【正文】 質(zhì)量控制需要的填筑 施工的面板堆石壩 ,采用歐氏全球衛(wèi)星定位技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù) ,結(jié)合碾壓機(jī)械進(jìn)行集成 ,對 GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行了論述。它可以用于 對 通信建設(shè) 的碾壓填工程 進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)督 。 本篇論文討論了 GPS 系統(tǒng)的的組成和應(yīng)用特點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)問題和設(shè)計(jì)方案 ，還分析了 GPS 系統(tǒng)的高精度問題，并且對 GPS 系統(tǒng)的初步應(yīng)用進(jìn)行了研究。 關(guān)鍵詞 ： 全球定位系統(tǒng)；填筑工程；質(zhì)量控制；集成系統(tǒng)；面板堆石壩 介紹 目前 ,管理 填筑施工面板 堆石壩 的質(zhì)量 主要采用 “ 雙重控制 ”的質(zhì)量控制方法， 其中一 種 是手動(dòng) 控制碾壓 參數(shù)，參數(shù) 包括厚度 、 充填層 的 粗糙度 、 和 壓實(shí)機(jī)的滾次和軋實(shí)速度；另一 種是 在該區(qū)域?qū)兹舆M(jìn)行 手動(dòng)測 試。 該方法 對 國內(nèi) 混凝土 堆石壩 的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用 。 然而，隨著混凝土面板堆石壩規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的手工管理機(jī)制不再滿足當(dāng)代機(jī)械化施工和進(jìn)度的需要。 位于中國湖南省清江流域的水布埡混凝土面板石堆大壩，在所有相同類型的大壩中，以 233 米的高度排名世界第一。 該工程總充填量為 107立方米并且一個(gè)月的最多灌裝量 超過 61 05 立方米 ，所以需要更多的量 來控制大壩填筑施工的質(zhì)量 。 為了及時(shí)地監(jiān)督大壩的填筑施工 質(zhì)量，為灌裝工程開發(fā)一個(gè)碾壓方面的工程質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)是非常重要的 ，這個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)化和高精度的特點(diǎn)。監(jiān)督系統(tǒng)對于提高水布埡工程的工程質(zhì)量具有很大的意義。 作為一種 全新的 當(dāng)代空間衛(wèi)星導(dǎo)航和 位置定位系統(tǒng)， GPS 已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域逐漸代替了普通光學(xué)和電子測量儀。自從 20 世紀(jì) 80 年代，特別是在 90 年代以后， GPS 技術(shù)已經(jīng) 結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)引領(lǐng)空間定位技術(shù)進(jìn)行一次革命性的變革。通過 GPS 技術(shù)同時(shí)確定 三維坐標(biāo)的方法已經(jīng) 從 具有 近海 安的陸地 至整個(gè)海洋和外層空間 ,從靜力學(xué)到運(yùn)動(dòng)學(xué) ,從 單點(diǎn)定位到 網(wǎng) 區(qū)分 ,從后處理 到 實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航 改變了傳統(tǒng)技術(shù)，并且由于絕對和相對點(diǎn)位精度已經(jīng)達(dá)到米級、厘米級、亞毫米級， GPS 的應(yīng)用 和影響 領(lǐng)域 已經(jīng)擴(kuò)大到各行各業(yè)。 現(xiàn)代數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、代表 GPS 的 空間定位技術(shù) 的 快速發(fā)展和完善使實(shí)時(shí)連續(xù) 地、 自動(dòng) 地監(jiān)督 高精度 具有 可行性。 根據(jù)在灌裝工程中對于碾壓方面的工程質(zhì)量管理的要求，利用GPS 技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，并結(jié)合碾壓機(jī)， 在 2022 年 ， 武漢大學(xué) 和 清江 水電開發(fā)責(zé)任有限 總公司 共同研發(fā)了一種在灌裝工程中適于 監(jiān)督碾壓方面質(zhì)量問題的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，也就是 填筑施工質(zhì)量 的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)（后來簡稱為 GPS） 。