GPS自动化监测系统的研制及其应用

1、GPS自动化监测系统的研制及其应用9/4/2022武汉大学测绘学院郭际明/ise主要内容一、GPS自动化监测系统的研制二、GPS自动化监测系统的应用1、目的和意义安徽阜阳市内的桥梁突然坍塌江苏省吴江市梅堰镇一座桥梁突然坍塌意大利的瓦依昂大坝法国的马尔巴塞溃坝北京八达岭高速公路滑坡一、GPS自动化监测系统的研制广东佛山九江大桥的突然坍塌3 桥梁、大坝、滑坡等工程灾害虽然不像地震、洪水、海啸那样一发生就造成巨大人员伤亡和财产损失，但地震、洪水、海啸一般都是十几年，乃至几十年一遇，而工程灾害发生非常频繁，几乎每周一遇。从这个意义上讲，工程灾害的危害比地震灾害、洪水、海啸灾害等有过之而无不及。 因此为

2、了准确预报工程灾害，到达减灾防灾的目的，必须对有可能带来灾害工程进行监测和预警。一般的方法是利用外观资料和引起外观位移的因变量等各种资料，进行综合分析，及时掌握其运营状态及变化趋势，在灾害未发生之前进行预警并采取相应的对策，从而保证建筑物的运行安全和保障人民的财产不受损失。 1、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制4 灾害监测的危害性和实时性，决定了需要一套在办公室就能自动获取各种变形监测数据，并实时对数据进行分析和预测预报。那么这样的系统对仪器或监测技术提出更高要求，主要概括下面三点 自动化程度高,在天气恶劣条件下也能监测 实时获取变形，尽量在数据观测完后，就能够得到变形量 价格适宜，如

3、果太高，不便于推广应用 1、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制5测量仪器测量指标技术实用范围测量精度特点精密测尺距离30m0.5mm/30m人工、精度低引张线仪距离1080m0.3mm/30m自动化、远程化裂缝探测仪距离5m5mm人工水准仪H不限制0.2-1mm/km经纬仪角度不限制5倾斜仪高度角105-10mm+12ppm自动化、远程化测距仪距离114公里1-5mm+1-5ppm人工全站仪角度，距离2-5；2-5mm测量机器人角度，距离1000m1 ；2-5mm半自动化、远程化地面摄影仪E，N，H距离100m20mm100mm人工航空摄影仪E，N，H高度500m100mmGPS设备X，

4、Y，Z距离20公里2-5mm+3ppm自动化、远程化1、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制6模式1：只用几台GPS接收机，人工定期逐点采集数据，通过后处理获得各期之间的变形优点：简单、经济、成本低，GPS接收机可以与其他工程共享缺点：不能实现自动化，不能连续获取工程变形模式2：在每个监测点上都安置一台GPS接收机，不间断地进行全天候自动监测优点：能连续自动地进行变形监测缺点：监测成本过高常规的变形监测模式全天候自动监测模式宝塔滑坡监测示例 隔河岩大坝监测示例 1、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制7automationcost多路GPS天线共享器 GPS信号放大器 如何在提高自动化

5、程度的同时降低和节约成本GPS天线阵列接收机GPS信号放大器 课题组成功研制了多路GPS天线共享器。用该共享器建立的GPS监测系统在每个监测点上只需安装天线，不需安装GPS接收机，即一台接收机控制多个天线，从而大幅度降低监测系统的成本。专利号:ZL 200420111261.21、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制8控制中心P1P3P4P5P6P7P2基准站1基准站2GPS天线阵列接收机无线传输设备监测点GPS天线区域1天线阵列系统整体控制观测数据同步实时计算基线基线检核平差数据实时管理绘制变形过程输出成果报表专利号:ZL 200420111260.82、硬件系统的研制一、GPS自动化监

6、测系统的研制92、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制 GPS天线阵列共享器可以将多个天线连接起来，分时段地进行切换，将各个不同天线的观测数据记录在同一个GPS接收机中，大大降低GPS数据采集的成本。在后面板上有220V三相电源接口，电源开关，保险丝，8个天线入口（从IN1口到IN8口）用于连接GPS天线，一个天线输出端（OUT口），将GPS接收机接到OUT端口，即可进行分时段的数据采集。 2.1 GPS天线阵列共享器的研制102.1 GPS天线阵列共享器的研制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制112.1 GPS天线阵列共享器的研制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系

7、统的研制122.1 GPS天线阵列共享器的研制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制 整个设备的工作原理为：通过ARM微处理器实时控制射频开关中各通道的开与闭，而射频开关的输出端则接至GPS接收机的输入端，如此以来，GPS 接收机上获取的数据恰为当前开启通道所对应的GPS天线数据，而GPS接收机的输出端又与ARM微处理器控制的无线通信模块的输入端相连，由无线通信模块将设备运行参数( 如当前开启通道号，各通道间切换时间，当前通道剩余时间，以及通道切换状态)和GPS数据远程发送至数据处理中心，而数据处理中心也可通过无线传输方式修改和设定整个设备的运行参数。132.1 GPS天线阵列共享器

