基于GPS多天線技術的遠程自動化高邊坡監測系統

　　對于自然或人工邊坡的形變監測，通常有常規監測和GPS監測兩種方法。常規監測方法是使用經緯儀、測距儀或全站儀等儀器，采用前方交會、邊角網、極坐標差分等方法獲取監測點觀測數據，并通過相應的數據處理方法獲得監測點的位移量。常規監測方法的優點是觀測數據直觀可靠，短距離獲得的精度高、投資少；但缺點是受通視條件、氣象條件以及施工干擾的影響，在進行長距離監測時精度較差并且很難提高。由于高壩修筑在山區峽谷地帶，范圍大，氣候復雜多變，每到雨季更有濕度大、霧氣大的特點，使得常規的監測方法在雨季這樣監測的重要時期不具備時效性。

　　GPS作為一種高新技術，在我國水電工程建設中已獲得了一些應用，但在大壩、邊坡安全監測中的應用卻是個十分薄弱的環節_l J。影響GPS技術廣泛應用于安全監測系統的最大障礙是費用昂貴、自動化程度不高。由于監測點和基準站上都需要安置接收機，當在大壩、邊坡這樣大范圍區域實施監測時，需要布設的測點很多，投入成本很大，若采用分批觀測方法又需要較長周期，因此極大地制約了GPS在該領域的發展。

　　針對GPS在安全監測中存在的問題，筆者提出了GPS一機多天線思想，并研制開發了GPS一機多天線控制器，使一臺GPS接收機能互不干擾地連接多個天線。在這種體系下，每個監測點上只安裝GPS天線，而不需安裝接收機。從而極大地降低了安全監測系統的造價 J。該項技術開發為大壩、高邊坡利用GPS進行安全監測創造了極為良好的條件，也使GPS技術在水利水電工程中擁有了更為廣闊的應用前景。此外，基于GPS一機多天線控制器也為高邊坡自動化連續遙測創造了有利條件。

　　本文結合云南小灣水電站2號山梁堆積體的安全監測系統，詳細介紹GPS多天線技術、遠程自動化形變監測技術和GPS數據處理新方法。

　　1 系統簡介

　　邊坡安全監測系統由數據采集、數據通訊、計算機網絡、應用軟件、趨勢分析及預警5個子系統組成，見圖1。

圖1 系統組成

　　原始監測數據采集部分主要負責各監測點GPS數據的接收和存儲，其核心部分是一機多天線控制器，由硬件和軟件控制兩大部分構成。硬件部分包括多通道微波開關及相應的控制電路、一臺GPS接收機及相應的處理芯片_4]。軟件部分實現控制多通道工作方式并可設置測點的觀測時間、與GPS接收機通訊和數據發送等功能，通過采用實時控制技術，使接收機能夠互不干擾地接收若干個GPS天線傳輸來的信號。系統基于工業控制中常用的嵌入式系統PC一104架構，從而更為有效地控制系統運行以及監控數據的存儲與傳輸。

　　數據無線傳輸主要負責將采集到的原始監測數據通過無線網絡傳輸到控制中心，主要利用GPRS技術實現。

　　計算機網絡子系統以監控中心為核心建立一管理局域網。局域網內設中心服務器、數據接收工作站、數據處理工作站以及成果顯示工作站。中心服務器具備文件服務器、數據庫服務器等多種功能，在局域網內可以實現辦公自動化和信息共享。邊坡上實時采集監測數據發送至數據接收工作站，工作站根據數據標識將數據整理歸類后發送到中心服務器入庫備份。數據處理工作站通過相應的應用軟件對接收到的監測數據進行解算分析。

　　應用軟件子系統包含了監測數據解算、分析、理為一體的高邊坡安全監測專用軟件，可實現資料錄入、計算分析、查詢、統計、圖形繪制、報表打印等功能。軟件界面友好，功能強大，使用方便。資料錄入實現數據自動更新，并將數據按處理時段合并整理后通過網絡發送到中心服務器進行備份；GPS數據解算軟件通過獲得監澳4點的三維坐標，并將解算數據納入數據庫，通過相應的算法分析擬合作出預報；功能強大的報表生成器和圖形繪制軟件生成各種報表和過程線、統計曲線。

　　預警子系統根據邊坡監測成果，建立預警機制，以便及時為決策部門提供信息，使決策部門能迅速作出反應，避免造成不必要的損失。

　　2 小灣水電站高邊坡形變監測實驗與分析

　　小灣水電站樞紐區地理坐標為東經100"06 27”，北緯24。42 15”，左岸為云南省大理卅l南澗縣，右岸為云南省臨滄地區鳳慶縣。兩岸植被覆蓋稀疏，主要以灌木、荒草為主。工程樞紐區河段長約2300m，正常蓄水位1 240 m時河谷寬720—800 m。河谷呈“V”字形，兩岸山坡陡峻，在高程1 600m以下，兩岸平均
坡度40。～42。，部分地段為懸崖絕壁。

