华测风塔GPS自动化监测方案设计书

1 华测风塔 动化监测方案设计书 1 风塔沉降 测的总体设计 统设计依据 华测 形监测系统 是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。 本监测系统的作用是 成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足 固体建筑物 管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康 安全 监控系统，遵循如下设计原则： 1) 遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想； 2) 系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素 ； 3) 各传感器的布置、安装要合理， 力求用最 少的传感器和最小的数据量完成工作 ； 4) 系统应具有可扩展性。 测系统 的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参见表 1。 表 1 名称 编号 批准单位 年份 全球定位系统测量规范 家测绘局 精密工程测量规范 15314家技术监督局 1994球定位系统城市测量技术规程 3国建设部 1997 准站建立规范 国际 织 准站 建立规范 国际 员会 2 混凝土结构设计规范 0 89 建设部 统硬件总体设计 系统硬件由 四 大部分组成： 1) 传感器子系统 ： 由布置 监测点上的 各类 成，主要传感器采用后安装方式； 2) 数据传输子系统 ： 线到 机由同轴电缆通讯； 机及其它传感器与控制中心通讯采用有线或无线的通讯方式 ； 3) 数据处理与控制子系统 ： 由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统 、数据实时自动处理与 布； 4) 辅助支持系统：包括外场机柜、配电及 雷和远程电源监 控。 3 2 风塔沉降 动化监测预警系 统概况 风塔沉降形变监测中的应用 于形变监测，监测的区域一般不是很大，但变形监测点布设比较密集。当 往是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点，在远 离监测点合适的位置（如稳固的基岩上）建立基准点。在基准点架设 收机，根据其高精度的已知的三维坐标，经过 定期连续 观测从而得到变形点坐标（或者基线）的变化量。根据观测点的形变量，建立安全监测模型，从而分析风塔沉降的变形规律并实现及时的反馈。事实上，为了建立一个更接近实际情况的安全监测模型，合理的密集分布监测点是需要的。 与普通的工程测量不同，风塔沉降及形变监测需要实时传送数据，并不断更新，达到监控的目的。普通的全站仪 或其它监测手段不仅 需要更多的人力完成观测操作 ，而且由于其内部的电器、光学特性使得它不能工作在雨雪天气，夜里也无法完成测量作业，术由于其全天候作业的特点不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将 现数据自动化传输、管理和分析处理。 于变形监测虽具有突出的优点， 所以 术在 安全监测方面一定会有 广阔的应用前景。 球卫星 定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。 随着社会经济和科学技术的快速发展，为了更有效保障国家财产及人生安全，利用传统的变形监测手段越来越不能满足变形监测要求，这就迫切需要性能更可靠的设备来监测大桥的形变。目前，随着 术的不断成熟， 动 化监测系统已经在桥梁、 4 风塔沉降、建筑、地震、等行业中应用并取得很好的效益。 动化监测系统仪器以其卓越的性能受到专家的好评。 从国内外的有关研究和应用可以看出 一个非常有效的 测技术， 其它传感器结合用于风塔沉降监测已形成了趋势。