上海司南GNSS自动化边坡在线监测方案.doc

某滑坡某滑坡 GNSSGNSS 自动化监测自动化监测 技技 术术 方方 案案 上海司南卫星导航技术有限公司上海司南卫星导航技术有限公司 2013 年年 3 月月 目目 录录 1 前言前言 3 2 某滑坡概况某滑坡概况 3 3 某滑坡某滑坡 GNSS 监测的总体设计监测的总体设计 4 3 1 系统设计依据 4 3 2 系统硬件总体设计 4 4 某滑坡某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统概况自动化监测预警系统概况 5 4 1 GNSS 自动化监测形变监测中的应用 5 4 2 GNSS 自动化监测系统发展 6 4 3 自动化监测的优点 6 4 4 司南变形监测应用实例 7 4 5 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统的介绍 15 4 6 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统原理和方法 15 4 7 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统组成 16 4 8 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统技术的先进性 17 5 某滑坡某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统方案实施自动化监测预警系统方案实施 19 5 1 本监测系统设计依据 19 5 2 某滑坡 GNSS 监测点的布置 19 5 2 1 GNSS 参考站 19 5 2 2 GNSS 监测站 24 5 3 供电系统系统 27 5 4 数据通讯单元 29 5 4 1 无线网桥通讯方式 29 5 4 3 本系统相关通讯方式的布设 30 5 5 雷电防护 30 5 5 1 雷电的危害性 30 5 5 2 直接雷防护 31 5 5 3 感应雷保护 32 5 6 控制中心机房建设 33 5 7 外场机柜 35 5 8 存储及处理系统 35 5 9 监测设备防盗措施 36 6 软件系统软件系统 38 6 1 应用背景 38 6 2 CDMonitor 数据处理软件 41 6 2 1 CDMonitor 功能简介 41 6 2 1 1 CDMonitor 的功能模块 41 6 2 1 2 CDMonitor 的基本功能 41 6 2 1 3 数据记录 43 6 2 2 CDMonitor 算法的特点 与 RTK 和传统静态模式比较 44 6 2 3 CDMonitor 的软件界面介绍 46 6 2 3 1 数据监控窗口 47 6 2 3 2 接收机监控窗口 47 6 2 3 3 监测站变形曲线窗口 47 6 2 3 4 基线窗口 47 6 2 3 5 日志 48 6 2 4 CDMonitor 的系统结构 49 6 2 4 1 系统结构 49 6 2 4 2 CDMonitor 支持的 GNSS 接收机 49 6 2 5 服务器和操作系统 50 6 2 6 系统通讯网络 51 6 3 基于 B S 与 C S 架构数据分析软件 52 6 3 1 C S 架构数据分析软件 52 6 3 2 基于 WEB 发布系统的 B S 架构的客户端软件 61 7 产品选型产品选型 65 7 1 司南 GNSS 接收机 65 7 2 GNSS 天线 67 7 3 GNSS 天线罩 68 7 4 通讯设备 69 7 4 1 串口服务器 69 7 4 2 高频无线传输终端 Nanostation2 71 7 5 避雷设备 74 7 5 1 电源防雷设备 74 7 5 2 避雷针 74 7 6 服务器设备 75 7 7 配电设备 77 7 7 1 太阳能供电 77 7 7 2 UPS 供电 79 7 8 其他设备 81 7 9 与其他厂家技术参数对比 82 8 技术支持与售后服务保证技术支持与售后服务保证 85 8 1 系统的安装 调试与培训 85 8 2 免费保修承诺 85 8 3 专业软件免费升级承诺 85 8 4 技术培训承诺 85 8 5 技术服务承诺 86 8 6 维修服务承诺 86 8 7 超过保修期的维修承诺 87 8 8 配合使用者进行二次功能性开发提供一切必要技术支持的承诺 87 8 9 定期向供产品升级和更新信息承诺 87 2 1 前言 2 某滑坡概况 3 某滑坡 GNSS 监测的总体设计 3 1 系统设计依据 司南 GNSS 变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 GNSS 监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 名称名称编号编号批准单位批准单位年份年份 全球定位系统测量规范 CH2001 国家测绘局 精密工程测量规范 GB T 15314 94 国家技术监督局 1994 12 22 全球定位系统城市测量技术规程 CJJ 73 97 中国建设部 1997 UNAVCO 基准站建立规范国际 UNAVCO 