8、的研制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制1、本设备具有双重开关（射频开关以及天线电源开关），其中射频开关用于控制8路GPS天线信号之间的开与闭；天线电源开关控制8路GPS天线工作电源的开与闭，利用GPS天线得不到供电就不能正常工作的特性，解决了多路天线之间信号相互干扰的问题。2、本设备所用的微处理器内部集成TCP/IP协议，具有以太网控制功能，可将分时接收到的GPS信号远程发送，并可远程设置该设备的运行参数。3、本设备集成度高，扩展功能极强，设备内可以按需要集成GPS OEM板接收机、无线局域网（WLAN）模块、CDMA通信模块等。4、数据传输手段多样化，可以使用无线局域网（WL

9、AN），以及CDMA、GPRS等手段，实现测量数据的远程传输和对设备参数的远程设定。5、内置EEPROM，具有掉电保存运行参数的功能。 142、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制2.2 GPS天线阵列接收机的研制 GPS天线阵列接收机是将GPS天线阵列共享器和GPS接收机集成在一起的用来实现采集来自多个天线的观测数据，可以做到准实时和分时段采集，直接将各个天线连接到天线连接端口，不需要另外再连接单独的接收机，所有观测数据记录在本装置中，使用配套软件可以进行数据下载和数据处理，极大地节省成本。本设备使用220V电源，可以进行扩充 15 GPS天线阵列接收机 一台接收机控制的天线数不少于

10、8个；为双频接收机，基线精度不低于5+5ppm。2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制16 双频GPS接收机的天线要求能接收L1(1575. 42MHz)、L2(1227. 6MHz)两个频带信号，且天线相位中心APC(Antenna Phase Center)的稳定性要求达到毫米级。常见的型式有:微带天线、四臂螺旋天线、角锥螺旋天线等。这些天线增益、方向图、驻波比及轴比等性能一般可满足变形监测要求，但天线相位中心稳定性有所不同。据相关文献表明后两种天线相位中心稳定性较差,所以采用双频微带天线。 RF滤波器预放下变频A/D转换器数字IF模拟IF射频RFGPS天线电路原理示意图自动增益

11、控制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制17 GPS天线阵列接收机的电路板主要有射频电路、继电电路、单片机、控制设备电路、显示器电路和GPS-OEM板接入电路组成。其主要功能是按照用户的设置要求，实时控制GPS天线设备输入的微波信号，从而达到分时接收来自不同监测点的GPS天线传过来的GPS信号。GPS-OEM板暂时采用加拿大Novatel公司生产的双频OEMV-3。 继电器及其控制电路射频电路(RF) ANT1 ANT2 ANT3 ANT4 ANT5 ANT6 ANT7IN ANT8GPS OEM板J1J2J3J5J7J4J6J8单片机及其控制电路GPS COM1GPS COM2控

12、制器COM电源供电及其控制电路液晶显示器电路天线阵列接收机电路示意图接收机数字原理图2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制1819 在监测的区域比较广的地域，监测点之间的距离可能很远，使用GPS天线阵列接收机系统不可避免会遇到GPS信号远距离传输的问题。当GPS信号传输距离过远时，信号的损失相当大，会出现很多问题，如信号质量变低、锁定卫星不稳定、容易被干扰等，甚至不能收星。为了减少信号传输的损失，从信号处理的角度来说有三种方法: 提高接收天线内置放大器的增益，或者说是高增益的接收天线 使用低损耗的电缆 传输电缆中采用高增益的中继放大器 GPS 信号放大器GPS信号放大器接收机高增益天

13、线加密封防水措施低损耗电缆 可达1公里INOUT信号放大器连接示意图2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制2.3 GPS信号放大器的研制20数据处理流程示意图 系统整体控制观测数据同步实时计算基线基线检核平差数据实时管理绘制变形过程输出成果报表功能模块示意图 主界面 3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制21 数据采集系统是远程变形监测系统的操作对象，主要功能对GPS天线阵列接收机的串口参数、控制天线数、各个天线的点名、切换时间、数据采样率、截止高度角等进行控制；对其它监测设备的串口参数、标识号、观测量等进行控制。结合无线数据通讯系统可以实时将采集的数据发送回数据处理中心，

14、另外可以将远程数据处理中心发过来的指令消息进行转译并按照指令来控制监测设备。 3.1 数据采集系统3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制22数据采集监测站集线器温度传感器雨量传感器水位传感器因变量等GPS天线阵列接收机天线天线天线倾斜计地裂缝位移计其它测量设备天线电源供电系统组无线数据通讯系统 数据采集系统组成图3.1 数据采集系统3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制23 天线阵列接收机与传统接收机的工作原理不同，这就需要一种特殊的数据处理软件。目前测量型GPS接收机，在开始测量之后，它将会一直处于记录状态，而天线阵列接收机要间隔一定时段进行天线切换时，GPS OEM板不