目前 风塔沉降中的最高精度在毫米级。而华测 测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示，自动预警报警。 动化监测的优点 自动化监测系统允许以任意间隔采样 时或者按天。测试精度得以提高 ，数据可以远程处理，从而向项目组提供有用信息。当然，还有其它益处包括： 1) 避免人工读数和记录引起的人为误差。 2) 可以实现远程以及恶劣天气条件下采集数据。 3) 每天可进行 24 小时连续监测。 4) 连续监测能快速检测到临界变化，能在事态恶化之前采取处理措施。 5) 自动化监测系统可以按程序步骤监测限定阀值、变化速率，从而能在超出预定极限值时自动报警。 很多工程师认为自动化监测是 “ 黑箱 ” ，可见的查验以及宝贵的经验都被冷冰冰的电路板和继电器将所存在的问题通过警报而取代了。事实上，自动化连续监测所获得的数据能向工程师提供被监 测结构很多肉眼不易察觉的新的特征信息。它们拓展了工程师的视野， 对结构响应有深入的理解。不仅如此，应用自动化监测系统，结合先进分析工具，工程师能享受到这些廉价的新技术优势，而不用牺牲风塔沉降的安全。 塔沉降 风塔沉降 动化监测预警系统，主要应用现代化的传感技术、 术、计算机技术、现代网络通讯通信技术对在不同的天气或环境下准实时反映风塔沉降区域变形情况，根据对实时位移数据的实时分析，对 分析后 适当的数据存储、分类、提取、统计等处理，为中心站日常管理提供各类报表、图形， 为风塔沉降预警分析提供决策依据和参考 以达到在最短的时间 通过短消息、 者声响 预警、报警的功效，如下面示意 5 图： 系统功能示意图 另外，本系统还可实现 预警站点分布图、预警站点基本情况的计算机的初级显示 等功能。 塔沉降 本系统采用成熟的 术 、华测高精度 动态算法及 机一天线等技术。 变形监测网络中的每个 收机都同时输出 原始数据格式 含了 算的所有必要的载波相位数据、星历等数据。通过无线网桥 1或者 制中心根据每台 收机对应的 址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流 ;或者，软件通过远程的端口映射，直接从监测单元的端口获得 原始数据流。在控制中心服务器上， 测软件准实时解算出各监测点的三维坐标。本套系统采用的是光纤传输。 6 塔沉降 数据处理 中心建设在控制中心 ， 办公室有 总控计算机、数据处理工作站、打印机等硬件设备， 而在总控计算机上安装华测 件 2。 控制中心配备一台高性能服务器，用于数据分析和 图形处理，以及终端服务。结合件和其他专业的数据处理软件，实时对数据分析和图形处理。 如下图，为该系统结构拓扑图。 7 A 3 0 0 天 线监 测 站 1A 3 0 0 天 线机柜参 考 站数 据 处 理控 制 中 心无线网桥数 据 处 理数 据 库客 户 端短 信 报 警避雷系统数据控制中心组网络交换机X 6 0 机电 源 适 配器串 口 服 务器A 3 0 0 天 线监 测 站 2 0避雷系统机柜X 6 0 机串 口 服 务器电 源 适 配器避雷系统A 共 有 五 个 这种 观 测 方 式X 6 0 机串 口 服 务器电 源 适 配器A 0个 监测 点风塔沉降区系统结构拓扑图 数据传输方式采用光纤传输，能使用市电的情况全部使用市电，在不方便使用市电的地方使用太阳能和蓄电池联合供电方式。 塔沉降 1） 收机及其配套设备，要求包括从数据采集、集中传输、解算处理、显示和记录及避雷和防盗等安全保护设施的全部设备，实现将监控数据传输到监控中心并显示； 2） 监测系统无人值守，有人照看、自动运行，年运行可靠率 99%以上， 系统可满足 724 小时长时间可靠运行 ，连续无故障运行时间超过 10 万小时 。 