组织 IGS 基准站建立规范国际 IGS 委员会 3 混凝土结构设计规范 GBJ 10 89 建设部 3 2 系统硬件总体设计 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 GNSS 组成 主要传感器采用后 安装方式 2 数据传输子系统 GNSS 天线到 GNSS 主机由同轴电缆通讯 GNSS 主机及 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 Web 发布 4 辅助支持系统 包括外场机柜 外场机箱 配电及 UPS 防雷和远程电 源监控等 4 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统概况 4 1 GNSS 自动化监测形变监测中的应用 GNSS 用于边坡监测时 往往是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观 测点 在远方距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 GNSS 接收机 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 从而分析边坡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 通过观测整体的微小变形量 构造统计分析模型 预测变形体长期的变化 趋势 为以后的分析决策提供依据 为了进行形变分析 需要获得监测点高精 度位置坐标数据 通常要求监测点的观测数据达到毫米级的精度 这也是 GNSS 定位技术能否应用于变形观测的一个关键性问题 4 滑坡 GNSS 监测点及设备 与普通的工程测量不同 边坡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 GNSS 技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 GNSS 信号传输到控制中心 实现数据自动化传输 管理和分 析处理 GNSS 用于变形监测虽具有突出的优点 所以 GNSS 技术在安全监测方面一定 会有广阔的应用前景 4 2 GNSS 自动化监测系统发展 GNSS 全球卫星定位系统 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 GNSS 技术的不断成熟 GNSS 自动化监测系统已经在桥梁 滑坡 建筑 地震 大坝等行业中应用并取得很 好的效益 GNSS 自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 GNSS 是一个非常有效的 GNSS 监测技 5 术 GNSS 与其它传感器结合用于滑坡监测已形成了趋势 目前 GNSS 在滑坡中 的最高精度在毫米级 而司南 GNSS 监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 4 3 自动化监测的优点 自动化监测系统允许以任意间隔采样 典型间隔可以是按秒 分钟 小 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 7 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 而不用牺牲滑坡区的安全 4 4 司南变形监测应用实例 4 4 1 露天矿边坡露天矿边坡 华能伊敏河露天矿边坡自动化监测华能伊敏河露天矿边坡自动化监测 华能伊敏露天煤矿为五大露天矿之一 位于内蒙古呼伦贝尔市鄂温克旗境 内 为华能集团全资拥有企业 隶属华能呼伦贝尔能源开发有限公司 6 露天矿东端帮建设 GNSS GPS BDS 监测系统 在地表以及边坡安装位移 监测点 9 台 系统采用太阳能供电 利用无线通讯方式将数据实时传送回监测 办公室 监测人员利用实时数据来分析边坡稳定性以及应对措施 以便为安全 生产提供保障 7 4 4 2 水电站高边坡 水电站高边坡 长河坝泄洪洞边坡监测系统长河坝泄洪洞边坡监测系统 长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内 为大渡河干流水电 梯级开发的第 10 级电站 工程区地处大渡河上游金汤河口以下约 4km 7km 河 段上 坝址上距丹巴县城 82km 下距沪定县城 49km 长河坝水电站为大渡河 梯级开发的骨干电站 由大唐国际发电股份有限公司投资开发的一等大 1 型水 电工程 长河坝水电站枢纽建筑物主要由砾石土心墙坝 泄洪系统 引水发电 系统组成 电站装机容量 2600MW 近期多年平均发电量约 108 0 亿 KW h 枯水 期平均出力约 376MW 远景可达 110 4 亿 KW h 和 638MW 电站水库正常蓄水位 1690m 正常蓄水位下库容为 10 4 亿立方米 其中死库容为 6 2 亿立方米 为 季调节水库 项目总投资 2320948 万元 8 安全监测系统布设在长河坝水电站的泄洪 放空洞进口 共 38 个监测点 采用 GPS 北斗的监测方式 