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具体实施项目方案

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华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案
  • 产品名称:华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案
  • 所属类别:具体实施项目方案
  • 产品型号:雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案
  • 所属品牌:上海华测
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“华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案”说明(该产品使用方法、保修、维护详情见说明书。)

华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案介绍

华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案

目录

第一部分GPS 自动化监测系统概述...................................................5

1 GPS 自动化监测系统概述...................................................................5

1.1 GPS 自动化监测系统工作原理........................................................5

1.2 传统监测手段与GPS 自动化监测系统优势....................................6

1.2.1 传统监测手段..................................................................................6

1.2.2 GPS 自动化监测系统的优缺点.....................................................6

1.2.3 总结..................................................................................................8

1.3 华测GPS 自动化监测系统应用实例................................................8

1.3.1 东海大桥监测系统..........................................................................8

1.3.2 瓮福磷矿尾矿库监测系统..............................................................9

1.3.3 黑岱沟露天煤矿边坡监测系统.....................................................10

1.3.4 华测历史监测项目.........................................................................11

第二部分项目概况及设计原则...........................................................13

2 工程概况................................................................................................13

3 监测目的和任务....................................................................................14

4 监测设计的原则和依据........................................................................14

4.1 监测设计原则.....................................................................................14

4.2 监测技术依据.....................................................................................16

5 监测内容和技术要求............................................................................16

5.1 监测具体内容....................................................................................16

5.2 监测技术要求....................................................................................17

5.3 监测系统的技术指标........................................................................17

第三部分系统整体设计.......................................................................18

6 硬件系统...............................................................................................18

6.1 传感器子系统...................................................................................19

6.1.1 GPS 参考站.................................................................................. 20

6.1.2 GPS 监测站................................................................................. 25

6.2 数据传输子系统...............................................................................29

6.2.1 同轴电缆通讯部分........................................................................30

6.2.2 X60M 接收机到数据中心部分.................................................... 31

6.2.3 两种方案比较................................................................................34

6.3 辅助支持系统....................................................................................35

6.3.1 配电及UPS 系统...........................................................................35

6.3.2 防雷系统........................................................................................37

6.3.3 外场机柜........................................................................................40

6.3.4 综合布线........................................................................................41

6.3.5 机房建设........................................................................................42

6.3.6 存储及处理系统............................................................................43

7 软件系统..............................................................................................45

7.1 数据处理...........................................................................................46

7.1.1 数据处理模块的选择...................................................................47

7.1.2 GPSensor 标准特性...................................................................47

7.1.3 GPSensor 基线处理过程............................................................48

7.1.4 GPS 实时独立基线网平差...........................................................52

7.1.5 质量检验........................................................................................52

7.1.6 辅助监测数据处理........................................................................54

7.2 数据传输............................................................................................54

7.2.1 软件数据接口.................................................................................54

7.2.2 数据存储.........................................................................................54

7.2.3 数据坐标转换.................................................................................55

7.3 数据分析.............................................................................................56

7.3.1 单点变形分析..................................................................................56

7.3.2 断面变形分析..................................................................................58

7.3.3 三维模型分析..................................................................................59

7.3.4 对比分析..........................................................................................59

7.3.5 数理统计分析..................................................................................60

7.3.6 预警预报..........................................................................................61

7.3.7 日常报表..........................................................................................62

7.3.8 远程访问..........................................................................................64

8 关键技术................................................................................................64

8.1 专业的监测数据解算软件.................................................................64

8.1.1 GPSensor 算法..............................................................................65

8.1.2 基本功能和指标..............................................................................66

8.1.3 GPSensor 的特点(与RTK 比较和传统静态监测比较).........68

8.2 专业的监测数据分析软件..................................................................73

8.3 双频GPS 技术.....................................................................................73

8.4 无线传输技术.......................................................................................73

8.5 太阳能供电技术...................................................................................73

8.6 工控式报警专用机...............................................................................74

9 产品选型...................................................................................................74

9.1 GPS 设备..............................................................................................74

9.1.1 GPS 接收机..................................................................................... 74

9.1.2 GPS 天线......................................................................................... 77

9.1.3 GPS 天线切换器............................................................................. 79

9.1.4 GPS 天线电缆................................................................................. 82

9.1.5 GPS 天线罩..................................................................................... 84

9.2 通讯设备...............................................................................................85

9.2.1 串口服务器........................................................................................85

9.2.2 无线网桥Nanostation2................................................................... 87

9.3 防雷设备...............................................................................................90

9.3.1 天线防雷设备....................................................................................90

9.3.2 电源防雷设备....................................................................................90

9.3.3 避雷针................................................................................................91

9.4 服务器设备...........................................................................................92

9.4.1 IBM x3650M2 服务器.......................................................................92

9.4.2 磁盘阵列柜。....................................................................................93

9.5 配电设备................................................................................................93

9.5.1 太阳能供电........................................................................................93

9.5.2 UPS 供电.......................................................................................... 96

9.6 其他设备...............................................................................................98

9.6.1 外场机柜............................................................................................98

第四部分技术支持与服务保证..............................................................99

10 技术支持与服务保证.............................................................................99

10.1 系统的安装、调试与培训..................................................................99

10.2 免费保修承诺......................................................................................99

10.3 专业软件免费升级承诺.......................................................................99

10.4 技术培训承诺.......................................................................................100

10.5 技术服务承诺.......................................................................................100

10.6 维修服务承诺.......................................................................................101

10.7 超过保修期的维修承诺.......................................................................101

10.8 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...101

10.9 定期向供产品升级和更新信息承诺...................................................101

第五部分附件...............................................................................................102

第一部分 GPS自动化监测系统概述

1 GPS自动化监测系统概述

1.1 GPS 自动化监测系统工作原理

全球定位系统(global positioning system,缩写为GPS,是美国国防部于1973年11 月授权开始研制的海陆空三军共用的新一代卫星导航系统。GPS 由空间部分、地面监控部分和用户接收机3 部分组成。经过20 多年的研究和试验,整个系统于1994 年完全投入使用。在地球上任何位置、任何时刻GPS 可为各类用户连续地提供动态的三维位置、三维速度和时间信息,实现全球、全天候的连续实时导航、定位和授时。目前、GPS 已在大地测量、精密工程测量、地壳形变监测、石油勘探等领域得到广泛应用。

具体定位原理如下图:

华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案

图1-1 GPS 差分示意图

通过近十多年的实践证明,利用GPS 定位技术进行精密工程测量和大地测量,平差后控制点的平面位置精度为1mm~2mm,高程精度为2mm~3mm。应该说:利用GPS 定位技术进行变形监测,是一种先进的高科技监测手段,而用GPS 监测滑坡是GPS 技术变形监测的一种典型应用,通常有两种方案:

  • 用几台GPS 接收机,由人工定期到监测点上观测,对数据实施处理后进行变形分析与预报;
  • 在监测点上建立无人值守的GPS 观测系统,通过软件控制,实现实时监测解算和变形分析、预报。