15、能判别天线是否切换，因此必须在切换时，对观测数据的划分。 根据这个特点，开发了天线阵列接收机配置软件，在天线阵列接收机切换后，就会按照设置好切换的点号，生成对应的Rinex观测数据文件。3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制24天线阵列接收机数据采集界面 3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制25 由于该系统是实时处理系统，那么对基准站的GPS观测数据也要进行采集并把二进制式数据解码为标准的Rinex数据。基准站可以采用主流的双频接收机如Trimble公司5700、ASHTECH公司Z12、 JAVAD的OEM板、Navcom的OEM板、NavAtel的OEM板等。基准站接

16、收机采集界面 3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制26 管理处理系统的前台采用Browser/Server网络访问模式，这种模式具有无需在每台计算机上安装专门的软件，面向不特定的用户，客户机无需维护和升级的优点。用户可以通过浏览器进行数据库的访问，浏览器与管理处理系统之间采用统一的http(s)协议进行数据的传输，并且用户界面统一在浏览器上。包括： 原始观测数据管理模块 基线计算模块（实时、后处理） 基线检查模块（网平差） 监测点变形数据管理模块 3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制3.2 数据处理与管理系统27 对于实时变形监测系统，除了可以计算出监测点的变形来。另外

17、一个工作就是采取一种什么样的方式将原始观测数据管理起来，方便以后进行检查和处理。目前大多数采用树文件夹管理模式，这种方式从技术角度来看，相对简单，但是如果采用大型数据库进行管理，那么可以随时提取和查询某个时段、某个监测站的卫星数据质量情况，方便获取观测数据过去某个时刻的卫星接收的数据质量。其主要包括下面几个表：观测数据Rinex_Header表、观测数据Rinex_Obs表 、观测数据Rinex_Nav表 。3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制28观测数据Rinex_Header表结构字段名称含 义类 型备 注GpsWeekDayGPS周数+周的天数Int(#$)如1048表示，$

18、(1-7)，周日为第一天MonitorName监测点名CString(四个字母)同一个项目，前两个字母不相同*DayPeriod天的循环序号Int最小为1次循环观测AntType天线类型CString格式 名称N:0.00 E: 0.00 H:0.00AntHeight天线高Float(米为单位)真高四位小数，其它方式先转换DataInt数据采样率Float (秒)暂时设最小为0.5秒DateType数据类型Int(4|5)L1 L2 C1 P2 / L1 L2 C1 P2 P1Remark备注CString50个字符3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制29 监测点数据管理系统是一

19、个监测信息存储库，它是管理数据处理系统中的一个非常重要的信息库。它被定义为一种对象数据库，由系统内的许多监测对象及其属性组成。依据管理和拓展需要，构建监测站信息树 。监测点数据管理系统是该系统的一个核心，基线检查后其平差结果和其它因变量数据都将按期数存放到数据库中，便于进行观测网图、成果报表、变形分析与预报等功能。3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制30PIMDMSta1MSta2MSta3MSta4Sation_InformSensor_TemperSensor_WaterSensor_RainGPS_AntAryInstru_InclineSat_NameSat_Locatio

20、nInstru_NumIP_AddressSta_TelephoneSwitch_TimeStaAtenna_HeightData_IntervalCutoff_AngelPot_CorGAntAry_NumGAntAry_LocationGAntAry_Name监测点信息数据库的信息树结构的示意图数据管理界面 3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制31 采用我们课题组提出了一种单历元DC(Direct Calculation)算法，来进行解算基线向量的。这种算法的特点是数据处理简单化，不需要周跳的探测及修复，准确而快速确定模糊度。 - 基线计算模块DC算法程序流程图 基线结果在限差

21、内反算L1模糊度在限差内否是提取观测文件基准站观测文件广播星历文件精密星历文件轨道拟合卫星坐标同步观测文件精确测站坐标文件监测站观测文件是否反算宽巷模糊度是3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制32 GPS天线阵列监测系统中，一般有两个基准站，同步基线可以构成的网形如三角形、大地四边形。所以利用已知的图形条件，来检查基线网的闭合差，如果基线之间的闭合差，没有超限，还可以进行平差处理，获得监测点的三维坐标，提高系统的稳定性和可靠性。网平差界面 3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制- 基线检查模块33 监测系统的任务是获取构筑物的位移变形信息，并对变形信息进行物理解释，探讨变