這個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、高精度、連續(xù)性、自動(dòng)化等綜合功能 ，所以能應(yīng)用于對大壩、公路、保護(hù)堤、飛機(jī)場等的灌裝壓實(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)督，因而成為一個(gè)確保工程的施工質(zhì)量的行之有效的助手。結(jié)合工程的要求以及此系統(tǒng)的特征 ，本論文主要討論此系統(tǒng)的構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)、 方案設(shè)計(jì)， 分析 GPS 系統(tǒng)的高精度問題，并且對 GPS 系統(tǒng)的初步應(yīng)用進(jìn)行了研究。 1 GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成和特征 構(gòu)成 該系統(tǒng)的硬件裝置 主要包括以下三個(gè)方面： 1)GPS 衛(wèi)星信號的接受 系統(tǒng) 2)無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 3)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 圖 根據(jù)在灌裝和搗打工程的壓實(shí)需要和工程管理對此系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)由監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)中繼站、 現(xiàn)場亞控制站、 GPS 參考站和移動(dòng)終端（包括碾壓機(jī)和交通質(zhì)量監(jiān)控工作）組成，移動(dòng)終端是 對 于地形環(huán)境對無線通信的影響。 圖 1 是灌裝工程中工程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的介紹。如果地形環(huán)境好，并且現(xiàn)場的灌裝工程與系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)不是很遠(yuǎn)，那么 網(wǎng)絡(luò)中繼站可以去掉 。 監(jiān)控中心 監(jiān)控中心是此系統(tǒng)的心臟， 它將 GPS 參考站 的微分?jǐn)?shù)據(jù) 輸入到 GPS 移動(dòng)電臺，同時(shí)， 通過無線 數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)實(shí)時(shí)地接受由移動(dòng)電臺反饋的位置信息。結(jié)合施工的需要，裝備在監(jiān)控中心的電子顯示屏能夠?qū)崟r(shí)地顯示碾壓機(jī)械以及在水壩壓實(shí)平面上的 質(zhì)量監(jiān)管工作車輛的精確移動(dòng)位置和狀態(tài)信息，遠(yuǎn)程監(jiān)視灌裝工程壓實(shí)質(zhì)量的狀態(tài)，并且提供給領(lǐng)導(dǎo)者基本信息以做出決定。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理、分析、儲存等等也在監(jiān)控中心操作。 現(xiàn)場次監(jiān)察站 現(xiàn)場次監(jiān)察站系統(tǒng) 控制中心的延伸，而且為現(xiàn)場的監(jiān)察人員提供了便利。通過訪問監(jiān)控中心的信息，監(jiān)察人員就能夠在監(jiān)察辦公室實(shí)時(shí)掌握工程施工和施工質(zhì)量的現(xiàn)狀。一旦出現(xiàn)質(zhì)量偏差，監(jiān)察人員就能夠應(yīng)對施工 現(xiàn)場的施工人員，提醒工作人員并要求他們整頓。 GPS 參考站 GPS 參考站 為了利用差分 GPS 技術(shù)提高系統(tǒng)的監(jiān)控精度而設(shè)置的。我們在一個(gè)已知點(diǎn)上設(shè)置 GPS 接收機(jī)作為參考站進(jìn)行 GPS 觀測工作，然后 實(shí)時(shí)向 GPS 移動(dòng)電臺 輸出 GPS 觀測數(shù)據(jù) 和參考站的已知位置信息，然后利用載波相位的差分處理方式處理連同移動(dòng)電臺的 GPS 觀測數(shù)據(jù)，最后計(jì)算出移動(dòng)電臺的空間位置信息，而且定位精度可以提高。 以上的方法叫做差分 GPS 技術(shù)。一般來說，為了方便提供支撐力量，管理和維護(hù)， GPS 參考站設(shè)置在監(jiān)控中心。為了確保監(jiān)控精度， 必須強(qiáng)調(diào) 的是 GPS 監(jiān)控站和施工區(qū)域之間的距離要少于 56 千米，并且這個(gè)距離控制要求要在實(shí)踐中滿足。 移動(dòng)終端 移動(dòng)終端包含安裝在工程監(jiān)控車?yán)锖湍雺簷C(jī)里的系統(tǒng)需求裝備。 