但由于每个监测点上都需要安装GPS 接收机,对于本监测系统就需要几十台GPS 接收机,仅购买接收机就需几百万元,致使监测系统的费用非常昂贵。为此、卡奇娱乐根据现场的实际情况选用“一机多天线”技术,即几个监测点共用一台主机,这样可以大大节省投资费用。

1.2传统监测手段与GPS 自动化监测系统优势

1.2.1传统监测手段

常规变形监测技术包括采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值,其优点是:

(1)能够提供变形体整体的变形状态;

(2)适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境;

(3)可以提供绝对变形信息。但外业工作量大,布点受地形条件影响,不易实现自动化监测。

特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量,它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点,但通常只能提供局部和相对的变形信息。摄影测量技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术。近10 余年来,近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝、滑坡、结构工程及高层建筑变形监测等方面得到了应用,其监测精度可达mm 级。与其他变形监测技术相比较,近景摄影测量的优点是:

(1)可在瞬间精确记录下被摄物体的信息及点位信息;

(2)可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测;

(3)相片上的信息丰富、客观又可长久保存,有利于进行变形的对比分析;

(4)监测工作简便、快速、安全。但摄影距离不能过远,且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备,摄影测量技术在变形监测中应用尚不普及。

1.2.2 GPS自动化监测系统的优缺点

1、优点

利用GPS 定位技术进行滑坡等地质灾害监测时具有下列优点:

1) 测站间无需保持通视:由于GPS 定位时测站间不需要保持通视,因而可使变形监测网的布设更为自由、方便。可省略许多中间过渡点(采用常规大地测量方法进行变形监测时,为传递坐标经常要设立许多中间过渡点),且不必建标,从而可节省大量的人力物力。

2) 可同时测定点的三维位移:采用传统的大地测量方法进行变形监测时,平面位移通常是用方向交汇,距离交汇,全站仪极坐标法等手段来测定;而垂直位移一般采用精密水准测量的方法来测定。水平位移和垂直位移的分别测定增加了工作量。且在山区等地进行崩滑地质灾害监测时,由于地势陡峻,进行精密水准测量也极为困难。改用三角高程测量来测定垂直位移时,精度不够理想。而利
用GPS 定位技术来进行变形时则可同时测定点的三维位移。由于卡奇娱乐关心的只是点位的变化,故垂直位移的监测完全可以在大地高系统中进行。这样就可以避免将大地高转换为正常高时由于高程异常的误差而造成的精度损失。虽然采用GPS 定位技术来进行变形监测时,垂直位移的精度一般不如水平位移的精度好,但采取适当措施后仍可满足要求。

3) 全天候观测:GPS 测量不受气候条件的限制,在风雪雨雾中仍能进行观测。这一点对于汛期的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测是非常有利的。

4) 易于实现全系统的自动化:由于GPS 接收机的数据采集工作是自动进行的,而且接收机又为用户预备了必要的入口,故用户可以较为方便地把GPS 变形监测系统建成无人值守的全自动化的监测系统。这种系统不但可保证长期连续运行,而且可大幅度降低变形监测成本,提高监测资料的可靠性。

5) 可以获得mm 级精度:mm 级的精度已可满足一般崩滑体变形监测的精度要求。需要更高的监测精度时应增加观测时间和时段数正因为GPS 定位技术具有上述优点,因而在滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的监测中得到了广泛的应用,成为一种新的有效的监测手段。

2、缺点

利用GPS 定位技术进行地质灾害监测时也存在一些不足之处,主要表现在点位选择的自由度较低:为保证GPS 测量的正常进行和定位精度,在GPS 测量规范中对测站周围的环境作出了一系列的规定。如测站周围高度角15°以上不允许存在成片的障碍物;测站离高压线、变压器、无线电台、电视台、微波中继站等信号干扰物和强信号源有一定的距离(例如200~400m);测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、山坡、大面积水域等信号反射物,以避免多路径误差。但在崩滑体的变形监测中上述要求往往难以满足,因为监测点的位置通常是由地质人员根据滑坡、断层的地质构造和受力情况而定,有时又要考虑利用老的观测墩和控制点。测量人员的选择余地不大,从而使不少变形监测点的观测条件欠佳。

1.2.3总结

从上面分析可得,利用GPS 进行变形监测的优点要远远大于缺点的制约,所以说:GPS 技术的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。据资料介绍,国外从20 世界80 年代开始用GPS 进行变形监测。从90 年代以来,世界上许多国家纷纷布设地壳运动GPS 监测网,为地球动力学和地震与火山喷发预报服务。例如,日本国土地理院从1993 年开始了GPS 连续观测网的筹建工作,到1994 年
日本列岛已建立由210 个GPS 连续观测站组成的连续监测系统(COSMOS), 目前的观测站总数以发展到1000 多个。该系统与1994 年10 月1 日正式使用,10月4 日就检测到北海道东部近海8.4 级大地震,并清晰地记录了地震前后的地壳形变。此后,又成功的捕捉到三陆远海地震及兵库县南部地震的地壳形变。1995年1 月17 日,在日本阪神7.2 级大地震后,该系统在进行快速、准确、精细地监测与分析地壳运动方面起到了很大作用。

1.3华测GPS 自动化监测系统应用实例

1.3.1东海大桥监测系统

东海大桥起始于上海南汇区芦潮港,北连沪芦高速公路,南跨杭州湾北部海域,直达浙江嵊泗县小洋山岛,全长32.5 公里。本GPS 自动化监测系统于2006 年建成投入使用,系统分别由1 个参考站和8个监测站组成。参考站设在附近颗珠山基岩上;主航道斜拉桥设3 个监测站,梁桥塔顶各设1 个,跨中桥面各设1 个;颗珠山斜拉桥设5 个监测站,4 个塔顶各设一个,跨中桥面设1 个。
数据传输采用先进的光纤数据传输方式,与GPS 系统常用的数传电台通讯方式比较,一方面提高了系统的通讯可靠性,另一方面提高了数据传输速度。控制中心配备两台服务器,一台用于设备控制,另一个台用于数据分析和图形处理,以及终端服务。结合专业的数据处理软件,实时对数据进行分析和图形处理。

经过近三年的连续运行,东海大桥实时GPS 形变监测系统运行可靠,稳定。期间分别多次进行对比测试,实测监测数据与其它传感器监测结果进行比较互差都在1cm 以内;在此期间也分析了荷载试验对桥梁结构的影响、分析了台风影响下的形变情况、桥中跨24 小时受温度影响的情况、地震前后的桥梁的变化情况等。比较的结果表明,GPS 数据处理软件的精度达到了毫米级的精度,大桥的形变情况符合事实。

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图1-2 东海大桥监测系统

1.3.2瓮福磷矿尾矿库监测系统

贵州省福泉市拥有丰富的矿产资源,工业发展迅猛。瓮福(集团)有限责任公司是集磷矿采选、磷复肥、磷煤化工、氟碘化工生产、科研、贸易为一体的国有大型磷化工企业,年产磷矿石450 万吨、磷酸90 万吨、硫酸200 万吨、磷复肥250 万吨。瓮福磷矿尾矿库的安全稳定在矿山的安全生产和环境保护中具有十分重要的意义。