实时监测边坡稳定性情况 利用风光互补的方式进 行供电 通过无线网络实时传送到监测办公室服务器 通过解算软件以及分析 软件 监测人员可实时了解分析边坡的稳定性 以便做出对应方案 为水电站 安全生产保驾护航 9 4 4 3 高速公路边坡 高速公路边坡 宁武高速 政和段 边坡自动化监测系统宁武高速 政和段 边坡自动化监测系统 宁武高速公路 全称宁德至武夷山高速公路 起于沈海线福宁高速公路湾 坞枢纽互通 经福安 周宁 政和 建阳 武夷山 终于江西上饶 全长 301 39 公里 采用 80 公里 小时高速公路标准建设 宁武高速公路是规划的国 家高速公路 二纵 沈阳至海口线的第四条联络线 起于福建宁德市 终于江 西上饶 其中政和段 位移武夷山政和县 处于山区 形成多处高速边坡 10 宁武高速 政和段 边坡自动化监测系统共布设 GNSS 监测点 3 个 依照边 坡地质情况 分布在边坡上 数据通过高速光纤通讯系统 实时传送回监测办 公室 工作人员可实时掌握边坡稳定性 并与其他图像传感器等对照 保障高 速公路的交通安全 11 4 4 4 土石坝体 土石坝体 中国黄金集团峪耳崖金矿尾矿库坝体位移监测系中国黄金集团峪耳崖金矿尾矿库坝体位移监测系 统统 中金黄金股份有限公司河北峪耳崖金矿 位于河北省承德市宽城满族自治 县境内 矿区北距承德市 127 公里 南距唐山市 152 公里 目前正在兴建的承 德 秦皇岛出海公路经由该矿 交通十分便利 1997 年 峪耳崖金矿产金突破 了 32000 两大关 昂首迈进 吨金矿 行列 建矿以来 共生产黄金 45 万两 创造利润 1 5 亿元 成为具有国内先进水平的国家重点黄金企业 该矿先后获 得国家级黄金工业发展做出突出贡献的先进集体 省级先进企业 河北省学邯 钢先进企业 河北省工业污染治理达标企业 承德市优秀企业 承德市质量管 理先进单位等荣誉称号 2000 年 6 月 峪耳崖金矿经改制进入中金黄金股份有 12 限公司 2009 年 改制成立河北峪耳崖黄金矿业有限责任公司 从此步入了全 新的发展轨道 13 4 5 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统的介绍 GNSS 自动化监测预警系统 主要应用现代化的传感技术 GNSS 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滑坡区域变形 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 为边坡预警分析提 供决策依据和参考以达到在最短的时间通过短消息 E MAIL 或者声响预警 报 警的功效 如下面示意图 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 4 6 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统原理和方法 本系统采用成熟的 INTERNET 技术 司南高精度 GNSS 准动态算法等技术 14 变形监测网络中的每个 GNSS 接收机都同时输出 GNSS 的原始数据 其中包含 了 GNSS 解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 GPRS CDMA 无线网络传到控制中心 控制中心根据每台 GNSS 接收机对应的 IP 地址和端口号 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 GNSS 的原始数据流 在控制中心服务器上 CDMonitor 监测软件准实时解算出各监测点的三维坐标 4 7 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统组成 数据处理中心建设在大坝控制中心 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司南 CDMonitor 软件 2 本监测区在监测区附件周边地质条件好处建立 1 个基准点 在滑坡区建立 9 个 GNSS 监测点 在每个监测点 包括参考站 设置结构牢固的观测墩 观测 墩上有强制对中器 固定安装 GNSS 接收机 将接收机天线用强制对中基座对中 固定安装在观测墩上 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 CDMonitor 软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 4 8 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统技术的先进性 1 采用我国北斗二代卫星 美国 GPS 卫星双星双系统进行定位 进一步 保障和提高了整个系统监测的安全性和稳定性 而且更适合山谷中的 滑坡体监测 由于 BD2 和 GPS 工作原理一致 因此 BD2 GPS 方案较单 GPS 方案具有以下优势 1 可认为选择接收机所跟踪的同步卫星作为参考卫星 从而降低了软 件解算时更换参考卫星带来的误差 2 增多了可跟踪卫星数 