大坝安全监测及信息化解决方案
广州创科工程质量检测
1.监测指标
坝体表面变形包括水平位移和垂直位移，水平位移精度要求满足±3mm，垂直位移精度要求满足±5mm。
接收机主要工作模式为静态观测模式，即以时段解的形式提供变形监测成果，应用于日常大坝定期变形观测应用场景；接收机次要工作模式为快速静态，当库区出现水位快速上涨等情况，需加密监测频次进行全天候24小时监测，接收机可切换成快速静态的形式，提供紧急状态下的高频次动态观测值。表面位移点均可以和当地的坐标系进行联测，所有监测点的坐标均可转换为当地坐标。
2.技术原理
2.1.基本原理
在GNSS定位中，把高速运动的卫星作为已知位置的空间点，其位置可由卫星星历查询得知，用户通过专用GNSS接收机捕获卫星信号并跟踪，从而计算出卫星与用户的距离，然后利用空间距离后方交会的方法确定接收机的位置，理论上，已知三颗卫星S1、S2、S3的空间位置以及GNSS接收机到卫星S1、S2、S3的距离d1、d2、d3，即可推算GNSS接收机于以S1、S2、S3为球心，距离d1、d2、d3为半径的圆球交会点上，实现定位。
实际上，距离长度的测量是通过测量电磁波从卫星传输到GNSS接收机的传播时间间接获得的。卫星采用的是原子钟，而GNSS接收机采用的是石英钟，两者稳定性存在较大差异，导致GNSS卫星时钟与接收机时钟难以做到严格同步，因此GPS 标准时间与接收机时间之间的偏差是未知的。在定位过程中需额外引入一个钟差变量，因此GNSS定位必须通过观测至少4颗卫星才能得出用户位置。GNSS定位原理如下图所示。
GNSS技术利用测距码和载波实现测距，对应观测值为伪距观测值和载波相位观测值。伪距观测值由卫星信号的接收时间与发射时间之间的差值与光速相乘而得。称之为“伪距”，是因为受卫星时钟、接收机时钟钟差影响，以及信号经过电离层、对流层会发生延迟，使得测得的卫星与用户的距离并非它们之间真正的几何距离。
2.2.相对定位
GNSS测量不可避免地还会受到观测误差地影响，从而影响定位精度。
在大坝表面变形监测应用中，一般采用载波相位相对定位的原理，通过误差消除手段，实现毫米级的定位。这种监测方法是将两台GNSS接收机分别安置在待测基线两端，分别作为基准站和监测站同步观测相同的卫星，通过两站点同步观测采集GNSS卫星原始观测数据，经过数据处理以确定基线两端点的相对位置或三位空间向量。
在相对定位中，两个或多个观测站同步观测同组卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟、对流层延迟等误差，对观测量的影响具有一定的相关性，利用这些相关性，将观测量进行不同的线性组合，按照测站、卫星、历元三种要素进行差分处理，可以大大削弱有关误差的影响，从而将相对定位精度提高到毫米级。
在大坝变形监测中，基准站和监测站的距离一般不超过1km，通过差分手段能消除绝大部分观测误差。影响大坝变形监测观测精度的主要误差源为：接收机内部噪声、接收机天线相位中心误差、多路径效应和残余的电离层延迟、对流层延迟。通过采用数据处理方法，能消除误差影响，获取高精度变形监测成果。
3.方案架构
GNSS自动监测系统可实现大坝的水平和竖直位移毫米级精度的自动化监测，采用市面上专门针对水库大坝安全监测研制的GNSS监测设备搭建水利设施监测专用的GNSS自动监测系统，可有效解决水利设施表面位移监测成本高、周期长、难以普及等问题。GNSS自动化监测系统主要包括辅助层、感知层、传输层、数据层和应用层几个方面的内容，具体系统架构图如下所示：
1、辅助层：包括太阳能供电系统、市电供电系统、风电供电系统以及风光互补供电系统等几种稳定的电力辅助支撑设施，主要为GNSS接收机提供电力供应。
2、感知层：感知层主要包括GNSS基准站和监测站，由GNSS接收机、GNSS天线、观测墩、避雷设施等组成，GNSS基准站主要提供变形基准，安装在稳固的基岩上，监测站主要用来监测坝体的形变，部署在坝体上，GNSS监测站与基准站可通过向后台传输原始数据进行后端解算得到变形结果，也可由监测站直接通过LoRa/WIFI无线组网或光纤/RS485有线组网调用基准站观测数据实现本机前端解算获得变形结果。
3、传输层：根据水库大坝监测现场情况，可以选择4G、5G、LoRa组网、WIFI组网、光纤、北斗短报文、卫星通信等方式进行北斗监测数据的传输，其中4G、5G、光纤、卫星通信可用于将GNSS原始数据传输至后台进行后端解算，LoRa、WIFI组网、光纤、RS485可用于构建前端解算的局域网络。