22、形的成因，给出变形值与荷载（引起变形的有关因素）之间的函数关系，做出预报预警。-数据分析系统 变形矢量图模块具有显示基准点和监测点点位、显示各个监测点的平面和高程方向的位移过程情况等图形，并具有一些基本的图形放大、缩小、平移、查询、打印预览和打印等功能。系统的界面如下： 形变预报是根据数据库中已有的观测数据，对未来的变形趋势进行预报，预报的模型比较多，如多元线性回归、神经网络、模糊神经网络。预报模块的操作界面如下：变形矢量图 形变预报 3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制343、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制GPS天线阵列接收机变形监测与预警系统自动演示35-DC算法

23、 实时动态GPS变形监测的数学处理模型中，大多数适用于快速变形或在缓慢变形中存在突变的变形，如最小二乘搜索法(LS)，基于坐标搜索的模糊度函数法(AMF)，降低模糊度之间相关性的最小二乘平差法(LAMBDA) 等。这些方法一般都需要利用多个历元的观测数据，且在确定模糊度的过程中必须保证一直锁定卫星，没有周跳。但当监测环境较差，如对高层建筑，电视塔，矿区井筒进行监测时，GPS信号经常中断，给这些方法带来了一定的困难。为了解决这种问题，一些国内外学者研究了很多单历元获取监测点变形的算法。 基线向量的约束(陈永奇) 变形特征信息的约束(熊永良) 组合相位观测值获取变形信息(李征航 邱卫宁) 似单差法

24、(余学祥) 阻尼LAMBDA方法(刘根友)4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制36 通过分析了基线向量约束和组合观测法,提出了一种全新的单历元解算法。该算法的核心是利用变形监测的特点和已有精确的WGS-84坐标，提出了一种既准确又快速的整周模糊度解算方法DC（Direct Calculation ）算法。该方法不需要组成和解算法方程，更不需要搜索和确认，而是直接计算整周模糊度。在5公里内，不考虑电离层、对流层等影响，其双差整周模糊度用下式计算： 当已知卫星的位置和监测点的位置时，由该式可直接计算出的整周模糊度的浮点解。经推导，应用协方差传播律得：-DC算法4、系统新理论应用一、GP

25、S自动化监测系统的研制37若要求: 如果变形小于0.1648m时，位移对整周模糊度的影响小于等于半周,这种利用监测点的位移为约束条件直接解算单历元变形量。-DC算法4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制38 当监测点的变形大于0.1648m时，直接解算L1载波的整周模糊度是不准确的。当位移值大到0.7m时，如果还希望对整周模糊度的影响小于等于半周，并应用DC算法计算整周模糊度，则载波相位的波长应为： 可以通过组合相位观测值来解算的模糊度。假设有两种组合观测值的模糊度，其之间的相互关系为：要使得组合观测值有较长的波长(大于0.8083m)，并保持整数特性，上式变为 -DC算法4、系统新

26、理论应用一、GPS自动化监测系统的研制39当任何组合肯定可以保证组合观测值的整数特性 上式的解不惟一，考虑到组合观测值的波长越长噪声越大，确定采用宽巷组合和超宽巷组合 而且波长满足条件，放宽了监测点的变形位移范围。 -DC算法4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制40位移变化量m设计的三个方向上的位移值计算的三个方向上的位移值位移差值dX(m)dY(m)dZ(m)dX(m)dY(m)dZ(m)dX(m)dY(m)dZ(m)0.16080.1150-0.1050-0.04000.1150-0.1050-0.04000.00000.00000.00000.17780.14000.0450

27、-0.10000.14000.0450-0.10000.00000.00000.00000.19900.1400-0.10000.10000.1400-0.10000.10000.00000.00000.00000.30000.2000-0.2000-0.10000.1985-0.1981-0.0985-0.00150.00190.00150.36740.3000-0.1500-0.15000.2991-0.1496-0.1497-0.00090.00040.00030.40110.3000-0.2200-0.15000.2991-0.2197-0.1497-0.00090.00030.000

28、30.45000.3000-0.1500-0.30000.2991-0.1497-0.2997-0.00090.00030.00030.50000.40000.00000.30000.39910.00050.3004-0.00090.00050.00040.51960.5000-0.1000-0.10000.4991-0.0996-0.0997-0.00090.00040.00030.61600.5500-0.1200-0.25000.5490-0.1196-0.2497-0.00100.00040.0003DC算法单历元解算的变形量与实际变形量比较 -DC算法4、系统新理论应用一、GPS自动

29、化监测系统的研制41 设计位移量由小到大逐渐进行变化，然后用DC组合宽巷法单历元进行解算。由上表可以看出在变形量小于0.7m以内，计算位移量在三个方向上与实际变形量最大差值仅在1.9mm，最小的差值在0.3mm，达到毫米级精度。 DC算法不仅能很好地应用于GPS变形监测，获得高精度的变形量,而且可以应用于一般的GPS短基线定位问题，当近似坐标的精度不低于0.6m时，可用精确确定短基线得整周模糊度。-DC算法4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制42 神经网络是建立在人类神经网络解剖的基础上的，它描述的是人类神经网络传递、处理信息的微观过程，并期望从这种微观过程来模仿人的智能，探索人的