弥补了高轨道卫星数据少的问题 同时可利 1无线网桥与 GPRS 传输相比不需要借助于第三方服务商 一次性投入 传输稳定等优点 所以本系统首选无线网桥的通讯方式 2CDMonitor 软件由数据管理模块 原始数据处理 数据分析 数据库信息管理四个模块组 成 15 用 BD2 三频技术 增加多余观测 从而较大程度的提高监测解算 精度 3 增多了可跟踪卫星数 使卫星分布更合理 降低了 DOP 值 提高了 监测解算精度 特别是所能跟踪 GPS 卫星少时显得更为重要 4 增多了可跟踪卫星数 使得在山区 大桥等高遮挡区域长时间 稳 定 可靠的采用 GNSS 监测成为可能 不同遮挡条件下单 GPS 和 BD2 GPS 系统全天候正常工作时间对比表 上海地区 高度角 15 2012 年 5 月 卫星系统遮挡 20 遮挡 30 遮挡 40 GPS95 61 10 BD2 GPS100 99 95 2 GNSS 接收机及其配套设备 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 3 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 7 24 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 4 GNSS 硬件具有良好的物理性能和工作性能 适合长时间连续工作 GNSS 接收机天线为大地测量型天线 5 本系统可采用无线网桥通讯 数据传输到控制中心准实时处理 6 准实时显示和分析形变量 可间断性评估滑坡体的健康状况 7 数据实时输出 8 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 9 设定日常信道报警系统 Web 发布以及可通过短消息或E MAIL 方式报 警 无论您在何时何地都可以掌握滑坡体的动态 16 10 通过实时监测滑坡点的空间位移 确定滑坡区的变形状况 几何线形 等 11 提供高质量的双星四频GNSS 测量数据 实时获得毫米级精度的位置 数 据 精度为水平 小于 3mm 1ppm 垂直 小于 5mm 1ppm 12 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 5 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统方案实施 1 本 GNSS 自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 通讯电缆的铺设 5 设备的供电 6 设备避雷 7 数据通讯 8 控制中心的建设 5 1 本监测系统设计依据 某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统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下表 名称编号批准单位年份 全球定位系统测量规范 CH2001 国家测绘局 精密工程测量规范 GB T 15314 94 国家技术监督局 1994 12 22 全球定位系统城市测量技术规程 CJJ 73 97 中国建设部 1997 UNAVCO 基准站建立规范国际 UNAVCO 组织 IGS 基准站建立规范国际 IGS 委员会 17 混凝土结构设计规范 GBJ 10 89 建设部 5 2 某滑坡 GNSS 监测点的布置 某滑坡 GNSS 自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 5 2 1 GNSS 参考站 1 GNSS 参考站选址参考站选址 GNSS 参考站选址要求应满足以下要求 覆盖并均匀分布整个监测区域 并兼顾参考点距离监测点最近的原则 场地稳固 年平均下沉和位移小于 2mm 视野开阔 视场内障碍物的高度不宜超过 15 远离大功率无线电发射源 如电视台 电台 微波站等 其距离不小 于 200m 远离高压输电线和微波无线电传送通道 其距离不得小于 50m 尽量靠近数据传输网络 观测墩的高度不低于 2 米 观测标志应远离震动源 针对某滑坡项目 考虑到项目部距离监测区距离比较近 同时为了控制中 心便于管理和维护 我们将 GNSS 参考站和控制中心建设在项目部的固定基岩上 2 参考站基建参考站基建 18 参考站观测墩示意图 1 观测墩的建设要求观测墩的建设要求 在满足以上要求的前提下 其 GNSS 参考站观测墩的建设应满足以下要求 观测墩应浇注安装强制对中标志 并严格整平 墩外壁或内部应加装 或预埋 适合线缆进出硬制管道 钢制或塑料 起保护线路作用 GNSS 观测墩采用钢筋混凝土现场浇铸的方法施工 混凝土浇铸过程中 的水泥 沙子 石子及其他添加剂的用量以及混凝土施工的要求均按照 表一的要求执行 GNSS 观测墩中的钢筋骨架采用直径 10mm 的螺纹钢筋 使用时须在距 两端 10cm 处 分别向内弯成 形弯 足筋下端 30cm 处向外弯成 形弯 用料 裹筋采用直径 6mm 的普通钢筋 基座建造时浇灌混凝土至基座深度的一半 充分捣固后放入捆扎好的基 座钢筋骨架 在基座中心垂直安置捆扎好的柱石钢筋骨架 