在没有太阳的情况下，监测系统设备可依靠备用电源连续工作 7 天以上； 3） 件具有良好的物理性能和工作性能，适合长时间连续工作， 收机天线为大地测量型天线； 4） 本系统可采用光纤通讯，数据传输到控制中心准实时处理； 5） 准实时显示和分析形变量，可间断性评估的健康状况； 6） 数据实时输出给分析软件； 7） 控制中心软件自动解算，最短反应时间可为几分钟到几小时，并实时进行网平 8 差，自动评估监测结果，而且各参数完全由用户根据不同监测需求自行设置 。 8） 设定日常信道报警系统， 布以及可通过短消息或 式报警，无论您在何时何地都可以掌握风塔沉降体的动态； 9） 通过实时监测风塔沉降点的空间位移，确定风塔沉降区的变形状况、几何线形等； 10） 提供高质量的双频 量数据，实时获得毫米级精度的位置数据，静态精度为水平：小于 3垂直：小于 6塔风载震动中实时监测精度：小于 10垂直：小于 201） 自动生成报表，形成报表的周期用户可自行设计，比如一周、一天等，一些必要的输出信息用户也可以自动添加或删除，同时根据需要可自动生成各点的周变化曲线、月变化曲线等。 3 风塔沉降 动化监测预警系统方案实施 1) 本 动化监测系统实施主要包括以下几个方面： 2) 参考站及监测站选址 3) 参考站及监测站观测墩的建设 4) 设备的供电 5) 设备避雷 6) 数据通讯 7) 控制中心的建设 监测系统设计依据 风塔沉降 设计书中所引用的部分技术规范参下表： 名称 编号 批准单位 年份 全球定位系统测量规范 家测绘局 精密工程测量规范 15314家技术监督局 19949 全球定位系统城市测量技术规程 3国建设部 1997 准站建立规范 国际 织 准站建立规范 国际 员会 混凝土结构设计规范 0 89 建设部 塔沉降区 风塔沉降区 动化监测预警系统的监测单元包括参考站和监测站，各站点的具体布置方式根据以下要求： 考站 准网布设应根据风塔沉降体的情况而定 。 点位宜分 布在风塔沉降体周围 (与监测点的距离最好在 3 公里以内 )地质条件良好 、 稳定 、视野相对比较开阔 且易于长期保存的地方 ，而这些监测点必须定时 应与就近的 级控制网 或国家 进行 联测 ,以利于分析基准网点的可靠性及变形情况 。 基准网点基线向量的中误差 1 D，当基线长度 。避雷针基座为 50050060筋混凝土，由地网引两根 404镀锌扁钢与基座连接，接地电阻小于 2。 避雷针与天线的距离选择大于 3 米，是以中等强度的雷电流通过避雷针接地泄流时所产生的感应电磁场到达天线时其强度可衰减到安全值的范围之内。 预防直接雷示意图 测设备防盗措施 因为本系统具有自动检测、自动报警的功能，所以本监测系统防盗措施主要通过以下 3 个方面： 1) 观测蹲周围设置防护栅栏（如太阳能电池板供电示意图），在栅栏上贴上电力警示标志； 2) 各监测点做到无人照管有人照看。 3) 每 个机柜都配有锁和钥匙。 4 系统控制解算中心 系统控制中心是整个系统的核心单元。由机房、中心网络和软件系统组成，具有数据处理、系统控制和网络管理的功能。 17 储及处理系统 微机应有以下性能： 1) 高的散热技术，更好的稳定性（ 0,000 小时），并能支持高达 2频的G 内存 ,P 操作系统 2) 数据库平台 3) 网络平台：具有固定 址，带宽至少为 2M； 4) 小巧简约的外形设计，节省办公空间，可以随意摆放和移动位置。 件控制系统 件界面图 18 标准特性 T 32构 ; 多线程，多任务设计 ; 先进的 据算法，具有 算，卡尔曼滤波，三差解算等 ; 图形用户界面，实时显示基准站、监测站的工作状态 ; 具有防死机功能，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启 ; 软件上有各个 收机的模拟串口，可以向 收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角、时段长度等） ; 软件记录原始数据后，可以任意截取其中部分数据 ; 可以调整各个监测站的位置更新率 ; 可以输出多种差分后的数据格式，如 ; 可以提供源代码，支持用户二次开发。 