30、智慧形成和表现形式。 模糊逻辑则基于人类模糊思维这一抽象机理，用人类的语言来表述问题。它描述的是与人类模糊思维方式方法相关的宏观过程，同时，期望在这个宏观过程中挖掘人的智能形态，模拟人的智能作用，模糊数学为模糊逻辑的研究和开发提供了数学基础。 神经网络的内部知识表达是不清楚的，但它具有学习能力。模糊逻辑虽然长于表达近似与定性知识，但通常又没有学习能力。 -模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制43 由于神经网络的内部知识表达是不清楚，使得神经网络在每次学习时都只能从任意初始条件开始，不能利用必要的初始经验和知识，收敛速度慢，易于陷入局部极值。相反，由于模糊逻辑缺乏学习

31、能力，则只能主观地依赖先验知识确定隶属函数和模糊规则，不能根据积累的经验自动改善模糊系统的性能。因此，神经网络与模糊逻辑的结合就显得非常必要。 -模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制44模糊推理神经网络以下列模糊规则为基础：设计如图所示多输入多输出结构的模糊推理神经网络。其正向计算为: 第一层是输入层, 输入向量的各分量 第二层是计算各输入分量属于各语言变量模糊集合的隶属度函数。该层的节点总数 第三层的每个节点代表一条模糊规则,该层的所有节点组成一个模糊规则库。采用sum 操作进行规则适用度的计算。该层的节点总数为-模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化

32、监测系统的研制45第五层是输出层, 采用重心法应用sum_product 模糊推理和解模糊化方法实现清晰化计算输出第四层所实现的是归一化计算，接点数与第三层一致-模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制46 FNN 目前的学习算法有梯度下降算法、遗传算法、混合学习算法、TPH 算法、移动小论域法等。由于各个输入之间存在潜在相关性及每个输入序列前后存在潜在自相关性,极可能使得基于各输入建立的Hessian 矩阵为病态矩阵。因此,将LM 算法引入FNN ,从而形成了FNN-LM 学习算法。迭代公式为搜索方向dk由下式确定-模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化监

33、测系统的研制47当H秩亏或病态时, 增大其主对角线元素, 其增大量k为阻尼因子引入步长因子( k) k 和( k) 的确定很重要, 直接影响网络学习的收敛速度、迭代振荡和预报精度。-模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制 根据收集整理东江大坝安全监测的位移、气温、库水位等资料，以12个坝体垂线观测点的径切向位移序列为预报对象，共有时间范围从1999年1月至2003年12月期间245个周期的样本数据，在此基础上分别建立了统计模型和FNN模型。 -模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制测点名统计模型FNN模型RMSMAEMSEMAENL1H291

34、R1.10170.67680.77170.5572504.5e-50.20L3H291R1.27250.91901.07450.7201504.5e-50.20L5H291R2.51702.06201.82601.1473504.5e-50.20L7H291R1.53731.00001.20430.8943504.5e-50.30L9H291R0.72170.50390.57530.4569504.5e-50.22L3H291L0.42550.33140.30810.2570504.5e-50.20L7H291L0.29410.23370.27590.1975164.5e-50.20L3H20

35、5R0.58500.49380.47670.3628284.5e-50.10L5H205R1.35571.24951.27541.0261504.5e-50.20MSE 为均方根误差 MAE 平均绝对误差N 为训练次数 为阻尼因子 为步长因子-模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制50 在预报精度上，FNN预报模型的均方根误差和平均绝对误差都比统计模型的相应误差要小；在迭代次数上，均未超过50次，远远低于其它神经网络所建模型的迭代次数，优势明显。 位移预报值与观测值对比情况和预报误差以L7H205L测点为例，测点位移预报值与观测值在60 个观测周期中基本吻合;93 %

36、的预报误差在0. 5 mm 范围内, 表明该FNN 变形预报模型具有较高的预报精度测点位移预报值与观测值对比测点位移预报误差-模糊神经网络预报4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制51 支持向量机SVM是一种基于统计学习理论的模式识别方法，它是由Boser，Guyon，Vapnik在COLT-92（ Computational Learning Theory ）上首次提出，从此迅速的发展起来，现在已经在许多领域都取得了成功的应用。 支持向量机的目标是寻找一个超平面，使得它能够尽可能多的将两类数据点正确的分开，同时使分开的两类数据点距离分类面最远。其解决方法是构造一个在约束条件下的优化

