GPS自动化变形监测系统方案.docx
- 文档编号:9957045
- 上传时间:2023-02-07
- 格式:DOCX
- 页数:42
- 大小:4.65MB
GPS自动化变形监测系统方案.docx
《GPS自动化变形监测系统方案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《GPS自动化变形监测系统方案.docx(42页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
GPS自动化变形监测系统方案
大坝GPS自动化监测系统技术方案
广州南方测绘仪器有限公司
二OO九年十一月
一系统总体设计
本系统采用GPS在大坝建立实时监测网络,利用GPS实时对坝体的工作环境、坝肩、坝基岩体结构状态等各类外部荷载因素作用下的响应进行实时监测,及时掌握坝体大坝岩体的结构状态,应用现代化测试技术、计算机技术、现代网络通讯通信技术对观测数据进行基线解算,通过与原始基线的对比,得到坝体位移检测的准确数据。
1.1监测点布置概况
大坝总共布置有31个变面位移监测点,分8个观测断面平行于主坝的方向分布,断面编号为S1~S8。
如下图所示:
图1.1松涛大坝表面变形监测点平面分布图
监测系统由数据采集、通讯系统、控制中心三个部分组成。
1.2监测系统具体实现
1.2.1基站布置
在主坝两岸基岩选两个连续观测的GPS定位参考站,由稳定电源供电,全天候24小时处于开机观测状态。
1.2.2监测站具体设计
一机多天线系统的使用令GPS监测系统的成本大为降低,其最突出的优点是一个GPS接收机可以带多个GPS天线,通过不同的通道进行GPS原始数据的传输。
但是由于天线的增多,离GPS接收最远的监测点其馈线势必增长,当馈线的长度超过一定长度时信号的衰减会相当严重,考虑到这个因素我们必须对监测点为进行合理的规划,在不影响系统正常运行的情况下最大的降低监测系统的成本。
从总体上来看,松涛大坝监测点按横断面的方式分布,由于点位较多、分布广,不利于仪器统一管理及数据的传输,这里我们将按监测点位的实际位置进行规划,一方面方便于GPS天线电缆、光纤的布设减少施工量,另外可以使系统更简洁,便于管理。
监测点位设计及使用设备情况作描述如下:
(1)第一监测面,第一监测面包括S1-1、S2-1、S3-1,3个监测点。
GPS天线通过强制对中器固定在每个监测点的观测墩顶部,馈线埋地接入一机多天线系统。
在监测点附近安置仪器保护箱,放置一机多天线系统、GPS接收机、电源系统等设备;
(2)第二监测面,第二监测面设置7个监测点为:
S1-2、S2-2、S3-2、S4-1、S5-1、S6-1、S7-1。
GPS天线通过强制对中器固定在每个观测点观测墩顶部,馈线埋地接入一机多天线系统。
在S4-1监测点附近安置仪器保护箱,放置一机多天线系统、GPS接收机、电源系统等设备;
(3)第三监测面布置有8个监测点,分别为:
S1-3、S2-3、S3-3、S4-2、S5-2、S6-2、S7-2、S8-1。
GPS天线通过强制对中器固定在每个观测点观测墩顶部,馈线埋地接入一机多天线系统。
在S5-2监测点附近安置仪器保护箱,放置一机多天线系统、GPS接收机、电源系统等设备;
(4)第四监测面布置有8个监测点,监测点号为:
:
S1-4、S2-4、S3-4、S4-3、S5-3、S6-3、S7-3、S8-2。
在S5-3这个监测点附近安置仪器保护箱,放置一机多天线系统、GPS接收机、电源系统等设备,各监测点的馈线埋地接入仪器保护箱中。
(5)第五监测面布置有5个监测点,监测点号为:
:
S1-5、S2-5、S3-5、S2-6、S3-6。
在这两个监测断面附近安置仪器保护箱,放置一机多天线系统、GPS接收机、电源系统等设备,各监测点的馈线埋地接入仪器保护箱中。
(6)所有监测点中,从GPS天线到一机多天线系统的馈线长度大于100米需安置信号放大器,信号放大器与馈线接口必须做好保护措施,避免接口进水、氧化等因素导致信号衰减或中断等问题。
(7)在主坝上建设数据采集中心,所有监测点GPS原始数据流通过光纤集中传输到数据采集中心。
(8)数据采集系统设备表
序号
设备
型号
数量
备注
1
NETS8基站型GPS接收机
2台
2
NETS3基站型GPS接收机
5台
每个监测面各一台
3
双频GPS天线
33个
每个监测点一个
4
一机多天线系统
5套
SA01、SA02、SA03断面各一套,SA05、SA06、SA07断面各两套。
5
Nport5110串口卡
14块
6
光端机
4台
7
交换机