将柱石钢筋 骨架底部与基座钢筋骨架捆扎一起 浇灌混凝土至基座顶面 充分捣固 并使混凝土顶面处于水平状态 混凝土浇灌至地面下 0 2 米时 在观测墩外壁应预埋适合线缆进出的直 径不小于 25mm 的硬质管道 钢制或塑料 供安装电缆保护线路用 19 双星四频天线的保护罩要采用全封闭式 如下图 2 以起到防水 防 风等效果 同时天线罩的衰竭率不大于 1 可利用观测墩基坑 加筑用于存放太阳能蓄电池的水泥槽 观测墩设计图 20 强制对中标志 2 灌制混凝土标石所用材料应符合下列要求灌制混凝土标石所用材料应符合下列要求 采用的水泥标号应不低于 425 制作不受冻融影响的混凝土标石 应优 先采用矿渣和火山灰质水泥 不得使用粉煤灰水泥 制作受冻融影响的 混凝土标石 宜使用普通硅酸盐水泥 在制作受盐碱 海水或工业污水 侵蚀地区的标石时 须使用抗硫酸盐水泥 在沙漠 戈壁等干燥环境中 的标石 不得使用火山灰质水泥 石子采用级配合格的 5 40mm 的天然卵石或坚硬碎石 不宜采用同一尺 寸的石子 沙子采用 0 15 3mm 粒径的中砂 含泥量不得超过 3 水须采用清洁的淡水 硫酸盐含量不得超过 1 外加剂可根据施工环境选用 如早强剂 减水剂 引气剂等 其质量应 符合相应规定 不得使用含氯盐的外加剂 水水泥砂石 重量 kg重量 kg重量 kg重量 kg 材 料 种 类 配粒 直径 mm 体积 m3 体积 m3 体积 m3 体积 m3 配合比例 1803006001226 0 6 1 2 2 4 09碎 石 5 40 0 18 0 30 0 44 0 82 0 6 1 1 47 2 73 1702856721248 0 6 1 2 36 4 38卵 石 5 40 0 17 0 28 0 45 0 83 0 6 1 1 61 2 96 每立方米混凝土制作材料用量表 21 注 注 表中配合比适用中砂 当采用细砂或粗砂时 水和水泥用量相应增加或 减少 17kg 和 10 kg 当采用 5 40 mm 粒径的碎石或卵石 应将水和水泥用量各增加 10 砂 石用量不变 调制混凝土 须先将砂 石洗净 浇灌标石时 须逐层充分捣固 气温在 0 以下时 必须加入防冻剂 拆模时间不得少于 24h 否则不 准施工 拆模时间可根据气温和外加剂性能决定 一般条件下 平均气温在 0 以上时 拆模时间不得少于 12h 3 仪器设备的选择仪器设备的选择 根据本项目的实际情况并参照 全球定位导航系统连续运行参考站网建设 规范 本 GNSS 自动化监测系统选用司南 X300C 双星四频监测专用接收机和 AT300 扼流圈天线 它是分体式设计 具体技术参数请参考 设备选型 4 设备安装设备安装 参考站设备安装图 对于本监测系统而言 我们在某滑坡建设 1 个参考站 22 5 2 2 GNSS 监测站 针对某滑坡滑坡体的具体情况 在边坡存在安全隐患的几个方位分别布置 几条监测断面 然后各条断面上根据实际情况设置监测点 在各监测点上安置 接收机 各接收机观测的数据无线的方式实时传输到控制中心 控制中心软件 准实时解算出各监测点的三维坐标并保存到数据库 最终通过数据分析软件自 动分析各监测点的变化量 变化趋势 并结合其它监测设备对排土场整体的稳 定性进行分析 某滑坡滑坡体 GNSS 监测站和参考站一样 也包括监测站选址 监测站基 建 仪器设备的选择及设备安装四个部分 1 监测站站址选择监测站站址选择 根据各滑坡体监测区域的实际情况 如地质条件等及参照 GNSS 测量规 范 具体布置如上图 2 监测站观测墩基建监测站观测墩基建 根据某滑坡滑坡体监测区域的实际情况及监测点所监测的内容 本 GNSS 自动化监测系统监测站多为普通土层观测墩或者基岩观测墩 为了安全期间 各观测墩建设为 1 8 米以上为宜 1 基岩观测墩基岩观测墩 对于基岩观测墩 在基岩坚固结构的基础上打入钢筋支架浇筑混凝土 23 基岩观测墩 2 土层观测墩土层观测墩 对于土层观测墩 埋入地表深度不小于 1m 采用基座和立柱的钢筋混凝土 结构 土层观测墩 24 注 所有监测站的水泥观测墩的建设标准按照参考基站的建设要求 注 所有监测站的水泥观测墩的建设标准按照参考基站的建设要求 1 仪器设备的选择仪器设备的选择 根据本项目的实际情况及所要达到的技术指标 并参照 全球定位导航系 统测量规范 本 GNSS 自动化监测系统选用司南 M300C 北斗二代 GPS 双星四频 GNSS 监测专用接收机和 AT300 双星四频大地测量型天线 具体技术参数请参考 设备选型 2 设备安装设备安装 监测站安装示意图 5 3 供电系统系统 对于某滑坡 GNSS 自动化监测预警系统特殊情况 我们采用了太阳能供电的 方式 如下图 我们采用 120W 的太阳能电池板和 200Ah 的蓄电池 这样的好处是 安全 容易避雷 省工 而且在没有太阳的情况下可以连续工作 7 天 25 太阳能电池板固定示意图 1 1 太阳能组成太阳能组成 太阳能发电系统由太阳能电池组 太阳能控制器 蓄电池 组 组成 输 出的电压为 12V 直接供给设备使用 各部分的作用为 太阳能电池板 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分 也是太 