37、问题，具体的说是一个受限二次规划问题(constrained quadratic programing)，求解该问题，得到分类器。-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制52H2H支持向量 如图，H为分类线，H1、H2分别为过各类中离分类线最近的样本且平行于分类线的直线，它们之间的距离叫做分离边缘。所谓最优分类线，就是要求分类线不但能将两类正确分开（训练错误率为0），而且使分离边缘最大。-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制53对于支持向量来说，上面不等号改为等号。则分离边缘为：wTxi + b 1 if yi = 1 wTxi + b -1 if y

38、i = -1 如果所有数据点距离最优分类平面的距离都大于1，即可以实现正确分类，则对于数据(xi ,yi) ，满足下式对于每一数据点，距离分类平面的距离为：-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制54 由于要求最佳分类平面的最大，则问题可转化为：上式还可表达为：wTxi + b 1 if yi=1; wTxi + b -1 if yi = -1寻找w 和b 使得：最大； 并对所有数据点 (xi ,yi)有Min wTw; St. yi (wTxi + b) 1-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制55 当因噪声等原因，会出现分类错误。此时，引入松弛变量

39、i ；从而可以实现有噪情况下的分类。ii松弛变量i可以看作是错误分类产生的误差原来表达式为：Min wTw; St. yi (wTxi + b) 1引入松弛变量后变为： 参数C用来调节正则化和经验风险部分之间的平衡，还可以看作是对错误分类点的惩罚参数。Min wTw + Ci St. yi (wTxi + b) 1- i i 0-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制56引入Lagrange乘子得到Lagrange方程：该Lagrange方程的鞍点就是上面二次规划问题的解，转换为下面对偶问题：Min 目标函数st.-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制

40、57预测预报实质是一个函数回归问题,为此引入不敏感损失函数,则目标函数变为:采用序列最小化算法求解此回归问题-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制支持向量机的变形预报模型的建模过程： 对训练样本数据和检验样本数据进行预处理； 利用交叉验证法确定惩罚系数C 和核参数 ，并给定不敏感损失函数的允许误差 ； 用预处理过的训练样本建立对应的目标函数； 利用序列最小优化算法进求解； 将求解所得到的参数和代入到回归函数中去，并利用回归函数对预处理后的检验样本进行预测； 对预测数据进行反预处理，得到最终的预测结果。-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制5859 以

41、东江大坝水平垂线位移观测数据为依据，测值样本取L3H291垂线测点径向位移1999年1月至2003年12月之间的数值，输入的个数为8个，即以前8次观测的位移作为自变量，第9次的观测位移作为因变量，以此类推。拟合或训练样本数150个，检验样本数为87个。对该测点的的245期变形观测数据进行建模分析。将87个检验样本输入到经过学习的支持向量机中，进行预测效果检验。测点位移预报值与观测值对比测点位移预报误差-支持向量机4、系统新理论应用一、GPS自动化监测系统的研制60 串口服务器又叫通讯服务器，一个带有CPU和嵌入式OS及完整TCP/IP协议栈的独立智能设备。它能连接多个串口设备并能将串口数据流进

42、行选择和处理，把现有的RS232接口的数据转化成IP端口的数据，然后进行IP化的管理，IP化的数据存取。它提供TCP Server Mode、TCP Client Mode、UDP Mode和Real COM Mode工作方式。 串口服务器工作模式-串口服务器5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制61-串口服务器5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制62串口服务器工作模式-串口服务器5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制63远端路由器切割栅状抛物面天线中心路由器 目前解决无线数据传输的方法：铺设光纤、租用专线、租用卫星、架设微波、GPRS（CDMA 1X）无线传输。铺设

43、光纤费用太高，租用专线租金太贵得难以承受，租用卫星价格昂贵又存在带宽不够的问题，而微波却能提供性价比最高的解决方案。 全向天线第一种方案: 无线微波扩频通信 5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制-无线局域网64第二种方案: GPRS（CDMA 1X）无线数据传输 工作原理:监测站的传输软件终端发出包括有APN号码的GPRS登录请求，登陆到GPRS网络；位于移动的SGSN根据登陆请求中的APN，找到登记的Radius服务器，并将用户认证信息送至Radius服务器；Radius服务器向GGSN发送携带用户地址的确认信息；终端得到了IP地址，就可以根据配置(作为服务器端或客户端)与服务器建

44、立起TCP连接；连接建立后，终端采集到的各种数据就会通过建立的TCP数据连接透明地传输到服务器；当服务器有控制命令或其它数据要向下发送时，可以通过TCP连接传送到监测站终端。 5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制-GPRS(CDMA）传输65第二种方案: GPRS（CDMA 1X）无线数据传输 工控机（PDA）监测设备GPRS拨号设备野外数据采集监测站传输软件通信服务商信号基站SGSN服务支持节点GPRS骨干网GGSN网关支持节点信号基站Internet服务器具有公网IP数据管理处理中心5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制-GPRS(CDMA）传输666、电源解决方案一、G