本监测系统分别包括翁福磷矿尾矿库及渣场的堆积坝和边坡的位移监测,共设计了2 个参考站1和20 个监测点,同时采用华测X60M GPS 监测专用接收机及一机多天线技术,另外、由于供电来源于几个不同的自然村,存在随时断电的可能,所以系统在实施时增加了加电自动开始数据的采集、发送、解算等功能。本GPS 自动化监测系统采用准实时自动解算的功能,系统24 小时不间断准实时解算出各监测点三维坐标2,解算精度平面为5mm 高程为8mm。同时系统自动分析出坝体及边坡的变化规律,从而做到了及时预警,消除事故隐患,为尾矿库管理者提供了决策依据,确保了尾矿库的安全运行。

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图1-3 瓮福磷矿尾矿库监测系统

1.3.3黑岱沟露天煤矿边坡监测系统

露天煤矿在生产过程中,随着煤层的不断被开采挖掘,矿坑会不断的加深加陡,边坡会越来越突出。露天煤矿边坡变形及滑坡对安全生产的影响是造成局部或全矿停产、人员伤亡、设备毁坏和地面建筑破坏等。黑岱沟露天煤矿监测系统采用华测双频X60M 监测专用接收机,通过无线网桥的方式实时传输GPS 原始数据到控制中心,控制中心准实时(解算周期为3小时一次)解算出各监测点三维坐标,解算精度为平面优于3mm,高程优于5mm,数据分析软件实时分析各监测点变化规律,同时本系统增加了内部位移监测手段,数据分析软件结合GPS 监测数据对不同深度内部位移的监测结果也进行实时分析,并有效、及时做到报警,从而对边坡的稳定性作出分析,对于传统的监测手段节省了大量的人力、财力和物力,也实现了自动化监测目的。软件系统具有可扩展性,为升级留有很大空间,兼容其他系统检测数据。

由于本系统所监测的两个区域比较远,所以参考站是相对独立的

由于业主要求,本系统解算每个监测点的周期为2 分钟,所以在一定程度上影响监测结果的精度

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图1 4 黑岱沟露天煤矿边坡监测系统

1.3.4华测历史监测项目

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表1 1 华测历史监测项目列表

注:除上述已建设完成的大型监测项目外、还包括已完成和在建中的许多

第二部分项目概况及设计原则

2 工程概况

汉源县行政区划属四川省雅安市境内,县城位于大渡河、流沙河阶地上,瀑布沟水电站库区上游,距离电站大坝约32km,城区内高程780~820m 左右。2004年3 月,国务院批准开工建设瀑布沟水电站,其正常蓄水位约为850m 高程,这样汉源县则会被淹没,因此县城不得不另选新址搬迁。县城新址根据现场地质勘测、比较选择、多方讨论结果等意见,由国务院批准在与现汉源县城一河之隔的萝卜岗上建设新县城。

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图2 1 汉源新县城图

由于汉源新县城萝卜岗存在大面积边坡滑移和松散的地质结构影响,甚至有些区域本身就为采空区,所以不得不对萝卜岗进行加固,同时为了掌握萝卜岗整体变化情况,卡奇娱乐不得不对地址结构存在问题的位置进行实时监测。对于本监测系统卡奇娱乐采用GPS 实时监测萝卜岗表面的三维位移。

3 监测目的和任务

随着新县城建设的进行,乱石岗滑坡及其影响区的稳定状态具备不确定性因素。为及时掌握滑坡堆积区、新建筑物及加固围堰等的变形规律,预测边坡及滑坡可能变化的范围及其变化趋势,并能够及时采取相应的处理措施,确保汉源新县城的建设及长期安全,建立长期监测系统显得十分必要和意义重大。

监测的主要任务是:

  • 针对乱石岗滑坡堆积区及影响区的具体特征、影响因素,建立较完整的监测剖面和监测网,使之成为系统化、立体化的变形监测系统;
  • 及时快速的对滑坡区及影响区现状做出评价,并进行预测预报,将可能发生的地质灾害危害降到最低限度;
  • 建立长期监测系统,对场地边坡及滑坡变形进行分析研究,为同类工程积累经验,丰富理论。

监测应达到以下目的:

  • 形成立体监测网;
  • 监测边坡及滑坡的变形动态,对其发展趋势做出预测预报;
  • 对比评价不同条件下及不同监测手段的监测数据,进一步预测边坡及滑坡变形的趋势,指导场地规划建设。

4 监测设计的原则和依据

华测GPS 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,满足位移监测的需要,同时又具经济效益的结构健康安全监控系统,遵循以下设计原则和依据。

4.1 监测设计原则

1、在充分利用现有资料和现有资源的基础上,建立高精度的的GPS 控制网,以高精度GPS 控制网作为基准,在整个萝卜岗存在不稳定的区域建设GPS 监测观测点,而且GPS 观测点的位置选择要与其它监测手段相结合的原则,而且专业监测与群众监测相结合的系统化、立体化监测系统。及时测定和预报边坡及滑坡的位移等变化情况,并为长期稳定性预测研究提供资料。

2、GPS 自动化监测系统应具备完全自动化、数据采集稳定可靠,所有系统综合分析评价科学快捷,所得到的监测数据及结果应能够为场地规划建设及地质灾害预测预报提供依据。

3、高精度GPS 控制网要定时和国际IGS 网联测3,然后通过GAMIT 或Bernese软件解算,采用同济大学或者武汉大学专用平差软件进行平差,前三次联测周期至少保证3 个月一次,如果控制网比较稳定,联测周期可以适当放宽到半年一次。

4、科学合理性原则

  • 监控对象的选取有科学和法律依据,尤其符合相关安全规程和规定,是必要的;
  • 监控手段的选取有高科技含量,是先进的;
  • 监控效果准确有效。

5、经济实用性原则

  • 凡是需要较大投入的监控项目都是需要经常使用的;
  • 凡是原系统已具备的功能或结构装置,只要准确有效,都采用系统整合的方法加以利用,相互配合;
  • 所有涉及的技术手段,在保证长期可靠有效的前提下,采用最经济的方案;
  • 所有的操作功能都采用最简洁的使用方法、做到直观方便、性能稳定以及维护简单。

6、系统可扩展性原则

在监控方案要求改变时,本次投入的软硬件设备能够继续使用,最大限度减少重复投入;

系统接口开放性:系统输出的数据信息采用国际或国内通用的标准格式,便于系统功能扩充和监测成果的开发利用;

系统软件系统支持其它监测设备数据分析、支持人工巡检记录等。

3 具体联测要求请参考GPS 测量规范

4.2 监测技术依据

本系统建设方案设计严格遵循以下相关规范:

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表4-1 监测执行规范

5 监测内容和技术要求

5.1 监测具体内容

本监测系统监测的主要内容是通过在萝卜岗表面不同位置布置一些GPS 观测点,在各观测点上安置GPS 天线,各GPS 天线和一机多天线切换器连接,各接收机观测的数据通过有线或者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萝卜岗整体的稳定性
进行分析。