阳能发电系统中价值最高的部分 其作用是将太阳的辐射能力转换为电能 或 送往蓄电池中存储起来 或推动负载工作 太阳能电池板的质量和成本将直接 决定整个系统的质量和成本 额定的输出电压为 17 4V 本系统采用单晶硅太 阳能电池板 太阳能控制器 太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态 并对 蓄电池起到过充电保护 过放电保护的作用 在温差较大的地方 合格的控制 器还应具备温度补偿的功能 其他附加功能如光控开关 时控开关都应当是控 制器的可选项 本系统采用规格为 12V 20A 的控制器 蓄电池 一般为铅酸电池 小微型系统中 也可用镍氢电池 镍镉电池 或锂电池 其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来 到需 要的时候再释放出来 本系统采用的为铅酸电池 设计容量为 100Ah 可以满 足阴雨天 7 天工作时间 26 2 2 太阳能供电系统的安装太阳能供电系统的安装 放置太阳能电池板 倾斜角度在 30 45 度之间 面对方向根据现场具体环 境调节 通过制作三角形的支架固定在水泥板上或监测点保护房上或者水泥立 柱上 蓄电池可埋设在观测墩的附近 埋入地下 防冻并避免日晒雨淋 被盗贼 偷盗和外力冲击 根据某滑坡滑坡体现场情况可以将太阳能电池板放在监测点保护房上面或 者单独立柱安装 减少人为盗窃或破坏的可能性 5 4 数据通讯单元 由于本监测方案的特点是远程控制 远程管理 实时自动化监测 数据双 向通讯等特点 所以数据通讯包括两个部分 即控制中心通讯部分和监测单元 数据通讯部分 所以我们首选为无线网桥的通讯方式 其次是 GPRS 在此项目 上由于网络信号较差 在此不作选择 5 4 1 无线网桥通讯方式 无线网桥是为使用无线 微波 进行远距离点对点网间互联而设计 它是 一种在链路层实现 lan 互联的存储转发设备 可用于固定数字设备与其他固定 数字设备之间的远距离 可达 20km 高速 可达 11mbps 无线组网 特别适 用于城市中的远距离高以及是否加用双向放大器 在无高大障碍 山峰或建筑 的条件下 一对速组网和野外作业的临时组网 其主要的组网方式有三种 点对点组网 中继的连接 点对多点 27 无线通讯示意图 5 4 3 本系统相关通讯方式的布设 针对本监测系统各参考点与监测点的分布 不论采用那种无线通讯方式 通讯路由必须做如下设计 某滑坡数据通讯示意图 5 5 雷电防护 5 5 1 雷电的危害性 在连续参考站一定要考虑到防雷电措施 雷电所产生的高电压电磁脉冲对 28 没有相应保护措施如 同轴电缆 天线 数据通讯电缆 电源电缆产生强烈的 毁坏作用 直接损坏所连接的电子设备 所以必须安装避雷电接地端 电涌是微秒量级的异常大电流脉冲 它可使电子设备受到瞬态过电的破坏 随着半导体器件的集成化程度的提高 元件间距的减小 半导体的厚度的变薄 使得电子设备受到瞬态过电破坏的可能性越来越大 如果一个电涌导致的瞬态 过电压超过一个电子设备的承受能力 那么这个设备或者被完全破坏 或者寿 命大大缩短 雷电是导致电涌最明显的原因 雷电击中输电线路会导致巨大的经济损失 每一次电力公司切换负载而引起的电涌都缩短各种计算机 通讯设备 仪器仪 表和 PLC 的寿命 5 5 2 直接雷防护 在距观测墩 3 3 5 米处安装 H 7 米的普通避雷针 选用 16 不锈钢制作 支撑杆由两节组成 分别由 2 寸 1 2 寸各三米热镀锌管制作 地网选用 4 根 50 50 5mm 热镀锌角钢为垂直地极 L 2 5 米 以 40 4mm 热镀锌扁钢互连 地极埋地深度 0 7 米 避雷针基座为 500 500 60mm 钢筋混 凝土 由地网引两根 40 4mm 热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 避雷针高度按照 滚球法 确定 粗略计算即可 预防直接雷示意图 29 某项目避雷针现场示意图 接地电阻要求小于 10 欧姆 如果当地的土壤电阻率较高 降低防直击雷接 地装置接地电阻宜采用下列方法 采用多支线外引接地装置 外引长度不应大于有效长度 接地体埋于较深的低电阻率土壤中 采用降阻剂 换土 5 5 3 感应雷保护 周边高大建筑物比较多 一般不会有直击雷的危害 只考虑感应雷部分 GPS 天线电缆 通讯射频电缆在接入主机前 必须加装天馈浪涌保护器 机柜中的空气开关后端并联一个单项电源避雷器 作为电源部分的避雷 架空电力线和其他架空线的防雷措施一定要处理好 因为这是引雷重要 途径 其防护措施有地埋和装设避雷地线等 30 电力线进入 UPS 之前 加装 ZGB148A 40 电力线电涌防护设备 隔离 UPS 和电力线 单项电源避雷器 感应雷预防 不论是电源避雷还是馈线避雷 避雷器必须接地良好 接地电阻不得大于 4 欧 姆 但是二者可以是同一个地 5 6 控制中心机房建设 1 1 机房布置及装修的原则机房布置及装修的原则 各类设备需要一定的安装空间 使用空间 维修空间 各类设备又有 各工艺环境要求 如温度 湿度 通风 洁净度 各种供电和照明要 求等 给工作人员创造健康卫生的工作环境 机房应为工作人员创造一个有 