1台
8
四芯单模光纤
米
按现场情况
9
网线
米
按现场情况
10
仪器保护箱
7个
1.3系统建设要求
(1)、监测系统无人值守,有人照看、自动运行,年运行可靠率95%以上;
(2)、在市电断电情况下,监测系统设备可依靠备用电源连续工作2小时以上。
(3)、GPS硬件设备具有良好的物理性能和工作性能。
(4)、本系统采用光纤通讯,GPS观测数据实时传输到控制中心,解算软件实时处理。
1.4系统目标
(1)、建立主坝GPS自动化变形监测系统,在周围基岩处建立两个基准站,在主坝坝顶、坝坡、坝基等位置布设监测站。
设定日常信道报警系统,用于大坝的日常运营管理;
(2)、通过实时监测主坝的空间位移,确定变形状况、几何线形等,报告大坝在各种环境下的结构变化;评价大坝结构健康与安全状况提供资料;
(3)、报告大坝的实际工作状况,为结构维护提供依据;
(4)、提供高质量的双频GPS测量数据,实时获得毫米级精度的位置数据。
(5)、报告大坝主要构件有否任何损坏或者累积性的损伤并设立报警系统;
(6)、对大坝结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估。
二系统设计依据
GPS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2-1。
名称
编号
批准单位
年份
全球定位系统(GPS)测量规范
GB/T18314
国家测绘局
2001
国家一、二等水准测量规范
GB/T12897
国家测绘局
1991
工程测量规范
GB50026
国家技术监督局
1993
卫星通信中央站通用技术条件
GB/T16952
国家技术监督局
1997
计算机信息系统安全保护等级划分准则
GB17859
国家技术监督局
1999
精密工程测量规范
GB/T15314
国家技术监督局
1994
全球定位系统城市测量技术规程
CJJ73-97
中国建设部
1997
测绘技术设计规定
ZBA75001
国家测绘局
1989
测绘技术总结编写规定
CH1001-91
国家测绘局
1991
测绘产品检查验收规定
CH1002
国家测绘局
1995
测绘产品质量评定标准
CH1003
国家测绘局
1995
全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程
CH8016
国家测绘局
1995
电子设备雷击保护导则
GB7450
国家技术监督局
1987
通信用电源设备通用试验方法
GB/T16821
国家技术监督局
1997
计算机软件产品开发编写指南
GB8567
国家技术监督局
1988
信息处理-数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定
GB1526
国家技术监督局
1989
信息处理系统计算机系统配置图符号及约定
GB/T14085
国家技术监督局
1993
计算机软件质量保证计划规范
GB/T12504
国家技术监督局
1990
计算机软件配置管理计划规范
GB/T12505
国家技术监督局
1990
法国国家雷标准
NFC17-102
法国LCIE
中国地壳形变监测网络基准站建立规范
地震局、测绘局
2000
中华人民共和国公共安全行业标准
GA173
国家技术监督局
1998
混凝土结构设计规范
GBJ10
国家建设部
1989
表2-1
三基准站设计
3.1基准站的选址
基准站的选址要考虑两方面的因素,第一要满足GPS观测所必须的条件;另外,要利于基准站的施工及日后的维护。
根据大坝周围环境基准站选址设计如下:
1、基站选在主坝两岸的山坡上,基准站基础开挖到基岩浇筑。
2、基站应有10°以上的地平高度角卫星通视条件;
3、远离电磁干扰区(微波站、无线电发射台、高压线穿越地带等)和雷击区,其距离不小于200m;
4、避开主坝主干道、人流较多的通道等易产生振动的地点;
5、基准站应避开地质构造不稳定区域:
断层破碎带,易于发生滑坡、沉陷等局部变形的地点,易受水淹或地下水位变化较大的地点;
7、具有稳定、安全可靠的交流电电源;
8、选点位置尽量靠近坝体,利于与监测点以“短基线”进行解算。
3.2基站的建设
3.2.1功能实现
1、建立2个连续运行基准站。
2、基准站属于基岩型基准站,主机采用南方NETS8基站型GPS主机,利于设备安装及GPS接收机的保护。
天线通过强制对中器固定在观测墩顶部,GPS接收机安置在简易房中。
3、基准站采集的GPS数据既可以通过光纤网络传输到服务器的硬盘上保存,也可以同时在GPS接收机中进行备份,增加数据的安全性。