19 5 控制中心解算软件 介 用背景 由上海华测导航技术有限公司研发的基于网络利用全球卫星定位系统（ 行的实时三维变形量分析系统软件。这套软件对于人工建筑变形分析比如大型桥梁，水坝，大型人工建筑以及油田沉陷，矿山采空区沉陷，城市地下水漏斗沉陷，火山监测，山体风塔沉降监测等等具有非常大的现实意义。 球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为 是它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。 从国内外的有关研究和应用可以看出 动化监测系统已经在桥梁、大型建筑、地震、等行业中应用并取得较好的效益。目前，采用 术用于桥梁等工程变形监 测的手段已经被广泛的应用于世界各地。例如：英国 的 测系统、日本明石海峡大桥的 测系统、虎门大桥 测系统、青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的 测系统。 上海曾经是中国缓变性地面沉降较为严重的城市，自 1921 年发现地面沉降至今已有80 余年，开展地面沉降专项勘查与研究至今已有 40 年。特别是近十余年来，采用 理信息系统）和 球定位系统）技术，对全市监测网络进行了全面更新与调整，并正在建设完善全市地面沉降自动化预警预报系统工程。 三峡库区地质灾害监测预警工程是国家在三峡库区实施的一项重大减灾工程，国土资源部将实施这一工程。三峡库区地质灾害监测预警工程于 2002 年 3 月正式启动后，三峡库区地质灾害防治工作指挥部在全库区建成包括 测网、综合立体监测网和遥感监测系统的专业监测工程，建立各类监测网点 1447 个，配备 收机 46 台（套），并在重庆市和湖北省的 18 个区、县的 129 处风塔沉降和库岸监测运行。完成了包括地表位移监测、深部变形监测、风塔沉降推力监测、风塔沉降地下水监测和宏观巡查监测在内的 18 个区、县的 125 处崩塌风塔沉降库岸综合立体监测网建设。 20 由 始数据包含了 算所有必要的伪距和载波相位数据等，星历指 数据通过广域网、局域网络、串口、无线设备等传到控制中心，控制中心的 件根据每台 收机对应的 址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流， 件对这些原始数据进行实时差分解算，得到各个监测站的坐标，并存入数据库或发送给客户端。 利用 件能进行 7 24 小时不间断观测。而且，与传统的 式相比，有精度更高，实时性更强的特点。 持各种主流品牌的单双频 用了 C/S 架构，用户可以进行远程监 控。 具体的， 时差分变形监测软件的工作流程可用下图表示： 基站 A 基站 B 监测 站 1 监测 站 2 监测 站 N 载波相位 差分计算 载波相位 差分计算 实时网平差 和 数据融合 图形显示 记录 报警 输出 客户端 系统误差 改正模型 远程服务 如图所示， 形监控软件实现了各个监控站的实时差分定位，并具有图形显示、接收机设置、监控站参数设置、观测数据记录、报警等功能。 采用 C/S 架构的 件方便用户在办公室、监控中心、家中监测系统的健康状况。 时差分变形监控软件支持英文和中文。 开发工具为 21 功能 模块： 这里用框图来表示 主要功能模块。 