由于本监测系统设计时仅要求平面坐标,高程是通过其他监测手段来实现,这样可以利用GPS 监测的高层结果和其它监测结果相互验证。

5.2 监测技术要求

本GPS 自动化监测系统的具体技术要求为:

1、各参考站的位置选择要遵守GPS 参考站网技术规范,同时也要考虑服务的对象;

2、各监测点的选择也必须遵守GPS 测量的要求,同时也要考虑监测的任务、周围现有资源情况以及交通等情况;

3、数据通讯和供电系统要尽量利用汉源县新县城现有资源;

4、数据处理中心最好设立在专门的机房里,同时要具备面向公网的固定IP地址,从而便于系统的远程管理与维护。

5.3 监测系统的技术指标

1、各监测点的响应时间一般为2 小时一次,最快可为几分钟一次,系统可根据需要进行设置;

2、各监测点的精度平面小于3mm、高程小于5mm;

3、系统完全是自动运行,如数据自动传输、数据自动处理及自动网平差、数据自动分析、自动报警及自动生成报表等;

4、数据分析软件应为基于WEBGIS 平台的可视化系统,防爆滑坡灾害管理与防灾决策,建立滑坡监测信息发布网站,同时该系统软件支持其它监测手段数据输入并能自动分析等功能。

第三部分系统整体设计

汉源县GPS 自动化监测系统包括硬件系统和软件系统两大部分,如下图所示为这个GPS 自动化监测系统的拓扑结构图。


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图5-1 汉源县GPS 自动检测系统拓扑图

6 硬件系统

汉源县GPS 自动化监测系统总体可分为:传感器子系统、数据传输子系统、辅助支持系统三大部分组成。

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图6-1 汉源县GPS 自动监测系统硬件拓扑图

1、传感器子系统:即由各GPS 监测单元组成,负责汉源县位移监测点监测数据的采集;

2、数据传输子系统:负责传感器系统所采集数据实时的传输到控制中心。具体的传输方式卡奇娱乐一般采用光纤、无线网桥等媒介,为了达到可靠、有效、稳定卡奇娱乐将采用几种方式并存,甚至为了解决距离远、布线麻烦等问题,卡奇娱乐也可以采用架设无线基站的方式。

3、辅助支持系统:由监测外场及监控中心辅助整个汉源县GPS 自动化监测系统正常运行的设备组成,包括配电及UPS、防雷、综合布线及外场机柜等子系统组成。

6.1 传感器子系统

传感器主要指监测汉源县表面变形的GPS 参考站、监测站及其辅助设备,各GPS 接收机跟踪观测卫星信号,并实时按照一定规律把所接收的卫星信号变换成电信号或其他信号并传输到控制中心,以满足信息的记录、处理、控制等要求,从而实现汉源新县城表面位移的实时监测的目的。

6.1.1 GPS参考站汉源新县城GPS 参考站也可以称为连续运行参考站,它是整个汉源新县城表面位移监测的基准框架。它长期连续跟踪观测卫星信号,通过数据通讯网络实时传输GPS 观测数据到控制中心,几个参考站可以联合组网,并实时为各监测站提供高精度的载波相位差分数据及起算坐标。本GPS 自动化监测系统卡奇娱乐共设立5 个连续运行参考站(参考站的具体布置请看下图),其中在监测区域内的两个参考站全天候安置GPS 接收机与天线等,并连续观测,从而为各监测站实时提供差分数据与起算坐标,其它三个为辅助参考站,它们的功能是定时检核另外两个参考站的变化情况。另外、这五个参考站需定时统一和国际IGS 网进行联测,统一采用国际地球参考框架(如ITRF97)为基准进行解算,解算软件采用Gamit 或Bernese,网平差软件采用武大或者同济大学的专用网平差软件,对于联测周期,前三次联测周期至少保证3 个月一次,如果控制网比较稳定,联测周期可以适当放宽到半年一次。

汉源新县城GPS 参考站主要包括站址选择、基建、仪器设备的选择及设备安装:

1、参考站站址选择

参考站要求建立在地基稳定的地点,同时GPS 参考站场地应满足以下要求:

  • 场地稳固,年平均下沉和位移小于3mm;
  • 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;
  • 天线蹲的高度不低于2 米;
  • 观测标志应远离震动源。

2、参考站基建

华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案

图6-3 参考站观测墩示意图

1) 观测墩的建设要求

在满足以上要求的前提下,在萝卜岗的野外合适位置建立两个基站,观测墩的建设必须满足以下要求:

  • 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;
  • GPS 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;
  • GPS 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;
  • 双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。

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图6-4 观测墩设计图

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图6-5 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

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。华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案

表6-1 每立方米混凝土制作材料用量表

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

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GPS 自动化监测系统选用华测X60M 双频监测专用接收机和A600 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

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图6-6 参考站设备安装图

6.1.2 GPS监测站

汉源新县城GPS 监测站是实时掌握汉源县城表面变化量的依据,各监测点长期连续跟踪观测卫星信号,通过数据通讯网络实时传输GPS 观测数据到控制中心,并结合各参考站的观测数据与起算坐标通过控制中心软件准实时解算处理,最终得到各监测点的三维坐标。

本GPS 自动化监测系统卡奇娱乐共设立64 个连续运行监测站,各监测站布置在16个断面上,具体布置请看下图:

考虑到投资的费用,卡奇娱乐采用了“一机多天线”技术;考虑到监测区域的实际情况,主要是监测的密集程度,所有监测点卡奇娱乐都采用一对四的切换器,这样一台GPS 接收机和4 个GPS 天线就能同时监测4 个监测点,当系统在自动运行时,“一机多天线”切换器按照预先设定好的时间间隔自动轮流切换,控制中心解算软件也是自动轮流解算,从而系统分别逐一得出各监测点的三维坐标。汉源新县城GPS 监测站和参考站一样,也包括站址选择、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

根据监测区域的实际情况及参照《GPS 测量规范》,各监测站点的位置应尽量避开高大的建筑物、尽可能和内部位移监测点选择在同一个位置上、尽量选择在围堰上等。

2、监测站观测墩基建

根据汉源新县城监测区域的实际情况及监测点所监测的内容,本GPS 自动化监测系统监测站观测墩分为屋顶水泥墩、预制钢结构观测墩、围堰观测墩、普通土层观测墩,各观测墩的高度按照人的平均身高计算,建设为1.8 米以上为宜,如果远离城区,而且很少有人活动的范围内观测墩的高度可适当降低。

1) 屋顶水泥墩式

内部钢筋应与房屋主承重结构钢筋焊接,结合部分应不少于0.1m,屋顶观测墩与屋顶观测面结合处应做防水处理;