1)安裝在碾壓機(jī)里德移動(dòng)終端 安裝在碾壓機(jī)里的移動(dòng)終端主要包括集成系統(tǒng)單元， GPS 接收機(jī)天線和無線通信天線。系統(tǒng)單元結(jié)合計(jì)算機(jī)工業(yè)平臺的主要設(shè)備， GPS 接收機(jī)，無線通訊等等。移動(dòng)終端是像 GPS 移動(dòng)站似的移動(dòng)監(jiān)控裝備 進(jìn)行GPS 移動(dòng)觀測。它的控制項(xiàng)目主要包括碾壓機(jī)的軋制軌跡、軋制速度和軋制次數(shù)。移動(dòng)終端會連續(xù)實(shí)時(shí)地向監(jiān)控中心反應(yīng)有效的觀測結(jié)果 。 同時(shí)， 利用在碾壓機(jī)的司機(jī)的系統(tǒng)單元里的數(shù)據(jù)和表， 計(jì)算機(jī)的工作平臺實(shí)時(shí)反應(yīng)了碾壓機(jī)的工作狀態(tài) 。碾壓機(jī)的操作者 要檢核他或她的工作是否滿足顯示屏上的質(zhì)量需求。 2)安裝在工程監(jiān)控車?yán)锏囊苿?dòng)終端 工程監(jiān)控車是工程質(zhì)量監(jiān)控的工作車輛，它是專門配備給工程監(jiān)控人員的。它的主要工作是進(jìn)行 GPS 移動(dòng)觀測工作和監(jiān)控現(xiàn)場質(zhì)量。它的主要觀測項(xiàng)目 是壓實(shí)前后鋪層厚度的變化，支持?jǐn)?shù)據(jù)控制攤鋪機(jī)攤鋪厚度和填充表面的粗糙度，并且計(jì)算壓實(shí)率。監(jiān)控車也向監(jiān)控中心反應(yīng)觀測結(jié)果。另外，根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，它 從點(diǎn)的質(zhì)量管理上進(jìn)行現(xiàn)場施工。安裝在工程 監(jiān)控車?yán)锏囊苿?dòng)終端和安裝在碾壓機(jī)里德移動(dòng)終端是類似的。 系統(tǒng)的主要特征 GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的主要特征如下： 1)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)督。 在真實(shí)意義上， 數(shù)據(jù)通訊 接收雙向的傳動(dòng)裝置。不管它是在監(jiān)控中心，是在現(xiàn)場的監(jiān)控站，還是在移動(dòng)終端，碾壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，以及在一秒的采樣率中的三維位置信息也能實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上的。系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)是連續(xù)的，在間隔一秒的時(shí)間 里的處理結(jié)果能夠足夠滿足系統(tǒng)里的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)連續(xù)性的需要。 2)高度自動(dòng)化。在整個(gè)系統(tǒng)，向移動(dòng)終端輸出參考站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，向監(jiān)控中心反應(yīng)終端的位置信息，在監(jiān)控中心和移 動(dòng)終端 顯示所有碾壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，儲存以及處理數(shù)據(jù)和成果分析。 3)操作容易方便。 制定監(jiān)控中心和網(wǎng)絡(luò)中繼站的制度是為了滿足完全自動(dòng)化以及主要集中在移動(dòng)終端的零件進(jìn)行手動(dòng)操作的需要。操作移動(dòng)終端是非常容易且便利的，包含幾個(gè)簡單必須的步驟如打開或關(guān)閉該單元等等。另外，移動(dòng)終端的設(shè)備是非常簡單的，重量輕、尺寸小并且容易安裝和卸載。 4)精度高。由于 GPS RTK 技術(shù)采用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及設(shè)定在水布埡工程的移動(dòng)終端和 GPS 參考站之間的距離不得超過 3 千米，以致水平精度達(dá)到 177。(1 2)厘米 ，這完全滿足了壓實(shí)工程 平面點(diǎn)位的監(jiān)控精度的需要，并且能夠有效地監(jiān)控碾壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和滾次。關(guān)于高程，只要用給定的方式操作移動(dòng)終端且采用合理的擬合高程模型，系統(tǒng)的精度也能夠達(dá)到 177。(1 2) 厘米 （分析完之后），這樣就能夠滿足壓實(shí)工程的充填層的厚度和粗糙度的需要。 5)許多移動(dòng)終端全天候 24 小時(shí)工作。