串口通讯 讯 ： 对 始数据进行 7 24 小时 实时差分处理，进行变形监测，永不间断； 根据接收机的原始数据输出率，数据更新率最高可达 20 可根据系统参数设置，对不同的监测站的实时差分结果进行 波，达到不同的动态要求和精度要求； 可同时处理多达多个基站和 32 个监测站的数据； 根据多天运行的结果，建立近期的 大气延迟（对流层、电离层）模型，提高定位精度和可靠性； 22 多基站支持，多基站不但提高了系统的可靠性，而且，根据多基站的观测数据，可以建立电离层模型，提高长距离监测的精度；根据多基站的处理结果，可以实现实时网平差功能，提高点位精度和可靠性； 原始数据后处理功能； 输入接口协议： P； 输出接口（远程服务）协议： P； 实时显示接收机的信号跟踪状况，如星空图、信噪比、钟差等； 实时显示基线的变化情况，点位的移动情况等； 原始数据、解算结果的自动保存功能，可根据用户需求进行设置； 对监测站、基站接收机的远程设置功能，软件上有各个 收机的独立监控模块，可以向 收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角等）； 系统完备性监测功能，可对整个系统的健康状况进行监测； 每个监控站的监控范围可根据用户设置，可从 5 厘米到 5 米，相对的，精度可从 2 1面），高程 4 2 环境参数输入功能。比如，输入监测站周围障碍物的分布情况，在数据处理时，能剔除常规方法不能自动剔出的坏数据，提高定位精度。 具有防死机功能，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发 的方式实现接收机自动重启； 可以调整各个监测站的位置更新率； 支持网络分布式计算； 软件实现 C/S 架构，客户端可以运行在远程； 提供第三方软件接口，如用 件的方式实现，可实现远程查询、管理、报警； 23 另外， 件可用于桥梁、矿区等的监测，可针对不同的工作环境对用户图形界面进行定制。如针对桥梁监测， 客户端能提供如下功能： 数据库功能，长期观测的数据能保存在数据库中； 三维动画； 整体变形示意图； 历史数据分析； 趋势图； 报警功能，报警项可根据用户要求设定，可通过短信、电 子邮件等方式进行报警。 权限管理：一般用户只能浏览数据，系统管理员才可能对一些参数进行设置。 数据分析，即对监控点进行频域和时域分析。 据记录 连接数据库， 够记录用户需要保留的各项信息，根据用户的选择，记录的内容如下 ： 位数据 坐标； 精度（水平和垂直）； ； 使用卫星颗数； 解类型。 卫星数据 卫星颗数； 每颗卫星的坐标； 每颗卫星的信噪比； 每颗卫星的仰角； 基线解信息 基线向量； 基线误差（中误差和相对误差）； 比率值； 24 协方差阵。 系统状态数据 软件本身的 工作状态； 各个机站的工作状态是否正常； 网络连接状态。 集成了 能的 件，除了也能采用 法之外，采用其自身与静态后处理不同的算法； 1) 算法 相比 法而言， 算法具有如下特点： 用采用同时刻（在 1 微秒之内）的 始观测值进行差分解算；而 法不需要差分改正数和流动站的观测数据保持同步，一般的参考站接收机差分改正数广播更新率为 1此，一般情况下差分改正数会延迟 秒不等，在特别情况下，流动站能允许 1 分钟之前的差分改正数参与解算； 以采用扩展的动态非线性 波算法进行差分解算。 算法对系统的硬件要求较高，通常在高性能计算机，而 算法总是有 收机生产厂商提供，固化在 收机内部；静态解算需人工干预，一般采用双差固定解得方式。 2) 精度 接应用 收机的原始数据，参考站和流动站的观测数据保持严格的同步，所以，大气层延迟造成的公共误差被最大程度地抵消， 采用滤波方法消 除 输出的定位结果更符合真实的情况，所以 据采用的 收机和 线的不同，可以保证毫米级的定位精度，而通常的 收机动态定位精度为厘米级。 事例一：在一个静止点上，采用双频 收机和普通双频天线进行实时 算，解算结果如下图所示： 25 时解算结果 可见 定位精度平面在 2 个厘米之内，高程在 4 个厘米之内。 事例二：在一个静止点上，采用双频 收机和普通双频天线，然后采用件对其连续解算 24 个小时，具体解算结 果如下图： 时 算结果 相对 算结果其精度有显著的提高。上图中，平面精度在 10右，高程精度在 15右。如采用高精度双频 线，能更进一步提高其精度。 