4、数据层：主要由工作站、计算机局域网及相关的服务器、数据库、防火墙、数据通信设备及运行在服务器的GNSS监测解算软件、设备远程管控平台等组成。对前端GNSS接收机回传的设备状态数据、前端解算回传的解算结果进行处理解析、入库、存储，对GNSS原始数据进行后台解算处理等操作，可供运维人员提供设备的远程运维管理，是整个系统的数据中心，承载着承前启后的作用。
5、应用层：采用专用的自动化监测系统平台/APP进行设备运行监控、监测数据管理、监测状况可视化呈现、监测预警告警、多参数安全模型分析等、监测月度/季度/年度报告导出等，同时利用短信、微信预警信息推动、现场声光报警来实现水库大坝安全的预警预报。
4.网络拓扑
4.1.无线局域组网＋本机前端解算
现场采用无线AP网络覆盖方式进行无线LoRa/WIFI局域组网，区域范围内所有的北斗/GNSS监测站和基准站以客户端的方式接入无线AP/LoRa网关形成局域网。
1）GNSS数据解算流程
监测站每完成一个时段的观测后立即通过局域网向基准站申请调用基准站同时段原始观测数据，监测站完成接收基准站的同时段原始观测数据后，利用嵌入式本机前端静态解算引擎进行基线解算和不同时刻坝体坐标数据的对比，测得坝体的水平位移和垂直位移。适用于坝轴线较短且布点比较集中的情况（如<200m）。
2）GNSS解算结果传输流程
现场通过局域组网和前端解算获得的水平和垂直变形数据由监测站自动汇集到无线AP，由无线AP统一通过通信线缆传送至RTU。由RTU通过移动公网、卫星信道（北斗短报文）、有线通信等通信方式传送至数据中心（小型水库监测预警平台）。
3）其他传感器兼容接入
现场的水位、雨量、图像、渗压计、量水堰计等传感器，可就近通过RS485、LORa等通讯方式将数据汇聚到GNSS接收机后通过WIFI局域网统一汇聚到RTU，由RTU通过移动公网、卫星信道（北斗短报文）、有线通信等通信方式，实时传输到小型水库监测预警平台。
4.2.移动公网通讯＋本机前端解算
区域范围内所有的北斗/GNSS监测站和基准站通过移动公网接入数据中心。
4）GNSS数据解算流程
基准站每完成一个时段的观测后立即通过移动公网将原始观测数据传送至数据中心，监测站随后通过移动公网向数据中心（服务器）申请调用基准站回传的同时段原始观测数据，监测站完成接收基准站的同步原始观测数据后，利用嵌入式本机前端静态解算引擎进行基线解算和不同时刻坝体坐标数据的对比，测得坝体的水平位移和垂直位移，适用于具备移动公网覆盖的水库大坝。
5）GNSS解算结果传输流程
通过监测站前端解算获得的水平和垂直变形数据由监测站通过RS485线缆或LoRa通讯终端自动汇集到RTU，由RTU通过移动公网、卫星信道（北斗短报文）、有线通信等通信方式传送至数据中心（小型水库监测预警平台）。
6）其他传感器兼容接入
现场的水位、雨量、图像、渗压计、量水堰计等传感器，可就近通过RS485、LORa等通讯方式将数据汇聚到GNSS接收机后统一汇聚到RTU，由RTU通过移动公网、卫星信道（北斗短报文）、有线通信等通信方式，实时传输到小型水库监测预警平台。
5.站点布设
5.1.点位布设
监测断面及监测点的布设参考《土石坝安全监测技术规范》（SL 551）、《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601）及《小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行管理办法》的要求。土石坝以表面垂直位移监测为主，且宜在坝顶下游侧设置一个变形监测纵断面。必要时，土石坝可增设1个监测横断面，有条件的水库可结合规范要求多布设几个断面；选择基础稳固的坝端或近坝便于观测区域设置必要的工作基准站和校核基点。
在坝顶下游侧设置一个变形监测纵断面，每个纵断面按20~50米的距离（坝轴线<300m的坝体）布置1套北斗/GNSS监测站，以监测坝体的水平和垂直位移。
在基础稳固的坝端或近坝等便于观测区域设置1-2个北斗/GNSS基准站，以提供变形监测基准。
北斗、雨量计、水位计、渗压计、量水堰计监测点布点图如图3-1所示。
5.2.站点选址
（1）GNSS监测站应布设在大坝变形量较大、稳定性状态差处;基准站应布设在坝肩和坝下游地基稳定处;GNSS监测站应保证搜星条件良好，测点位置空旷，在±15°高度截止角上空不能有成片障碍物，以便接收卫星信号。周围无高压线、变电站等电磁干扰源。
（2）监测点布设应避开以下位置：
a）地势低洼，易于积水淹没之处。
b）埋设有地下管线处。
C）位置隐蔽，信号不佳处。