利于健康 卫生的工作环境 工作人员需要昼夜在机房内工作 为有 利于他们的健康 有处于他们精力充沛 机房内应有良好的通风 温 度 采光 空间 色彩等环境 31 有利于提高工作效率 机房内设备的布置应有利于操作 管理 有利 于各子系统间的技术联接 有利于统一管理和维护 符合安全要求 机房的布置和装修应符合防火 安全警卫 应急状态 工作等要求 2 2 机房装修的一般规定机房装修的一般规定 计算机房的室内装修工程施工验收主要包括吊顶 隔断墙 门 窗 墙壁 装修 地面 活动地板的施工验收及其他室内作业 室内装修作业应符合 装饰工程施工及验收规范 地面及楼面工程施工 及验收规范 木结构工程施工及验收规范 及 钢结构工程施工及验收规范 的有关规定 在施工时应保证现场 材料和设备的清洁 隐蔽工程 如地板下 吊顶上 假墙 夹层内 在封口前必须先除尘 清洁处理 暗处表层应能保持长期不起 尘 不起皮和不龟裂 机房所有管线穿墙处的裁口必须做防尘处理 然后对缝隙必须用密封材料 填堵 在裱糊 粘接贴面及进行其他涂复施工时 其环境条件应符合材料说明 书的规定 装修材料应尽量选择无毒 无刺激性的材料 尽量选择难燃 阻燃材料 否则应尽可能涂防火涂料 3 3 监控中心监控中心 监控中心可配备 2 3 块显示屏 显示监视区域的实时变化情况 并配备声 光报警设备 可设 24 小时有人值班 监控中心整洁明亮 具有一定的美观要求 监控中心示意图 32 服务器机房 5 7 外场机柜 室外设备必须统一放在机柜中 主要设备有 GNSS 接收机 串口服务器等装 置 机柜防水密封 具有一定的防盗性 机柜设计采用 50cm 50cm 20cm 的不锈钢机箱装置 加防盗锁 放在外场 机房里 布设原则 布设原则 按数据传输路径 分别安装天线转换器 GNSS 接收机 串口服务器等 供电电源一并引入机柜 并且强电弱电隔离布线 整洁美观 便于维护 机柜下端预留通线孔 供电源数据线的接入 机柜距离地面宜 30cm 固定螺钉应拧紧 不得产生松动现象 外加防护警告装置 避免非工作人员破坏 33 5 8 存储及处理系统 微机应有以下性能 1 高的散热技术 更好的稳定性 MTBF 20 000 小时 并能支持高达 2GHZ 主频的 CPU 1G 内存 Windows XP 操作系统 2 数据库平台 3 网络平台 具有固定 IP 地址 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 5 服务器上应集成数据采集 传输 解算 分析 客户端等软件 满足整 个监控系统的需要 5 9 监测设备防盗措施 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 建立监测点保护房 放置 GNSS 主机和天线切换器等 2 当监测设备被人拿走或关掉 控制中心就会通过短消息或 E MAIL 的方 式发送没有数据的警告给相关人员 3 观测蹲及监测点保护房周围设置防护栅栏 如太阳能电池板供电示意 图 在栅栏上贴上电力警示标志 4 各监测点做到无人照管有人照看 34 监测时间 X Y H 相对参考站距离X Y H 相对距离 X Y H 相对距离变化率X Y H 相对距离变化率 X Y H相对距离累计变化率 X Y H相对距离累计变化率 预估下一周期变化本周期变化率本周期位移初始坐标本期监测坐标累计位移 所生成的报表 注 报表的内容可以根据实际需要增加或删除 键入文字 6 软件系统 6 1 应用背景 CDMonitor 是由上海司南卫星导航技术有限公司基于 GNSS 全球卫星定位系统并利 用现代通讯技术进行的实时与准时 GNSS 原始数据分析 处理 独立环网平差及数据管 理等功能研发的系统软件 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 体滑坡监测等等具有非常大的现实意义 GNSS 全球卫星定位系统 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 GNSS 自动化监测系统已经在桥梁 大型建筑 地震 大坝等行业中应用并取得较好的效益 目前 采用 GNSS 技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 Humber 桥的 GNSS 监测系统 日本明石海峡大桥的 GNSS 监测系统 虎门大桥 GNSS 监测系统 青马大桥 汲水门大 桥和汀九大桥的 GNSS 监测系统 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 GIS 地理信息系统 和 GNSS 全球定位系统 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 GNSS 监测网 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 GNSS 接收机 46 台 36 套 并在重庆市和湖北省的 18 个区 县的 129 处滑坡和库岸监测运行 完成了包 括地表位移监测 深部变形监测 滑坡推力监测 滑坡地下水监测和宏观巡查监测在 内的 18 个区 县的 