīng)用廣泛，為監(jiān)控大壩日常運(yùn)行安全發(fā)揮了重要作用，但上述方法亦存在人力成本高、觀測(cè)時(shí)段受氣象條件限制、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法全程自動(dòng)化、受制約因素多等弊端，在臺(tái)風(fēng)、地震等極端工況越是急需監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)難有作為，從技術(shù)手段上已不能完全適應(yīng)水利工程安全應(yīng)急管理和運(yùn)行管理的新要求。

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的高精度變形監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)具有測(cè)點(diǎn)布置靈活，覆蓋面積大、全天候、全天時(shí)、全自動(dòng)化、連續(xù)觀測(cè)、國(guó)產(chǎn)自主等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法有明顯優(yōu)勢(shì)，有助于顯著提高水利工程安全運(yùn)行管理能力和預(yù)警預(yù)報(bào)能力。北斗高精度自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)是利用衛(wèi)星定位技術(shù)、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、自動(dòng)、連續(xù)采集、傳輸、管理及分析的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)。系統(tǒng)的運(yùn)行能夠?yàn)榻ㄖ误w日常安全管理及安全運(yùn)行提供服務(wù)，可以大幅度提高對(duì)于潰壩災(zāi)害機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平，全面提高建筑壩體安全監(jiān)管和日常管理水平，增強(qiáng)企業(yè)、社會(huì)、政府對(duì)于大壩災(zāi)害的預(yù)警響應(yīng)能力，建立更便于水利工程運(yùn)行期變形監(jiān)測(cè)安全管理和風(fēng)險(xiǎn)控制的潰壩風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)判方法，支撐地方政府科學(xué)決策與受威脅群眾防災(zāi)避災(zāi)工作，顯得尤為及時(shí)、可行和必要。

1.3 監(jiān)測(cè)依據(jù)

（1）《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL 264）；

（2）《中華人民共和國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航條例》；

（3）《北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)》；

（4）《全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314-2009）；

（5）《衛(wèi)星定位測(cè)量技術(shù)規(guī)范》（DGTJ08-2121-2013）；

（6）《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》；

（7）《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL 264）；

（8）《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)程》（SL 52-2015）；

（9）《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL 197-2019）；

（10）《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GBT12897-2006）；

（11）《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL551-2012）；

（12）《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL725-2016）；

二、監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)目的及設(shè)計(jì)原則

為了及時(shí)掌握海塘在施工期和運(yùn)行期的變化情況，指導(dǎo)施工、檢查和修改設(shè)計(jì)，以及監(jiān)視大壩的安全運(yùn)行。本著有效、可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的原則，進(jìn)行工程監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的原則：

（1）以安全監(jiān)測(cè)為主，總體布置，突出重點(diǎn)，各觀測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)的布置，應(yīng)結(jié)合工程具體條件，既能較全面地反映工程的工作狀態(tài)，又要少而精。

（2）儀器、設(shè)備的選擇，要在可靠耐久、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的前提下，力求先進(jìn)并可采用自動(dòng)遙測(cè)。

（3）在觀測(cè)設(shè)計(jì)中，盡量做到長(zhǎng)期觀測(cè)和施工期觀測(cè)相結(jié)合，使觀測(cè)資料對(duì)施工、設(shè)計(jì)、運(yùn)行都能起指導(dǎo)作用。

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，本工程主要設(shè)置表面變形監(jiān)測(cè)。

解算后監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到水平位移±2.0mm+0.5ppm，垂直位移±3mm+0.5ppm，滿足并優(yōu)于《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL725-2016）和《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL 551-2012）中規(guī)定的監(jiān)測(cè)精度要求。

為確保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信同時(shí)海塘安全，本項(xiàng)目采用全站儀和GNSS高精度觀測(cè)成果對(duì)比驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量方法互相驗(yàn)證。

（1）在穿堤影響外擋墻位置，布置人工位移觀測(cè)基點(diǎn)，便于開(kāi)展人工與自動(dòng)化觀測(cè)校核。

（2）在GNSS兩個(gè)測(cè)點(diǎn)附近，布置人工表面位移測(cè)點(diǎn)，便于全站儀與GNSS系統(tǒng)兩種測(cè)量數(shù)據(jù)的相互校核。

（3）在GNSS兩個(gè)測(cè)點(diǎn)附近，布置人工表面沉降測(cè)點(diǎn)，便于水準(zhǔn)觀測(cè)與GNSS系統(tǒng)兩種測(cè)量數(shù)據(jù)的相互校核。

2.3 監(jiān)測(cè)周期及頻次

本項(xiàng)目采用自動(dòng)化觀測(cè)與人工觀測(cè)相結(jié)合方式，以自動(dòng)化觀測(cè)為主，人工觀測(cè)為輔，項(xiàng)目監(jiān)測(cè)周期暫定為項(xiàng)目開(kāi)始至完工后12個(gè)月，自動(dòng)化觀測(cè)每小時(shí)觀測(cè)1次，人工觀測(cè)每2月觀測(cè)1次，出現(xiàn)異常情況時(shí)，適當(dāng)增加觀測(cè)頻次，并立即報(bào)請(qǐng)有關(guān)各方共同研究處理措施。

2.4監(jiān)測(cè)點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)注意事項(xiàng)

GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)單元包括基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站，各站點(diǎn)的具體布置方式根據(jù)以下要求。

?覆蓋并均勻分布整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，并兼顧參考點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)最近的原則；

?場(chǎng)地穩(wěn)固，年平均下沉和位移小于2mm；

?視野開(kāi)闊，視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度不宜超過(guò)15°；

?遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源（如電視臺(tái)，電臺(tái)，微波站等），其距離不小于200m，遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電傳送通道，其距離不得小于50m；

?盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；

?觀測(cè)標(biāo)志應(yīng)遠(yuǎn)離震動(dòng)源。

2.5監(jiān)測(cè)設(shè)備

（1）監(jiān)測(cè)原理

GNSS高精度監(jiān)測(cè)原理

北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)主要基于北斗高精度定位技術(shù)，依托遍布全國(guó)地基增強(qiáng)一張網(wǎng)，云端一體化北斗高精度基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站，及后處理的高精定位差分算法，以互聯(lián)網(wǎng)方式提供毫米級(jí)位置計(jì)算公共服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高精度水平位移和沉降量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，并通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到解算云平臺(tái)，云平臺(tái)依據(jù)最優(yōu)算法實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比而獲得該監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量，結(jié)合傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常預(yù)警。

（2）設(shè)備選型

采用地表位移監(jiān)測(cè)專(zhuān)用的GNSS監(jiān)測(cè)一體化衛(wèi)星接收機(jī)，支持北斗三代，具有精度高、功耗低、高性價(jià)比、安裝便攜等特點(diǎn)，功耗低，配備太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，即可滿足長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度可達(dá)毫米級(jí)。

三、安裝方案

3.1 預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)底座結(jié)合膨脹螺絲安裝

經(jīng)過(guò)仔細(xì)勘察，結(jié)合綢橋施工場(chǎng)地的周?chē)膶?shí)際情況，建議采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)底座結(jié)合膨脹螺絲的安裝方式，GNSS接收機(jī)通過(guò)定制螺栓與鋼板連接，鋼板四個(gè)角通過(guò)膨脹螺栓與海塘建筑物連接。選點(diǎn)要求：1、安裝高度避開(kāi)錢(qián)塘江潮水的影響，綢橋位置為漲潮時(shí)候影響非常大的位置，潮位非常高。2、安裝位置建筑物內(nèi)部要有鋼筋結(jié)構(gòu)與地基連接。3、安裝位置上空須有15度角的凈空空間，并且避開(kāi)上方高壓線。安裝如圖：

3.2供電與通信

經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)施工放溝通，基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的供電方式均采用市電供電，通信采用4G方式，項(xiàng)目業(yè)主方提供供電和通信物聯(lián)網(wǎng)卡。

四、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)架構(gòu)

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及多數(shù)據(jù)源接入、綜合展示、智能報(bào)警、解算分析、定制報(bào)告等內(nèi)容。系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)采集各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合海塘的基本情況和歷史監(jiān)測(cè)狀況，綜合展示海塘的安全狀態(tài)。

利用衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)和天線，實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星和地面站的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線方式，傳輸?shù)轿挥诠W(wǎng)的平臺(tái)服務(wù)器，經(jīng)過(guò)服務(wù)器解算，獲得各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)，最終在圖形化界面上，直觀展示海塘位移沉降狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)堤壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)采集和自動(dòng)傳輸、分析，依托智能軟件系統(tǒng)，當(dāng)壩體監(jiān)測(cè)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)預(yù)警，提醒相關(guān)人員采取措施，保障水利工程設(shè)施安全運(yùn)行。

4.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)建設(shè)總體可分為四個(gè)部分，即數(shù)據(jù)采集部分、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分、軟件中心部分、輔助支持部分：

（1）數(shù)據(jù)采集部分：壩體表面變形監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)多臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)和天線自動(dòng)采集衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件處理獲得測(cè)點(diǎn)位移沉降信息。

（2）數(shù)據(jù)傳輸部分：將采集的原始星歷數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器以便分析處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件和點(diǎn)位設(shè)計(jì)，可以鋪設(shè)光纖通信，或者通過(guò)3G/4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信。

（3）解算平臺(tái)部分：由云端服務(wù)器和解算軟件組成，處理傳回的數(shù)據(jù)。我單位已經(jīng)建立相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，并有專(zhuān)業(yè)人員維護(hù)，只需保證每個(gè)點(diǎn)位有穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)連接即可。

4.3數(shù)據(jù)采集和解算軟件

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集軟件和差分解算軟件，在系統(tǒng)控制方面支持眾多主流的衛(wèi)星接收機(jī)；在進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)處理方面采用了先進(jìn)的非線性Kalman濾波，雙差三差解算法，同時(shí)引入了電離層修正模型，支持多參考站解算及實(shí)時(shí)獨(dú)立基線網(wǎng)平差功能，并且具備雙基站處理能力。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收監(jiān)控建筑物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除、濾波分析、數(shù)據(jù)計(jì)算等，得到初步監(jiān)測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)可對(duì)以GNSS監(jiān)測(cè)終端為核心的多傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合解算。其處理內(nèi)容包括：GNSS定位終端的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到靜態(tài)定位坐標(biāo)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，解算采用先進(jìn)的卡爾曼濾波集成單歷元整數(shù)解算法，輕松達(dá)到毫米級(jí)定位精度，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括以下主要模塊：

數(shù)據(jù)交換模塊：利用物聯(lián)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，保證數(shù)據(jù)的安全性；采用斷點(diǎn)續(xù)傳軟件保證通訊的有效性；采用數(shù)字認(rèn)證和數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩驼_。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊：根據(jù)數(shù)據(jù)的特征，開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)正確性、完整性檢查軟件；開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)過(guò)濾軟件，消除噪音數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)壓縮模塊：研究支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)快速訪問(wèn)的服務(wù)結(jié)果集重編碼壓縮技術(shù)；采用無(wú)損壓縮技術(shù)。

數(shù)據(jù)加密模塊：根據(jù)情況分別采用對(duì)稱加密技術(shù)和非對(duì)稱加密技術(shù)進(jìn)行不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的加密。

數(shù)據(jù)解算模塊：利用專(zhuān)用的高精度定位解算軟件，實(shí)現(xiàn)定位的解算。

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