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图6-8 屋顶观测墩

2) 预置钢结构观测墩

通过厂家订做符合要求的立杆观测墩,现场用膨胀螺丝固定在房顶上,保证牢固性和美观性,并做好防水处理。

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图6-9 立杆的立面图

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图6-10 某监测项目观测墩实景图

如上图所示是某监测项目的立杆实景图片,实际的立杆高度可以小一点,如果周围没有遮挡,一般做1.2 米即可。

3) 围堰观测墩

对于围堰观测墩,在围堰坚固结构的基础上打入钢筋支架浇筑混凝土。

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图6-11 围堰观测墩

4) 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。

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图6-12 土层观测墩

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。

3、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GPS 自动化监测系统选用华测X60M 双频监测专用接收机和A300大地测量型天线,同时在GPS 天线与GPS 主机中间增加了“一机多天线”自动切换器,GPS 主机为分体式设计,“一机多天线”自动切换器为一对四,具体技术参数请参考“设备选型”。

4、设备安装

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图6-13 监测站设备安装

6.2 数据传输子系统

汉源县GPS 自动化监测系统数据传输主要包括:GPS 双频天线到GPS 主机、主机到控制中心,如果是监测站由于采用了“一机多天线”技术,所以数据传输时在GPS 双频天线到GPS 主机中间增加了“一机多天线”,同时“一机多天线”也要和串口服务器相连接,以达到实时传输“一机多天线”控制信号到控制中心的目的。具体数据传输流程如下图:

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图6-14 数据传输子系统

6.2.1同轴电缆通讯部分

本系统需要同轴电缆通讯的部位为:参考站是GPS 双频天线到X60M 主机;监测站是GPS 双频天线到“一机多天线”自动切换器、“一机多天线”自动切换器到X60M 主机。对于参考站部分,主机离天线比较近,所以只需要采用2 米标准配置的GPS 天线电缆即可,对于“一机多天线”自动切换器到X60M 主机也是同样道理,但是监测站部分GPS 双频天线到“一机多天线”自动切换器由于受到点的分布关系,所以同轴电缆的具体长度要根据实际情况决定,选用什么样的同轴电缆要根据实际的长度来决定,详细参数请参照设备选型。另外、监测站部分的同轴电缆的接头必须进行现场焊接。

注:采用“一机多天线”的部分:几根GPS 天线分别与天线切换装置连接,天线切换装置再通过一根很短的GPS 电缆和接收机连接。在一个机柜中,几个距离很近的观测墩通过天线切换装置共用一个接收机,同轴电缆的长度不超过200米,如果超过200 米,系统不仅要选用标准最高的电缆,同时还要增加放大器。建议同轴电缆最长不要超过300 米。虽然采用“一机多天线”在一定的程度上可
以降低成本,但当同轴电缆太长成本又会增加,同时接受卫星的效果也会比较差。

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图6-15 一机多天线连接示意图

6.2.2 X60M接收机到数据中心部分

GPS 接收机和数据处理中心之间的传输,由于距离远,情况复杂,信号可能出现衰减,需要综合考虑布线、人力、物力和维护等问题。实现接收机到控制中心的数据传输从布线方式上说主要有两种:无线和有线传输。根据汉源新县城的实际情况和监测点的可能位置的分布,卡奇娱乐主要设计了两种方案:一种为有线、无线相结合;另一种为全无线的方式。

1、有线、无线相结合

有线、无线相结合主要目的是利用现有资源,即在城区已经铺设电信网络的地方采用租用电信的光纤,在城郊还没有铺设电信网络的地方采用无线传输的办法。

1) 城区有线传输

原理:接收机输出的RS232 的信号,必须进行转换才能远距离的传输,需要加装串口服务器和光电交换机,城区所租用的光纤为每台X60M GPS 接收机节点处分配一个局域网的静态IP 地址,同时在数据中心也分配一个同样的静态IP地址,从而使整个这个网络系统形成一个闭合的局域网,如果每个节点所分配的静态IP 地址不在同一个网段,那还需要在数据中心增加路由器进行路由。一般来说:城区内监测站主机节点尽量分布在办公楼、公园、甚至小区等场所,这样不仅便于数据通讯,同时也便于保护。但是对于光纤如何租、具体如何接入、费用如何需要和当地网络运营商具体协商,如果光纤的接入点离X60M GPS接收机节点处比较远,可以采用232 转485 的方式辅助传输。辅助通讯方式电缆铺设示意图:

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图6-16 通讯电缆铺设

2) 城郊无线传输

分布在城郊的点,由于距离较远,现有资源可能没有光纤接入点或者没有铺设光纤,所以本系统设计采用无线网桥的传输方式,具体传输方式是在数据中心架设一个无线网桥接收点,采用外置全向高增益天线,如果条件允许尽量架设的高点;在监测站GPS 接入点的位置也同样架设无线网桥传输模块,不过此处为了方便安装与管理,所以采用小型的无线网桥,而且天线为内置。如果由于遮挡或者距离远照成数据中心与监测点不能正常通讯需在中间架设中继站。

注:从作用上来理解无线网桥,它可以用于连接两个或多个独立的网络段,这些独立的网络段通常位于不同的建筑内,相距几百米到几公里。所以说它可以广泛应用在不同建筑物间的互联。同时,根据协议不同,无线网桥又可以分为2.4GHz 频段的802.11b 或802.11 以及采用5.8GHz 频段的802.11a 无线网桥。

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图6-17 无线传输示意图

2、整体无线传输

整个项目全通过无线传输的方式是通过在县城架设3 到5 个无线基站,城区和城郊所有的X60M 接收机处架设无线传输模块后完全通过无线传输的方式把GPS 观测数据传输到数据中心,如下图:

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图6-18 无线传输网络示意图

如上图所示,县城内部架设五台Wi-Fi 无线宽带基站(具体架设基站个数需通过测试决定),可以在数据中心和其它合适位置。这几台基站完全可以覆盖萝卜岗整个区域,不管监测点分布在市区还是郊区的什么位置,只要配置了无线网桥设备,均可以接入到网络中,向控制中心发送数据,整个网络构成一个局域网,十分便于维护和管理。

为了防止干扰,可以选择5.8g 频段的无线设备。工业级的无线传输设备性能稳定,不受非视距的影响,完全可以满足监测的需要。

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图6-19 无线发射基站

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图6-20 无线网桥设备

6.2.3两种方案比较

市区内租用光纤的好处是可以利用现有资源,对于整个汉源市来说避免了重复架设,但是布线较为繁琐,与有线网络相比,无线局域网具有以下优点:

1、安装便捷

一般在网络建设中,施工周期最长、对周边环境影响最大的,就是网络布线施工工程。在施工过程中,往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域网最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量,一般只要安装一个或多个接入点AP(Access Point)设备,就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。

2、使用灵活

在有线网络中,网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦无线局域网建成后,在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。

3、经济节约
由于有线网络缺少灵活性,这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要,这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划,又要花费较多费用进行网络改造,而无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。

4、易于扩展

无线局域网有多种配置方式,能够根据需要灵活选择。这样,无线局域网就能胜任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络,并且能够提供像“漫游(Roaming)”等有线网络无法提供的特性。由于无线局域网具有多方面的优点,所以发展十分迅速。在最近几年里,无线局域网已经在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛应用。

