高边坡远程自动化安全监测系统.docx

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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 GPS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 软件、趋势分析及预警五个子系统组成。见图 1。 图 2 远程自动化监测系统示意图 GPS 一机多天线 (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。 图 3 基于 PC/104 控制的 GPS多天线控制器 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

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