　　本次監測的高邊坡為小灣水電站壩體左壩肩所在地——2號山梁。2號山梁飲水溝堆積體分布在左岸壩前飲水溝下游側山坡地段，其坡面平均坡度32。～35。，前緣高程為1 130m，后緣高程為1590m。堆積體平均鉛直厚度約33—36 m，最大厚度6O．63 m，長度約700m，平均寬190m，總體積為400萬m3。堆積層組成物質主要為塊石層，在自然狀態下是穩定的，但由于堆積體靠近左壩肩，壩肩開挖時必然觸及堆積體前緣，可能引發堆積體失穩，雖然對堆積體實施了降坡、支護等工程措施，但所形成的340 m的高邊坡的穩定是影響工程N,N進行的重要因素。另外，在壩肩左右岸上下游附近形成的高邊坡坡度陡、高差大，也是監測的重點對象。

　　2．1 測點概述

　　針對2號山梁地質特點，邊坡監測點選在2號山梁堆積體主滑移斷面和滑移體邊緣相鄰山體上，高程范圍為1 245—1 580 m。在1 380 m高程以上選取4個斷面，共有16個監測點；在1 245～1 380 m之間選取3個斷面，共有8個監測點。整個堆積體的GPS監測點數為24個。每8個監測點為一組，連接到一個控制器，共有3組。GPS監測點一般采用原外觀點，為使GPS監測與常規監測相校核，在每組的2個原外觀點旁埋設一個新點，作為GPS監測點。3個數據采集站布置在邊坡上，從上到下依此為l一3號，為減少電纜傳輸距離，提高數據傳輸可靠性，采集站應布置在一組監測點的中間。每個采集站配置有一臺雙頻GPS接收機、一臺多天線控制器、一臺工控PC機、一臺GPRS通訊設備、UPS電源和蓄電池等。為使系統投入運行后，做到無人值守的安全、自動的工作模式，將接收到的監測數據以無線傳輸的方式發送到距離現場較遠、較為安全的控制中心，選用了移動公司提供的GPRS業務。使用嵌入式系統PC一104與接收機和GPRS無線傳輸終端相連接，利用PC一104上的兩個RS一232串口，以中斷方式控制數據同時互不干擾的收發，并利用控制軟件設置發送數據的時間間隔，這樣就可以根據現場條件，合理安排監測密度，以便及時向有關部門提交監測成果，做好相應的處理。

　　2．2 監測成果

　　2004年6月進行儀器設備安裝調試，并進行首期觀測。觀測方案采取10min切換一個通道，每天定時在6時和18時兩次計算成果，并將計算結果分析預報后提交有關單位。圖2給出了本系統監測點C2A一¨I—rrP一36在2004年7～8月的監測成果，并將該點結果與相應的GPS 監測校核點進行對比。通過常規監測得到的數據成果和采用基于一機多天線控制器系統比較來看，形變趨勢相當，基本反映了該測區的形變量，可以作為邊坡監測的一種有效的手段。

圖2 測點水平位移

　　2．3 測點趨勢預報

　　針對監測系統要求的實時性和可預報性，需要根據一定時期內的監測數據，建立起適當的數學模型對未來的形變趨勢加以預報，以便使有關部門通過氣候條件、施工進展和以往數據綜合考慮，提前作出判斷，從而對邊坡進行及時有效的處理，排除事故隱患。為此，將累積下來的監測成果用二次曲線加以擬合，即：

　　Y= CO +cl +b (1)

　　式中：c。，C，，b為常數，通過最小二乘算法解算。為了衡量預測數據的可靠性，需要引入Rz進行檢驗 ：

　　式中 為由公式計算得到的測點擬合值。當趨勢線的R 等于或接近1時其可靠性最高。形變預報只有當進行R：檢驗，在具有足夠可靠性的基礎上才有意義。另外由于預報是一種外推過程，因此隨著外推時間的增長，預報精度降低，所以應隨著觀測量的增長，不斷更新預報方程的參數。

　　表1為利用小灣水電站2號山梁所采集的一個月監測數據，采用式(1)擬合監測點的形變趨勢得到的實測值與預報值，通過計算檢驗得到R =0．953，說明該擬合線趨勢較能反映真實情況，可以用來預報觀測值。針對每天形變監測值、趨勢分析及預報值并結合內觀監測信息的綜合分析，判斷是否啟動預警子系統。

　　3 結 語

　　通過系統的實測數據分析結果可以看出，基于GPS 一機多天線技術的遠程高邊坡監測與常規測量在平面上精度相當，比較適合小灣水電站高邊坡監測的需要。GPS一機多天線遠程高邊坡監測系統既克服了常規方法在困難地區難以進行有效監測的缺點，又能充分發揮GPS 監測速度快、精度高的優勢，同時采用一機多天線技術、GPRS等技術還可達到省　　經費、省時、安全以及高質量的效果。