分析:

汉源新县城的实际范围不是很大,而接入的监测站点又比较多,因此采用无线传输解决方案是最好的选择,而且实际核算的成本并不昂贵,相比有线方式属于一次性投入,县城的监测周期很长,长期租用光纤的后期费用会很大。但是有线传输的方式较为稳定。可根据现场情况,确定方案的最后选择。

6.3 辅助支持系统

6.3.1配电及 UPS系统

本项目监测站点设备需要进行供电,城区部分的监测点可以考虑以下方案:

1、市政供电系统

在利用市政供电系统的优势上要尽量考虑财力、物力,节约成本,利用现有资源,就近供电。

监测站和数据传输设备的供电,可以就近设计送电线路,线路的布设根据实际情况。在机柜装置里设计电力接口,用适配器将220V 交流电转换为设备工作电压为12V。

市政供电一般就近使用附近办公大楼或者居民的用电,协商好价格,考虑到市电的不稳定性,需要在电源前端加装一个带稳压功能的UPS,既能保证电压的稳定,又可以在断电的情况下继续给接收机供电,保证6-8 小时的工作时间。推荐采用山特的C1KS 型UPS,后备的电源为六节100AH 的蓄电池。UPS 可和用电单位协商,摆放在室内,如果没有条件的可在附近建设一个水泥的小房子,保证散热和防水。进入接收机机柜的电源部分还需要加装空气开关,保证用电安全。

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图6-21 在线式UPS

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图6-22 空气开关

对于分布在野外的监测点,周围没有可利用的电源,需要采用太阳能供电系统,以下方案:

2、太阳能供电设计

1)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12V。

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/10A 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80Ah,可以满足阴雨天3-5 天工作时间。

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图6-23 太阳能供电设备

2)太阳能供电系统的安装

在观测墩的侧面延伸出一个小型的水泥平台,放置太阳能电池板,倾斜角度在30-45 度之间,面对方向为正南方偏西15 度左右,并制作三角形的支架固定
在水泥板上,防止偷窃。蓄电池可埋设在观测墩的附近,埋入地下,避免日晒雨淋、被盗贼偷盗,和外力冲击。

6.3.2防雷系统

1、雷电危害

雷电危害分为直击雷和感应雷。直击雷是带电云层(雷云)与建筑物、其它物体、大地或防雷装置之间发生的迅猛放电现象,并由此伴随而产生的电效应、热效应或机械力等一系列的破坏
作用。

感应雷是由于带电积云接近地面,在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的,或是由于雷电放电时,巨大的冲击雷电流在周围空间产生
迅速变化的强磁场引起的。

所以监测系统中各监测站及通讯系统由于雷击危害潜在因素,都要考虑防雷措施。雷电所产生的高电压电磁脉冲对没有相应保护措施的电缆(如:同轴电缆,天线,数据通讯电缆,电源电缆等)产生强烈的毁坏作用,最终导致损坏所连接的电子设备。

2、雷电防范措施

主要设备GPS 接收机是有2000V 的光电隔离效果,外壳是工程塑料,在设计上已经起到了一定避雷效果,在此基础上辅助其他专业的防雷设备。

1) 城区监测点:

  • 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;
  • 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。

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图6-24 单项电源避雷器

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图6-25 同轴电缆浪涌保护器

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。

2) 野外监测点:

直击雷防护:

GPS 天线和接收机附近必须安装避雷针,避雷针与天线横向距离不小于3m,避雷针高度按照“滚球法”确定,粗略计算即可。

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图6-26 直击雷预防示意图

在距观测墩3~3.5 米处安装避雷针,选用Φ16 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。地网的建设选用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(连接处必须为焊接)。接地电阻小于参照GB 7450。

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图6-27 华测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。

感应雷防护

感应雷的防护参考城区内监测点的防护措施,不使用市电的不需要加装电源避雷器。

6.3.3外场机柜

室外设备必须统一放在机柜中,主要设备有GPS 接收机、天线转换器、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,可挂靠在观测墩上。

布设原则:

  • 按数据传输路径,分别安装天线转换器、GPS 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。

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图6-28 机柜内部布置参考图

6.3.4综合布线

根据实际的情况,项目使用的布线主要有以下几种:

1、同轴电缆

超过10 米以上的,铺设过程中需要满足以下要求:

  • GPS 天线电缆室外或地下部分必须穿PVC 管或热镀锌钢管;
  • 不允许有小于90°扭折,避免造成线缆受损,影响信号传输质量;
  • 管槽的衔接要做到规范,没有裂缝;
  • 各接插口要插紧,同时用扎带或绝缘胶带固定;
  • 各条电缆还要进行规范的标识,在施工图上也要进行编号标识;
  • 在电缆两侧要预留足够的线供端接和制作使用。

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图6-29 同轴电缆的铺设

2、供电线缆

  • 因为市区内的监测点采用市电,需要根据现场情况就近取电,用电线缆的布设的基本要求如下:
  • 在电缆铺设前,应仔细地核对电缆的型号、规格等是否符合设计要求,检查电缆表面有无损伤。此外,还必须用500 伏兆欧表测量绝缘电阻,一般不低于10 兆欧;
  • 电缆芯线应采用圆套管连接。铜芯电缆用铜套管压接,套管为含铜99.9%以上的铜管制成,壁厚不小于1mm,长度是套管直径的8~10 倍;铝芯电缆用铝套管压接,套管含铝不小于99.6%,壁厚不小于1.2mm,长度同样是套管直径的8~10 倍。如果铺设的电缆是铜芯和铝芯电缆的连接,应采用铜铝过度接头。并且需要对铜铝过度接头与导线压接前进行退火处理;
  • 电缆连接的中间头或终端必须密封防水,剖切电缆线是不能将电缆线芯绝缘外皮损伤;

在下列地方,应装标志牌:

① 线路的始端和末端;

② 线路改变方向的转弯处;

③ 电缆头与电缆接头处。

  • 标志牌的规格应统一,应注明线路编号、电缆的型号、电缆导体芯数、截面、电压、起讫点及安装日期;
  • 电缆线路的施工都应有原始记录,每次地埋线路有所变动时,都应该及时更正相应技术资料和电缆标志牌,以确保线路资料的正确性。

6.3.5机房建设

1、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。

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、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、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。

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图6-30 监控中心示意图

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图6-31 服务器机房

6.3.6存储及处理系统

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图6-32 服务器拓扑图

1、介绍

根据用户的需求,以及卡奇娱乐公司以往系统集成方面的经验,本方案拟推荐使用IBM x3650M2 服务器和IBM DS3400 磁盘阵列柜来组成数据系统平台。具体地,如上拓扑结构图所示:

由两台IBM x3650M2 服务器组成双机系统,互为备份。支持Active-Standby和Active-Active 两种方式的热备。数据存储于IBM DS3400 磁盘阵列柜上,供数据库同步共享。

2、特点

本方案使用IBM x3650M2 服务器和DS3400 磁盘阵列柜,极大地保证了整个系统的高性能。同时,本方案也为将来的升级扩容预留了空间。只需添加部分设备即可增加系统的数据存储量,系统的可用性极高,极大地保护用户的投资。