45、PS自动化监测系统的研制 野外长期监测，经常是没有通电的地方，为此采用太阳能电池板+蓄电池+交流电的联合供电模式，根据具体的情况自动启动相应的供电方案。二、GPS自动化监测系统的应用1、在大坝监测中的应用3、在滑坡监测中的应用2、在桥梁监测中的应用4、在沉井监测中的应用5、在机械防撞中的应用676、在填筑碾压中的应用技术指标: GPS天线阵列技术和其他传感器为基础的大坝变形监测新方法、设计一套相应的实施方案，并符合相应的国家标准； 对数据进行现场处理或通过GPRS技术将数据发送到控制中心。系统可以自动处理各种数据并给出计算结果。 建立一套完整的数据库，保证数据的一致性、完全性； 根据此大坝变形

46、信息建立灾害预报模型，即用多元线性回归分析与预测模型、基于灰色理论的预测模型、基于模糊数学的预测模型和数据挖掘等技术的综合应用与编程实现预报；二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用68二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用69二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用现场安装70GPS天线阵列灾害监测系统总体设计特点: 实时监测、自动传输、远程处理、成本较低二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用71 本系统是基于Visual C+语言编制的GPS天线阵列变形监测综合数据处理系统，系统具有

47、用户管理、数据采集、数据处理、数据库管理、生成报表、变形分析与预报、变形矢量图绘制等功能。 软件系统简介（1）数据文件的组织 接收机在开始测量之后，将会一直处于记录状态，如果需要长期的、连续的监测，有限的接收机存储空间显然不能满足要求。因此，需要将数据直接实时传输到控制中心进行存储和处理，以保证长期连续监测的数据存储空间要求。由于在数据采集的过程中利用了GPS多天线阵列，因此在数据处理时需要考虑不同的天线观测数据如何在数据文件中进行区分，经过分析和比较，我们决定在天线切换的过程中重新创建接收机文件，将每个天线的观测数据实时传输到控制中心进行计算和分析处理。 软件系统二、GPS自动化监测系统的应

48、用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用72（2）系统整体控制中心 GPS多天线阵列接收机变形监测综合数据处理系统是依据大坝变形监测的原理，并结合当前测绘现代化发展的需要而开发的。整个系统采用工程化的管理思想，用Visual C+ 6.0作为主要的开发工具， ACCESS作为数据库，整个系统使用方便，模型完善，界面美观。为了更好地实现对各个模块的管理，设计了整体控制中心，它可以很好地将数据处理、数据库管理、分析与预报集成在一起，保证数据库中数据的实时更新，将数据与图形显示有机的结合起来，做到直观、简便。保证各个模块既可以独立的工作，又可以协调工作。 二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵

49、列在大坝监测中的应用73(3) 数据采集 该模块主要负责将基准点和监测点的数据接收到计算机上，在数据接收的过程中，不需要在GPS接收机上进行记录，所有数据自动记录到计算机上，同时进行解码，生成Rinex文件，供后面的数据处理使用。我们将数据采集部分进行了的集成化与系统化处理，做到了实时化和自动化。数据采集时会根据系统日期自动创建文件夹（如GpsRawDataJZ0220040808），并将测量数据存储在该目录下。如果需要进行手工操作，在主控制程序中点击数据采集按扭即可启动数据采集程序，程序界面如下图所示。 二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用74二、GPS自动化监

50、测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用75(4)基线解算 本基线解算采用我们提出的单历元解算法解算。根据变形监测的特点，我们提出了单历元直接解算整周模糊度的理论和算法，并用C+编程实现。其界面如下： 二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用76(5)平差计算 在基线解算完成后可以进行平差计算，得到各个监测点的平差坐标和精度情况。平差计算模块的界面如下图所示。 二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用77(6)数据库管理 数据库管理是本系统的一个核心，平差计算的处理结果将放到数据库中，以便进行成果报表、变形分析与预报以及变形矢量图的绘

51、制。数据库管理主要具有增加记录、修改记录、删除记录、查询记录和导出记录等功能。数据库管理的界面如下图所示。 二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用78(7)成果报表 本系统具有成果报表生成模块。该模块可根据数据库中的数据自动生成变形量统计表。(8)变形矢量图 变形矢量图模块具有显示基准点和监测点点位、显示各个监测点的平面和高程方向的位移过程情况等图形，并具有一些基本的图形放大、缩小、平移、查询、打印预览和打印等功能。该模块的界面如下图所示。 二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用79二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监

52、测中的应用80(9)变形分析与预报 变形分析与预报模块的界面如下图所示。 二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用81(10)GPS天线阵列接收机的监测结果及精度 对25期一个小时和70期二个小时的观测数据，应用本系统进行了处理，所有点的过程线如下图（上图为一个小时）。二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用82二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用83二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用84二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用85二、GPS自动化监测系统