4、在断电的情况下,可以依靠UPS继续工作12个小时以上。
5、系统控制中心可以通过光纤网络系统远程方式,设定、控制、监测基准站的运行。
3.2.2基站设备
1、NETS8
1.采用嵌入式系统平台,选用32位ARM处理器AT91RM9200,主频可上到180MHz,工业级低功耗设计,抗干扰能力稳定性很强,满足CORS系统长时间无人值守稳定运行的要求。
2.主机配备3个RS232数据端口、1个气象仪接口、1个外部时钟接口,可连接高精度原子钟、气象仪、气压仪、倾斜仪等多种传感器设备,适用于不同行业对于多功能CORS系统的需求。
3.内置4GB的高性能工业级SD数据存储卡,支持1G到16G任意容量大小的工业级SD数据存储卡,可储存5秒采样率12个月以上的原始观测数据。
数据以文件方式存储,可供本机复制下载或远程下载;并有循环存储功能。
同时用户可以通过本地主机或服务器远程设置是否启用SD卡存储静态数据。
4.用户可通过网络、串口、蓝牙以及液晶面板按钮等任意方式对系统参数进行配置。
用户通过网络可以远程登录到NETS8主机,查看主机的运行状态,下载观测数据,支持远程的重启、格式化SD卡、升级和注册等。
方便用户远程对系统对进行维护操作,减少用户的维护成本。
5.基站主机具备自动复位功能,在主机掉电恢复后会自动按原设置继续工作,而无须人工干预;主机具备长期、稳定的连续工作能力,即长期、连续跟踪卫星信号并记录数据的能力。
技术指标:
GNSS特性
72通道
GPSL1C/A码,L2C,L1/L2/1L5
GLONASSL1C/A和P码,L2P码,L1/L2
先进的多路径干扰抑制技术:
采用PAC和Vision相关技术,能够有效消除来自天线附近或强多路径干扰环境下的多路径干扰信号,具有高精度、高可靠性和高数据采样率的特点。
定位精度
静态
平面3mm+1ppm
高程5mm+1ppm
数据存储
内存:
4GB,可记录12个月的原始观测数据(卫星数据记录为5秒一个历元),支持16G大容量工业级SD数据存储卡
数据更新率:
最高达20Hz
电气性能
电压:
DC输入12~15V带过压保护
功耗:
3.0W
接口
1个RJ45端口(10M/100M),支持TCP/IP、HTTP、NTRIP协议
3个RS232数据端口,支持进行本地RTCA/RTCM/CMR改正传输
1个气象仪接口,支持气象仪、气压仪、倾斜仪
1个外部时钟接口,支持连接高精度原子钟
物理指标
尺寸:
20.2cm长×16.3cm宽×7.5cm高
重量:
1.4kg
防震:
坚固铝合金外壳加塑胶圈,抗1米自然跌落
防水:
用水冲洗无任何伤害
防尘:
完全防止粉尘进入
等级:
IP67
工作环境:
工作温度:
-30度至70度
工作湿度:
相对湿度,10%~95%(非凝结)
2、扼流圈天线
南方CR-3型大地型扼流圈天线支持精确度为毫米,能够有效抑制多路径效应的影响,结合不妥协的稳定的相位中心(小于0.8MM)且可以抑制射频干扰。
天线建于大地测绘研究标准的基础上,采用铝材质的扼流圈和一个Dome#Margolin偶极元件,低噪音、低消耗,还拥有同步频率选择功能。
工作频率:
1227MHZ±10MHZ、1575MHZ±10MHZ
阻抗:
50Ω
驻波比:
≤1.5:
1
增益:
38dB±3dB
噪声:
≤1.5dB
极化方式:
右旋圆极化
工作电压:
3~12VDC,工作电流:
≤40mA
连接器:
TNC
重量:
≤5.2kg
工作温度:
-45℃~+65℃,储存温度:
-55℃~+85℃
尺寸:
直径30cm,高10cm,低部直径12cm,底高3.5cm
天线高:
L1=11.01cm,L2=12.94cm
3、串口联网服务器
GPS接收接输出的GPS原始数据格式为RS232,通过串口联网设备转为RJ45转发到光缆的光电转换器中。
LAN
以太网10/100Mbps,RJ45
保护内建1.5kv电磁隔离
串口界面
界面RS232
串口数1
信号TxDRxDRTSCTSDTRDSRDCDGND
串口保护15kv电源隔离
电源9-30v
输出165MA@12v,95MA24V
3.2.3基准站结构
基准站以混凝土现场浇筑,观测墩顶部安装强制对中装置,观测墩尺寸见表3-1。
部位
尺寸
观测墩台体
上底
0.4×0.4
下底
0.60×0.60
高
1.5
平台
1.60×1.60×0.2
基础挖深
按地质情况开挖到基岩
表3-1
(1)、基准站观测墩应该开挖到基岩上或钻孔桩。
(2)、GPS观测墩采用钢管或者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要求执行。