125 处崩塌滑坡库岸综合立体监测网建设 由 CDMonitor 为核心构成的变形监测网络中的每个 GNSS 接收机只需要输出 GNSS 的 原始数据和星历 原始数据包含了 GNSS 解算所有必要的伪距和载波相位数据等 星历 指 GNSS 卫星发播的广播星历 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 CDMonitor 软件根据每台 GNSS 接收机对应的 IP 地址和端口号 获得每个监测点的原始实时数据流 CDMonitor 软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 CDMonitor 软件能进行 7 24 小时不间断观测 而且 与传统的 RTK 方式相比 CDMonitor 具有精度更高 实时性更强的特点 CDMonitor 支持各种主流品牌的单多频 GNSS 接收机混合监控 CDMonitor 采用了 C S 架构 用户可以进行远程监控 具体的 CDMonitor 实时差分变形监测软件的工作流程可用下图表示 CDMonitor 工作流程 如图所示 CDMonitor 变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 37 采用 C S 架构的 CDMonitor 软件方便用户在办公室 监控中心 家中监测系统的健 康状况 CDMonitor 实时差分变形监控软件支持英文和中文 CDMonitor 的开发工具为 VC 6 0 38 6 2 CDMonitor 数据处理软件 6 2 1 CDMonitor 功能简介 6 2 1 1 CDMonitor 的功能模块 这里用框图来表示 CDMonitor 的主要功能模块 CDMonitor 功能模块 6 2 1 2 CDMonitor 的基本功能 CDMonitor 实时差分变形监控软件具有下面的一些基本功能 对 GNSS 原始数据进行 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 20Hz 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 Kalman 滤波 达 到不同的动态要求和精度要求 可同时处理多个基站和监测站的数据 39 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 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 RS232 CAN TCP IP 输出接口 远程服务 协议 TCP IP 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 GNSS 接收机的独立监 控模块 可以向 GNSS 接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 2mm 到 1cm 平面 高程 4mm 到 2cm 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 40 提供第三方软件接口 如用 COM 组件的方式实现 可实现远程查询 管理 报 警 另外 CDMonitor 软件可用于桥梁 大坝 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 CDMonitor 的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 6 2 1 3 数据记录 连接数据库 CDMonitor 能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 GNSS 定位数据 坐标 精度 水平和垂直 PDOP 值 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 41 基线解信息 基线向量 基线误差 中误差和相对误差 比率值 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 6 2 2 CDMonitor 算法的特点 与 RTK 和传统静态模式比较 集成了 RTK 功能的 CDMonitor 软件 除了也能采用 RTK 方法之外 采用其自身 与 RTK 和传统静态不同的算法后 还具有如下一些特点 1 算法 相比 RTK 及传统静态方法而言 CDMonitor 的算法具有如下特点 CDMonitor 采用采用同时刻 在 1 微秒之内 的 GNSS 原始观测值进行差分解算 而 RTK 方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 1Hz 因此 一般情况下差分改正数会延迟 0 5 秒到 2 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 CDMonitor 可以采用扩展的动态非线性 Kalman 滤波算法进行差分解算 CDMonitor 的算法对系统的