53、的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用86二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用87由上图知，各个方向的平均精度为：满足高精度变形监测的要求。二、GPS自动化监测系统的应用1、GPS天线阵列在大坝监测中的应用88（一）、东海大桥概况及变形监测的必要性（二）、GPS用于东海大桥变形监测的可行性分析（三）、东海大桥GPS多天线阵列变形监测方案 （四）、结论与建议二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案89（1）东海大桥的特点 桥梁长 桥面宽 结构复杂 自身荷载巨大，受风、温度、 潮汐等自然因素的影响很大 建成后车载量大 要保证东海大桥的安全，

54、必须对其进行变形监测。（一）、东海大桥概况及变形监测的必要性二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案90要求监测系统应该具有:精度高实时全天候数据采集处理、分析自动化,一体化（2）东海大桥对变形监测系统的要求二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案91（3）传统的变形监测方法的不适应性经纬仪监测水平位移和水准仪监测垂直位移的常规方法激光准直仪监测水平位移各种传感器监测位移 近景摄影测量的方法监测大桥变形测量机器人监测大桥变形 结论：各种传统方法在各自的应用领域中都具有各自的特点,但都不适用于东海大桥上进行变形监测。 因此，必须研究新的实用系统。二

55、、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案92（二）、GPS用于东海大桥变形监测的可行性分析GPS具有精度高、速度快、全天候、自动化的特点 现有GPS变形监测的模式多样,数据采集,处理,信息分析技术成熟,普通模式 :只用几台GPS接收机，人工定期逐点采集数据 隔河岩模式 :每个监测点上都安置一台GPS接收机，实现全天候、全自动化监测 RTK模式:采用GPS RTK技术 ,一般难以达到3mm的监测精度建议不用这种方式进行变形监测 GPS技术已被广泛运用于各种变形监测中,并取得了显著的成果二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案93GPS接收机坝面GPS

56、天线坝面工控机至总控室隔河岩大坝自动监测系统二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案94 GPS的普通模式精度虽然很高,但不能实现自动化监测,影响了其在东海大桥变形监测中的实用性.隔河岩模式的监测系统显然是一种实用,可靠的系统,但似乎系统造价过于昂贵,对于有600个左右监测点的东海大桥,用隔河岩模式的造价耗资将近一个亿。 能否找到一种既经济又能全天候,全自动化对东海大桥进行变形监测的系统呢?-为此我们提出了GPS天线阵列接收机监测系统。该系统的原理如下：二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案95至总控室工控机多天线阵列接收机GPS天线GPS天线

57、阵列接收机工作原理二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案96（三）、东海大桥GPS多天线阵列变形监测方案（1）监测站布设原则 : 鉴于东海大桥桥体长,桥面宽,以及分段结构建造等特点 ,在变形监测时采用两级布网、分段监测、分段解算的原则。（2）基准点的布设: 在大桥两岸适当位置布设两个基准点，这两个基准点的布设方法，布点标准与IGS站的布设方法相同。基准点要与我国其他IGS联测.布点时考虑地质条件,交通情况,以便于维护. 基准点布设如图:二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案97 （3）工作基点的布设 在东海大桥的桥面上修建5个永久观测墩，每个

58、观测墩上安置天线，接收机，串口设备服务器，远程室外路由器以及切割栅状抛物面天线作为工作基点。工作基点上的GPS接收机保持24小时连续观测，并与两岸的基准点联测. 全桥分做6段,分段情况如图:（4）工作基点上仪器配置二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案98（5）监测点的布设方案 方案一: 在大桥每一跨的中间设置GPS 天线。在主通航孔处和颗株山大桥 处由于比较跨度大,位置居中,可增加监测点.两座桥需要对它们主桥塔的摆动进行监测，需要求解主桥塔顶端的振幅和周期。分别在两座斜拉索桥桥塔顶端安置GPS天线，用两台共享器来控制桥塔顶端的天线，使它们分别与两台GPS接收机连接。

59、 方案二: 为了节省成本，在方案一的基础上减少监测点。对两座斜拉索桥的处理方法与方案一相同。跨海的24km桥段，每百米布设一个监测点，其余6km桥段每150米布设一个监测点. 二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案99（6）系统建成后工作示意图二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案1007、系统成本比较:设备GPS天线阵列变形监测系统隔河岩模式方案一方案二方案一方案二数量金额（万元）数量金额（万元）数量金额（万元）数量金额（万元）接收机72936.0039507.005156695.002983874.00天线5151030.00259518

60、.005151030.00298596.00控制器65195.0037111.600000电缆92000184.0080000160.000000通信72129.603970.20515927.00298536.40观测墩51551.5029829.8051551.5029829.80仪器柜727.20373.7051551.5029829.80调试80.0080.0060.0060.00软件180.00180.00180.00180.00税费335.20199.241079.40636.72合计3128.501859.5410074.405942.72二、GPS自动化监测系统的应用2、东海大