3、处理系统

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。这部分在第七部分软件中有详细的介绍。

7 软件系统

软件系统总体可以分为3 个部分:即数据处理模块、数据传输与储存模块、数据分析模块。此三个部分是整个GPS 自动化监测系统的核心组成部分,它们之间相互独立又紧密关联与配合,而且所有操作完全是人工提前设定后由软件自动完成。

如下图所示:这三个模块具体配合流程为固定布置的传感器将监测数据调制成可传输的信号,根据传输的远近、所处的位置选择无线或有线的通讯方式,在数据采集工作站完成数据的自检和本地存储。并通过控制信号对参数配置和采样控制完成操作。
在数据进入处理服务器后,数据处理(GPSensor)软件完成自动解算、平差等工作,数据分析和显示功能实现监测变形统计,并对数据进行评估和预警。数据处理完成的同时将原始数据和解算结果存储到数据库,数据分析得到的预警信息、以及时间信息、健康状态等存储到数据库,数据库也为分析模块提供历史监测数据等信息供调用。

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图7-1 软件系统构架图

7.1 数据处理

“数据处理”是汉源新县城GPS 自动化监测系统的核心组成部分,“数据处理”结果精度的高低关系到卡奇娱乐对滑坡体稳定性的判断、分析以及影响管理人员的决策。

对于本监测系统“数据处理”主要指监测区域内各GPS 原始数据的采集控制,以实现数据处理的同时对数据采样间隔,GPS 一机多天线的信号切换的控制、各GPS 原始数据的输入与处理、原始数据的检验、设备故障诊断,其它监测手段监测数据的输入与处理等。

7.1.1数据处理模块的选择

针对本项目的实际情况以及业主的具体要求,卡奇娱乐推荐选用专业GPS 监测软件GPSensor 进行系统控制与数据处理。本软件在系统控制方面支持Trimble、Leica、Topocon、Huace 等众多品牌的接收机;在进行GPS 数据处理方面采用了先进的非线性Kalman 滤波双差解、三差解算法,同时增加了先进的电离层改正模型、支持多参考站解算及实时独立基线网平差等功能,具体精度为平面小于3mm,高程5mm。并且实现双基站或多基站处理功能。

7.1.2 GPSensor标准特性

  • Windows95/NT 32bit 结构;
  • 多线程,多任务设计;
  • 先进的GPS 数据算法:具有OTF 解算、卡尔曼滤波、三差解算等,同时支持实时、后处理解算;
  • 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;
  • 支持远程控制功能,软件可自动向GPS 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);
  • 兼容多个品牌的接收机,如Trimble、Leica、Topocon、Magellan 等,同时也支持“一机多天线”技术;
  • 软件自动保存解算数据到数据库,同时自动保存GPS 原始数据到本地磁盘;
  • 支持有线、无线多种通讯方式等功能;
  • 提供接口源代码,支持用户二次开发。

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图7-2 GPSensor 软件界面图

7.1.3 GPSensor基线处理过程

1、参数设置

GPS 基线由两台接收机的同步观测数据形成。GPSensor 软件集实时动态处理、准动态处理算法等以及不同的滤波、不同的电离层改正模型等,所以需要根据监测项目的实际需要设置具体数据处理方式、改正模型等,甚至包括卫星高度角、PDOP 值的限值。

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图7-3 基线处理设置

2、多基站功能

基准站在整个系统中提供基准坐标和用于相对定位解算的载波相位观测值等信息。通过将基准站数据同各个监测站数据的差分处理,解算出各监测点的精确三维坐标。

一般情况下实时处理一个基准站就可以得出监测站精确点位,但为了提高监测系统解算精度、保证系统的稳定性,卡奇娱乐习惯采用双基站或多基站的方案。实验证明在精度上有显著的提高,具体原因是多基站形成了更多的多余观测,不同基线对同一个点的解算结果相互检核,采用最小二乘法进行加权平均,同时进行实时独立基线网平差。另外、多个基准站可覆盖整个监测区域,计算出更符合本监测区的电离层改正模型。

3、系统采用单频/双频混合解算方式

在GPS 定位中,经常采用调制在L1、L2 上的一种或多种信号计算待定点之间的基线向量,确定待定点点位坐标。系统采用单频L1 或单频/双频L1、L2 混合解算方式。

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表7-1 GPS 两种载波的主要信号

系统除了使用上面的观测值进行数据处理以外,还使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值,如宽巷观测值(Wide-Lane)、窄巷观测值(Narrow-Lane)、消除电离层延迟的观测值(Ion-Free)来进行数据处理。

4、基线处理步骤

1)基线解算参数控制

通过控制参数的设定可以实现基线的优化处理。控制参数主要包括数据采样间隔、截止角、参考卫星及其电离层和解算模型的设置等。

2)基线解算自检

软件在基线解算之前,先对基线解算控制参数的设置、观测数据及星历文件、起算坐标等等。

3)读入星历数据

提取原始数据的星历数据部分,也可以从相关网站下载精密星历,提高解算精度。

4)读入观测数据

读取原始数据的观测值数据,包括起始站和终点站的观测数据、单点定位坐标、观测时刻、C/A 码伪距、P 码伪距、载波相位。

5)三差解算

将双差观测值在历元间进行相减,组合成三差观测值,建立观测方程,进行解算,得到三差解,但对于短边,三差解的精度往往不高,通常三差解的目的在于得到比较近似的基线边,便于进行周跳修复。

6)周跳修复

基线解算的关键在于找到正确的整周模糊度,能够求解整周模糊度的前提是接收机对载波相位的连续跟踪,但是接收机不可能总是连续跟踪载波相位,遮挡、干扰等都会造成对载波相位的跟踪中断,从而使历元之间的载波相位观测值出现所谓的周跳,如何探测并修复周跳,往往是基线处理软件需要解决的主要问题。

7)进行双差浮点解算

若共观测到N 颗卫星的信号,则双差观测方程组将比三差观测方程组增加N-1 个未知数,双差解得到更进一步的未知点坐标和以浮点数表示的整周模糊度。理论上,整周模糊度应为整数,但由于其在解算时吸收了观测噪声以及其它未模型化的误差,因此通常只能得到一个浮点数。该浮点数往往与实际的整数有一定的偏差,有时偏差甚至达到几周。

8)整周模糊度分解

一般说来,在足够长的同步观测时间和得到足够多的观测数据的情况下,仅靠取整也可以得到正确的整周模糊度,但采用快速求解整周模糊度(FARA, FastAmbiguity Resolution Approach)方法和LAMBDA 方法,可以大大地缩短观测时间,提高工作效率。

9)进行双差固定解算

在整周模糊度得到正确的固定后,进行双差固定解算,双差固定解的精度最高。但若整周模糊度不正确,双差固定解的精度当然也不正确。

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图7-4 单基线解算的主要步骤

7.1.4 GPS实时独立基线网平差

对于本监测系统网平差的方法是独立基线网平差(如下图),即对同一个监测点进行平差时仅采用和参考站有关的基线,这样设计的好处是不会把其它监测点的移动平差到另外的监测上。