事例三：采用同样的 收机，在一个静止的点上，分 20 分钟一个时段对其 26 连续观测 5 个小时的数据，用某进口后处理软件对其进行处理，得到结果如下图所示： 平面后处理结果 高程后处理结果 相对 时 算结果精度有所提高。上图中，平面精度在 8右，高程精度在 12右。如采 用高精度双频 线，能更进一步提高其精度。 事例四：采用同样的 收机，在一个静止的点上，分 10 分钟一个时段对其连续观测 5 个小时的数据，用华测 动态 法对其进行处理，得到结果如下图所示： 法平面解算结果 法高程解算结果 27 相对后处理解算结果精度又有所提高。上图中，平面精度在 5右，高程精度在 8右。如采用高精度双频 线，能更进一步提高其精度。 注：采用 件是完全自动解算，而静态后处理需要人工干预。 正常情况下， 在服务器端进行复杂的计算的，用户不需要去浏览这些窗口。但在系统安装阶段或者系统出现故障时，这些窗口提供的信息能帮助我们迅速地解决问题。 据监控窗口 通过接收机数据监控窗口可以观察串口和网络来的数据的格式、数据的更新率、数据包的大小等，管理员通过这些信息可以快速地判断系统的通讯是否正常。 收机监控窗口 通过每秒更新一次的接收机监控窗口，管理员能知道接收机跟踪的卫星数量、接收机的钟差、卫星的载噪比等接收机的关键信息，以确定接收机的工作状况、信号质量等 。 28 测站变形曲线窗口 下面是某悬索桥 3/4 跨的变形曲线。 以精确地反映桥梁的变形情况。 29 线窗口 通过基线窗口，管理员能够快速地知道软件的解算状态 。 志 够自动记录数天来的系统工作状况，供管理员进行分析处理。 30 统结构 典型的 测系统由三部分组成：监测单元、数据传输和控制单元、数据处理分析及管理单元。这三部分形成一个有机的整体，监测单元跟踪 星并实时采集数据，数据通过通讯网络传输至控制中心，控制中心相关的 件对数据处理并分析，实时监测桥梁的形变。 监测单元一个参考站（ 和五个监测站 (2, ,成。其中参考站根据实际情况，确定其具体位置；五个监测站根据实际情况，确定其具体位置。 数据传输采用先进的光纤数据传输方式，一方面提高了系统通讯可靠性，另一方面提高了数据传输速度。 控制中心配备一台高性能服务器，用于数据分析和图形处理，以及终端服务。结合件，实时对数据分析和图形处理。 持的 收机 收机 ; 频 收机； 频 收机； 60/300 单双频 收机； 频 收机 。 务器和操作系统 运算量 P 可以通过下面的公式计算： 22 N H 式中， M 为基站的数量， N 为监测站的数量， H 为更新率，如系统采用了双频 计算量将翻倍。以某个 1 个基站和 8 个监测站的系统为例，服务器采用了如 31 下配置： 硬件平台：至强服务器 1 频 3G， 2G 内存 软件平台 ：正版 P 这样的配置将占服务器 0%的计算时间， 0。 32 统通讯网络 件支持多种通讯方法，而针对本项目我们采用现在最流行的 线网路的方式。但通常情况下， 收机由串口输出原始数据，再采用 络将数据通过无线传输的方式传送至数据处理服务器 3。下图为控制中心网络拓扑图如下所示： 上图所示为某个已经实施的风塔沉降监测的通讯网络示意图。参考站和监测站通过移动的 式传送 始 数据到控制中心。数据流程是：每个监测站 (包括参考站 )收机的原始数据和星历均由串口 块 控制中心服务器，仅仅在启动计算时，数据才需要反向传输，即将控制命令由控制中心服务器发送给各个 收机，通常情况下，在接收机设置好后，这个过程也可以省略。 注：本监测系统监测区域和控制中心是可以完全分离的，监测区域就是需要进行风塔沉降监测的风塔沉降监测点，而控制中心可以在当地，也可以在几公里到几十公里、几百公里以外的办公室，监测人员只要在办公室打开电脑就可以看到风塔沉降的实际变形量。 33 6 产品选型 测 双频 华测双频 收机 华测 收机采用世界最先进的 板，浓缩国内外 业的先进技术。是国产 领跑着。 华测 收机采用模块化设计， 收机和无线电、电源系统内置为一体，接收机和天线分离，具有作业距离