如果同時(shí)使用 10 個(gè) 移動(dòng)終端，此系統(tǒng)就會有不少于 10Kps 的通訊率，并且能夠支持單點(diǎn)之間、單點(diǎn)對多點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中繼站的應(yīng)用。該系統(tǒng)不受天氣的影響，而且能夠進(jìn)行大壩工程全天候 24 小時(shí)的工作。 2該系統(tǒng)設(shè)計(jì)到得關(guān)鍵問題以及解決方法 1)軋制參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 碾壓機(jī)的參數(shù)主要涉及到移動(dòng)終端中的碾壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和滾次，這些參數(shù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能夠應(yīng)用于控制工程的精度。因此，為了確保實(shí)時(shí)反應(yīng) 點(diǎn)位數(shù)據(jù)，無通訊數(shù)據(jù)連接需要實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對多點(diǎn)的功能以及雙向高通信率。解決此問題的最佳設(shè)計(jì) 是選擇收音機(jī)模型或者 GSM 手機(jī)?？紤]到經(jīng)濟(jì)性以及可行性，此系統(tǒng)采用 無線頻率增廣通信技術(shù) 達(dá)到實(shí)時(shí)地向每個(gè)移動(dòng)終端站傳輸參考站的差分 GPS數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地向監(jiān)控中心反應(yīng)每個(gè)移動(dòng)終端的三維位置信息并在間隔一秒的時(shí)間支持點(diǎn)位的信息。用這種方式，不僅每個(gè)碾壓機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地將 自身 的壓實(shí)狀態(tài)展示在顯示屏上，而且監(jiān)控中心以及現(xiàn)場的第二監(jiān)控站也能實(shí)時(shí)地監(jiān)控每個(gè)移動(dòng)終端的工作狀態(tài)。 2)觀測數(shù)據(jù)的精度。一般 GPS RTK 的精度是厘米級，考慮到水布埡工程的移動(dòng)終端和 GPS 參考站之間的距離不超過 3 千米，它的平面精度完全滿足碾壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和滾次的計(jì)算精度的需要。為了確保填充層地厚度以及粗糙度的高程精度，除了選擇高性能以及抗干擾雙頻 GPS 接收機(jī)，采用 合理的方法獲取填充之前、填充之后以及壓實(shí)之后的高程數(shù)據(jù)和合理的高程模型，這樣可以提高高程精度。通過分析，高程精度能夠達(dá)到 177。(1 2) 厘米 ，這就可以滿足填充層的厚度和粗糙度的控制需要。 3)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因?yàn)楫?dāng)代面板石堆大壩的灌實(shí)施工 進(jìn)行 24 小時(shí)全天候無破裂工作，而且許多碾壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行，這就需要此系統(tǒng)的監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)中繼站和各個(gè)移動(dòng)終端站長時(shí)間穩(wěn)定工作。由于監(jiān)控中心和網(wǎng)絡(luò)中繼站的穩(wěn)定裝備 ，如果有工作電源的確切提供，沒有手工破壞和不正確的操作，在正常的條件下運(yùn)行沒有問題。但是在碾壓機(jī)的移動(dòng)終端設(shè)備不僅遭受滾轉(zhuǎn)機(jī)的震動(dòng)效應(yīng)，而且司機(jī)工作倦怠時(shí)的不正確操作，因此， 移動(dòng)終端 的 集成系統(tǒng)單 元 的穩(wěn)定性設(shè)計(jì) 成了一個(gè)關(guān)鍵問題。 4)供電方式。因?yàn)閰⒖颊驹O(shè)置在監(jiān) 控中心， GPS 機(jī)的供電，無線電發(fā)射和接受數(shù)據(jù)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)沒有了問題。 涉及到每一個(gè)移動(dòng)終端 ,它指的是 GPS 的 供電問題 ,無線電 發(fā)射和接收 ， 平板電腦和風(fēng)扇形式的散熱效果 等等。實(shí)驗(yàn)工作 使用的是蓄電池發(fā)電，這能夠確保在短時(shí)間工作但是不能應(yīng)用在長時(shí)間的工程，所以有必要使用碾壓機(jī)來在正規(guī)的操作系統(tǒng)提供電力。