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图7-5 独立基线网平差示意图

注:上图三角图表为参考站,其它为监测站,监测站粉色圈为误差椭圆,代表解算结果误差的大小。

7.1.5质量检验

质量检验是数据处理最后一个环节,也是非常重要的一个环境,它的具体功能是通过数理统计的一些方法判断解算结果的精度及是否有粗差,如果有系统则会自动剔除,具体检验方法为华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案检验和华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案检验。

1、华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案检验

华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案检验就是对整个网的单位权方差华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案进行检验,即判断平差后单位权方差华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案的估值是否与平差前先验的单位权方差华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案一致。

若:

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则认为两者是一致的。

软件检验网平差是否通过了华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案检验。若网平差不能通过华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案检验,则对基线进行重新处理,或者剔除较差的观测值等方法使之通过华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案检验。

2、华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案检验

根据基线向量改正数的大小,可以判断出基线向量中是否含有粗差。具体判断依据是:

若:

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其中: 华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案为第 i 个观测值的残差;

华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案为单位权方差;

华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案为第i 个观测值的协因素;

华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案为在显著性水平α下的t分布的区间。

则认为第i 个观测值中不含有粗差;反之,则含有粗差。

而软件实际提供的华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案值为检验值与华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案值的比值,如果该值小于1.0,则说明该观测值不应排除,如它大于1.0 则意味着应排除。

如下图所示:背景曲线为理论上的τ值分布曲线,蓝色直方图为实际曲线。

由下图可以看出,在网平差中,有个别τ检验值超过了范围。

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图7-6τ检验直方图

7.1.6辅助监测数据处理

1、数据导入

根据监测手段和方式不同,用户可以通过系统的接口程序实现系统和观测电子手簿直接相连,自动导入或手工导入,比如内部位移监测结果输入等。

2、粗差检验

依据相关规范规程应用相应检验粗差的方法对其进行检验,若有粗差则给出提示警告和可能原因,以便查找原因返工重测,若没有粗差则提示检验通过,可进行下一步数据保存。

7.2 数据传输

数据传输部分主要包括原始监测数据与处理模块的数据接口、原始数据和解算数据存储到数据库以及数据处理与数据分析之间的数据接口。为了直观表达监测区域的变化趋势及变化规律,在数据分析时需要对GPS 处理结果坐标进行转换,所以在数据保存在数据库前需要对监测结果进行坐标转换。

7.2.1软件数据接口

对于GPS 监测手段的原始数据、解算结果本软件通过TCP/IP 协议或者COM方式进行数据传输,但是对于其它监测手段的数据输入时通过固定文件格式导入或者手工输入的方式。

注:人工记录数据,在软件里设置人工输入接口,并对数据采集时间、天气情况、温度、观测员等做详细分类,以保证数据接入的完整。

7.2.2数据存储

包括对原始数据与解算结果的保存,对数据库相关数据进行查询、添加录入、修改和删除。

1、数据存储

采用自动化或手动录入添加的方式进行存储。根据实际需要对测点属性数据和监测单位所提供的直接成果数据进行录入添加。

2、数据查询

根据不同监测项目特点,采用不同的查询方式对测点的属性信息和监测成果进行条件查询和遍历查询,并可根据需要将查询结果以不同的方式输出。

3、数据修改

考虑到操作的规范性,系统只允许对监测点属性进行修改。通过查询所要修改的监测点,对其属性信息进行修改,同时可以动态显示数据库中的监测点属性信息,方便用户及时看到修改结果。

4、数据删除

与数据修改功能相似,通过对数据信息查询后再进行删除,删除前须经确认,然后才能操作,确保准确无误。

注:数据修改和数据删除只有管理员权限的人员才可以操作。

7.2.3数据坐标转换

原始数据处理模块的结果在传入数据库模块前,需要进行坐标转换,GPS采集的数据是WGS84 经纬度坐标,经过投影转换后也只能是以真北为北方向的平面坐标,但是卡奇娱乐对监测点的布设是划分几个断面的,具体的监测结果需要以断面的走向为北方向的坐标,所以需要通过坐标轴的旋转才能符合要求,如下图:

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图7-7 坐标转换设置

7.3 数据分析

数据分析主要是对监测解算数据以图形化的方式统计分析,数据传输部分在存储数据到数据库的同时,也将解算结果传输给数据分析部分,以实现实时分析。也可以调用数据库的历史数据实现历史统计分析。分析的主要方式是将监测数据在点面的各方向以时间为横轴生成的频谱曲线。对各监测方向设置预警限值,当监测数据达到限值时便启动报警功能,并且根据不同条件设置不同的报警级别。为了提供给上级专家和领导直观的分析结果,将监测数据生成日常报表。报表可设置周期一天、一周或一月。

7.3.1单点变形分析

数据分析最要是通过GPS 监测值的表面位移分析,以及辅助监测手段的深度位移分析。数据分析可以分为实时分析和历史分析,单点分析和面状分析。表面位移分析可以分为X、Y、Z 三个方向,随着时间的延续,各个方向向量值可以生成与时间相关的线性函数。如图**:纵轴表示监测值,横轴表示时间,可以给监测值设置预警限值,并且按照报警级别可以设置不同的限值。

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图7-8 实时表形曲线

为了得到变形在历史某段时间的变形趋势,还可以通过调用数据库的历史存储数据,生成变形曲线。

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图7-9 历史变形曲线

通过对比两段时间的变形特征,还可以统计出两段时间的变形速率,并进行比较,分析变形情况。

7.3.2断面变形分析

对于一个横向的监测点变形统计,可以形成一条断面线,将其生成与时间相关的图形可以看出整个断面随时间的波动情况,并监测出变形最大的部位。

图7-10 表面位移线状分析

结合测斜仪对深度位移的监测,可以在不同深度的点位上测出位移量,在纵向连成一条断面线后,将其生成与时间相关的图形可以看出深度变形的特征。并结合表面位移判断整个滑坡体的变形趋势。

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图7-11 测斜仪测点示意图

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图7-12 测斜仪位移过程线

7.3.3三维模型分析

本功能应用的原理是假定测量初期监测区域为一个平面,经过一段时间后由于各监测点的沉降量不一致,所以监测区域就形成一个不规则的曲面,然后通过动态三维的算法将水平和垂直相结合,通过三维建模统计分析,会得出比较直观的变形特征。同时采用不同的颜色代表不同的下沉量。

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图7-13 三维建模分析

7.3.4对比分析

对比分析主要是同一监测点不同时刻的对比分析,不同监测点同一时刻的对比分析。

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图7-14 对比分析图

7.3.5数理统计分析

数理统计分析是指经过一段时间监测后,通过此分析可分析出超过某个限差的概率,从而分析整个监测区域的稳定情况。

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图7-15 数理统计分析

下接华测GNSS在雅安汉源新县城萝卜岗的变形监测应用方案(2)

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