(3)、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。
(4)、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。
(5)、待基座混凝土凝固硬实(常温下约12h)后,在基座中心逐层垂直安置观测墩柱石模型板,浇灌混凝土并充分捣固,
(6)、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。
基站建完后设备结构示意图如图3-1所示。
图3.1基准站结构示意图
3.2.4基准站防电涌防护
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,半导体厚度的变薄,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。
雷电是导致电涌最主要的原因,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。
另外,大型电机设备、电梯、发电机、空调、制冷设备等也会引发电涌。
UPS也可被电涌摧毁。
建筑物顶部的避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地,避免建筑物的燃烧和爆炸。
UPS不间断电源可处理电压的严重下降。
二者非常有用,但都不能保护计算机免受电涌的破坏,而且UPS本身集中很多微处理器,也可被电涌摧毁。
由于基准站主要设备架设于露天制高点,雷电和电涌防护可以分为电力线、通信线、射频线、露天设备防护等几方面,采用不同的避雷器件完成,有关器件的技术规格与设计施工。
采取的具体措施如下:
电力线进入UPS之前,加装电力线电涌防护设备,隔离UPS和电力线。
设备选型为四川中光高科公司的ZGSD60电力线保护器(器件外型参见图3.2)。
GPS天线进入主机前,加装电涌防护设备,设备选型为四川中光高科公司的产品。
(器件外型参见图3.3)。
图3.2电力线电涌防护设备图3.3射频线避雷装置
3.3基站数据传输
设备连接:
1、GPS接收机与Nport5110串口卡连接,把RS232数据传承RJ45形成网络链路。
连接的时候需要注意的是要将串口线两头六角隔离螺丝拧紧,防止在使用的过程中脱落导致数据中断;
2、Nport5110串口卡通过网线将数据转发到IMC光电转换器,构建局域网;
3、各串口接口采用光隔离器MOXATCC-82进行保护;
4、Nport5110串口联网服务器与IMC光电转换器采用RJ45防雷插件进行保护。
基站数据传输网络设计示意图:
图3.4基站数据传输网络
3.4基站防雷设备安装
一般来说,基站的位置是比较空旷的,基准站要做好避雷措施。
避雷针的安装:
1、采用避雷针的方法防御直击雷,以GPS监测站的水泥柱原有的主钢筋做引下线将雷电流分流,减少设备被雷电磁场损坏的概率。
2、避雷针采用长度为1m,采用三角架固定与水泥柱旁,使避雷针的法兰盘与其设备相距50cm,三脚架,为直角边为50cm的等边直角三角形,将其一直角边固定于水泥柱,将另一直角边上固定避雷针,同时,将三脚架于水泥柱的钢筋焊接,以此作为引下线。
防雷针的安装应满足以下要求:
(1)避雷针接引下线防雷地网对地地阻必须小于10Ω,对于不满足要求的要进行地网改造直至满足要求。
(2)避雷针要采用提前放电式避雷针,避雷针的引线要采用双接点与引下线主筋焊接,焊接点要做好防锈措施。
(3)避雷针的高度和安放位置要符合相关防雷规范的规定。
四监测站设计
4.1监测站建设
4.1.1功能实现
1、监测站无人值守、自动运行。
2、监测站主机采用分体式的GPS接收机,利于设备安装及GPS接收机的保护。
天线通过强制对中器固定在观测墩顶部。
可以利用大坝现有的观测墩,通过混凝土二次浇筑把强制对中装置固定在观测墩顶部。
3、监测站采集的GPS数据既可以通过光纤网络传输到服务器的硬盘上保存,也可以同时在GPS接收机中进行备份,增加数据的安全性。
4、系统控制中心可以通过光纤网络系统远程方式,设定、控制、监测监测站的运行。
4.1.2监测站设备
1、Net-S3
尺寸:
20cm×11cm×4cm
重量:
0.8kg
电压:
外接直流电,宽输入范围12~15V
内置锂电池:
2*3600MA
主机功耗:
3.0W
防震:
坚固铝合金外壳加塑胶圈,抗1米自然跌落
防水:
用水冲洗无任何伤害
防尘:
完全防止粉尘进入
等级:
IP67
接口:
一个电源接口,两个RS232接口,一个10/100M以太网接口,一个ANT接口,支持网络远程控制
2、扼流圈天线
南方CR-3型大地型扼流圈天线支持精确度为毫米,能够有效抑制多路径效应的影响,结合不妥协的稳定的相位中心(小于0.8MM)且可以抑制射频干扰。
天线建于大地测绘研究标准的基础上,采用铝材质的扼流圈和一个Dome#Margolin偶极元件,低噪音、低消耗,还拥有同步频率选择功能。
工作频率:
1227MHZ±10MHZ、1575MHZ±10MHZ
阻抗:
50Ω
驻波比:
≤1.5:
1
增益:
38dB±3dB
噪声:
≤1.5dB
极化方式:
右旋圆极化
工作电压:
3~12VDC,工作电流:
≤40mA
连接器:
TNC
重量:
≤5.2kg
工作温度:
-45℃~+65℃,储存温度:
-55℃~+85℃
尺寸:
直径30cm,高10cm,低部直径12cm,底高3.5cm
天线高:
L1=11.01cm,L2=12.94cm
3、串口联网服务器
GPS接收接输出的GPS原始数据格式为RS232,通过串口联网设备转为RJ45转发到光电转换器中。
LAN
以太网10/100Mbps,RJ45
保护内建1.5kv电磁隔离
串口界面
界面RS232
串口数1
信号TxDRxDRTSCTSDTRDSRDCDGND
串口保护15kv电源隔离
电源9-30v
输出165MA@12v,95MA24V
4.1.3监测站结构
观测墩:
用于支撑GPS观测天线。
观测墩柱体内预埋PVC管道,用于铺设天线电缆(现有观测墩没有预埋PVC管外露)。
仪器墩外部进行保温和防风处理,顶部安装强制对中装置。
观测墩结构图见图4.1。
图4.1
如馈线长度超过100米需安装信号放大器,GPS主机及其附属设备安装在仪器保护箱内。
当GPS天线电缆引入仪器保护箱时,需在跨中箱梁壁上钻孔,孔径大小为20mm。
电缆安装后充填空隙。
GPS接收机通过光纤接入到就近的光纤接入交换机。
4.1.4电涌防护
监测站电涌保护与基准站设计相同。
4.2电缆的铺设
监测站电缆需套PVC管(管直径至少为5cm)或者挖沟埋设到达数据采集中心,电缆的铺设需注意以下几点:
a、全部电缆必须穿PVC管。
b、监测点电缆沿走线槽布设,间隔3米有一个捆扎。
c、不允许有小于90°扭折,防止电缆损坏。
4.3监测单元数据传输
监测站除了天线固定在观测墩顶部,其余设备均安置在仪器保护箱中。
一方面起到保护仪器的作用,同时也简化了中间设备连接过程,试系统更加简洁,数据传输更稳定。
设备的连接与基准站相同,可根据监测站站数采用合适设备类型。
五数据采集中心设计
5.1数据采集中心选址
在主坝上建立数据采集中心。
数据采集中心是整个系统监测数据的心脏,是GPS监测数据从前端采集发送到控制中心的重要关节,数据采集中心的建设需要考虑以下问题:
a数据采集中心宜在基准站和监测站断面中心位置
b交通方便、利于供电及维护
c尽量选开阔、平敞的场地
d利于天线电缆及光纤的铺设
e避开雷击区
5.2数据采集中心布置及装修
a.满足技术系统的功能要求
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。
b.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。
数据采集中心房内应有良好的通风、温度、采光、空间、等环境。
c.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。
5.3数据采集中心网络设计
数据采集中心是连接前端GPS接收机与控制中心的大动脉,它的性能直接影响整个系统的运行与可靠性。
网络设计如下图5.1:
图5.1
数据采集中心采用设备如下表
序号
设备
型号
备注
1
GPS接收机
2
IMC光电转换器
MOXA101-S-SC
3
串口联网设备
Nport5110
4
光端机
GPX399-Z
5
UPS
Santakc10ks
6
机柜
80cm*60cm*160cm
表5-1数据采集中心设备配置
5.4防护设计
数据采集中心网络须考虑电涌防护,对数据采集中心的防护设计如下:
a.电力线防护设备、数据线防护设备与基准站的防护设计相同;
b.各网线的接插口采用防雷插件RJ45保护器;
c.网络安全
1)整个网络须配置内部IP地址。
各串口联网设备设置密码保护
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- GPS 自动化 变形 监测 系统 方案