電力提供的關(guān)鍵問題是實(shí)際性的并且確保這并不會確保系統(tǒng)設(shè)備，用這種方式，設(shè)計(jì)和生產(chǎn) 獨(dú)家功率器件和相關(guān)電纜導(dǎo)體和適配器接頭 。 3系統(tǒng)的高程精度分析 在試驗(yàn)田的充填表層上， 為了評價(jià) 系統(tǒng)的高程精度， 使用輕型汽車 的 運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎均 勻覆蓋整個(gè)表面獲得 三組相同的高程數(shù)據(jù)的表面 。一組運(yùn)動(dòng)軌跡列舉如圖 2（單位是米）。在試驗(yàn)中，就三組收集的數(shù)據(jù)而言，因?yàn)槠嚨乃俣仁遣煌模?兩個(gè)相鄰的軌跡線的間隔距離是不平行的，這組數(shù)點(diǎn)是不同的，他們分別是 906， 922 和 ，實(shí)際上如圖 2 的收集的相關(guān)的數(shù)據(jù)點(diǎn)是不規(guī)則的。 網(wǎng)格法是像網(wǎng)格的小方塊的列矩陣， 由距離加權(quán)平均法和最小二 乘法 曲面擬合 計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的高程。在本篇文章中， 采用距離加權(quán)平均法計(jì)算高程 。 此方法是依賴于在區(qū)域中的任何點(diǎn)的高程是受周邊點(diǎn)的高程影響。為了計(jì)算一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的高程，首先要 做一個(gè)搜索圈，它的中心是在網(wǎng)格點(diǎn)上并且半徑是一個(gè)限定值， 并且在搜索圈上需要一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后利用距離加權(quán)平均法計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的高程。其他網(wǎng)格點(diǎn)也可以用這種方式連續(xù)計(jì)算。 圖 2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組的軌道圖 假設(shè)一定的網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)是 xo， yo，在搜索圈另一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是 xi， yi，然后這些點(diǎn)之間的距離是 Di = ）（ 0 20 2 y)(( yxx ii ?? ? 因此網(wǎng)格點(diǎn)的高程是 H0 = ??)/1( )/( iii DDH 在實(shí)驗(yàn)研究中， 這個(gè)術(shù)語的三組收集數(shù)據(jù)的實(shí)際情況 ，目的是建立網(wǎng)格以方便分析。首先是 合理進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，然后建立一個(gè) 1 m1 m 網(wǎng)格數(shù)據(jù)表，長度 32 米寬 11 米（省略圖表）。在圖表中有 310 點(diǎn)。以上采用距離加權(quán)法，分別計(jì)算三組數(shù)據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)的高程。為了估計(jì)系統(tǒng)的高精度，假設(shè) 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的高程精度是相等的，然后在兩組數(shù)據(jù)中，計(jì)算同樣的網(wǎng)格點(diǎn)的不同高程 djk,之后用以下公式計(jì)算出一致的外部符合精度 mH= ? ?npdd2 其中 p= 1, di( 12)=Hi( 1)－ Hi ( 2)， di(23)=Hi(2)－ Hi(3)(i=1,2,3…,310) ， n=2310=620，? ?pdd = )( 232331011212di dididii ???? ?? 如果設(shè)置搜索圈半徑分別是 米、 米和 米 ，用以上公式 做一個(gè)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算此系統(tǒng)的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的高程精度 mH,分別是 177。1. 37 cm,177。1. 32 cm 和 177。 cm。搜索圈地半徑的增大提高了該系統(tǒng)的高精度，但是不明顯。周知，系統(tǒng)的高精度達(dá)到 ，它完全滿足了 充填層 的 攤鋪厚度及表面粗糙度 的質(zhì)量控制的需要。 4 系統(tǒng)的初步應(yīng)用 因?yàn)樵诿姘迨汛髩谓ㄔO(shè)中，在我國， GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)控站的發(fā)展是先鋒，世界上沒有相 關(guān)的報(bào)道，因?yàn)闆]有可利用的 經(jīng)驗(yàn)去模仿。用這種方式