【導(dǎo)讀】附錄。ABSTRACT. system;facerockfilldam. Introduction. putertech

　　

【正文】 riment based on GPS realtime monitoring system. Journal of Geomatics , 29( 5) : 3940 ( in Chinese) GPS 實時監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)以及 在面板堆石壩上的應(yīng)用 摘要 根據(jù)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)、計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù) ,結(jié)合碾壓機械進(jìn)行集成 ,對 GPS 實時監(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)行實時質(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，關(guān)鍵技術(shù)問題和設(shè)計方案 ，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 控制 碾壓 參數(shù)，參數(shù) 包括厚度 、 充填層 的 粗糙度 、和 壓實機的滾次和軋實速度；另一 種是 在該區(qū)域?qū)兹舆M(jìn)行 手動測 試。該方法 對 國內(nèi)混凝土堆石壩 的發(fā)展具有積極的推動作用 。 然而，隨著混凝土面板堆石壩規(guī)模的擴大，傳統(tǒng)的手工管理機制不再滿足當(dāng)代機械化施工和進(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立方米并且一個月的最多灌裝量 超過 6105立方米 ，所以需要更多的量來控制大壩填筑施工的質(zhì)量 。 為了及時地監(jiān)督大壩的填筑施工質(zhì)量，為灌裝工程開發(fā)一個碾壓方面的工程質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)是非常重要的，這個系統(tǒng)具有實時、連續(xù)、自動化和高精度的特點。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 至整個海洋和 外層空間 ,從靜力學(xué)到運動學(xué) ,從 單點定位到 網(wǎng) 區(qū)分 ,從后處理 到 實時定位和導(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)擴大到各行各業(yè)。 現(xiàn)代數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、代表 GPS 的 空間定位技術(shù) 的 快速發(fā)展和完善使實時連續(xù) 地、 自動 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)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，并結(jié)合碾壓機，在 2021 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)量問題的實時監(jiān)控系統(tǒng)，也就是 填筑施工質(zhì)量 的實時監(jiān)控系統(tǒng)（后來簡稱為 GPS）。這個系統(tǒng)具有實時、高精度、連續(xù)性、自動化等綜合功能，所以能應(yīng)用于對大壩、公路、保護(hù)堤、飛機場等的灌裝壓實實時監(jiān)督，因而成為一個確保工程的施工質(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， 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 實時監(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)計算機系統(tǒng) 圖 根據(jù)在灌裝和搗打工程的壓實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 參考站和移動終端（包括碾壓機和交通質(zhì)量監(jiān)控工作）組成，移動終端是對于地形環(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移動電臺， 同時，通過無線數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)實時地接受由移動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地顯示碾壓機械以及在水壩壓實平面上的質(zhì)量監(jiān)管工作車輛的精確移動位置和狀態(tài)信息，遠(yuǎn)程監(jiān)視灌裝工程壓實質(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)察辦公室實時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。我們在一個已知點上設(shè)置 GPS 接收機作為參考站進(jìn)行 GPS 觀測工作，然后實時向 GPS 移動電臺 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電臺 的 GPS 觀測數(shù)據(jù)，最后計算出移動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，并且這個距離控制要求要在實踐中滿足。 移動終端 移動終端包含安裝在工程監(jiān)控車?yán)锖湍雺簷C里的系統(tǒng)需求裝備。 1)安裝在碾壓機里德移動終端 安裝在碾壓機里的移動終端主要包括集成系統(tǒng)單元， GPS 接收機天線和無線通信天線。系統(tǒng)單元結(jié)合計算機工業(yè)平臺的主 要設(shè)備， GPS 接收機，無線通訊等等。移動終端是像 GPS 移動站似的移動監(jiān)控裝備進(jìn)行 GPS 移動觀測。它的控制項目主要包括碾壓機的軋制軌跡、軋制速度和軋制次數(shù)。移動終端會連續(xù)實時地向監(jiān)控中心反應(yīng)有效的觀測結(jié)果。同時，利用在碾壓機的司機的系統(tǒng)單元里的數(shù)據(jù)和表，計算機的工作平臺實時反應(yīng)了碾壓機的工作狀態(tài)。碾壓機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)锏囊苿咏K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 移動觀測工作和監(jiān)控現(xiàn)場質(zhì)量。它 的主要觀測項目是壓實前后鋪層厚度的變化，支持?jǐn)?shù)據(jù)控制攤鋪機攤鋪厚度和填充表面的粗糙度，并且計算壓實率。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)控數(shù)據(jù)，它從點的質(zhì)量管理上進(jìn)行現(xiàn)場施工。安裝在工程監(jiān)控車?yán)锏囊苿咏K端和安裝在碾壓機里德移動終端是類似的。 系統(tǒng)的主要特征 GPS 實時監(jiān)控系統(tǒng)的主要特征如下： 1)連續(xù)實時監(jiān)督。在真實意義上，數(shù)據(jù)通訊接收雙向的傳動裝置。不管它是在監(jiān)控中心，是在現(xiàn)場的監(jiān)控站，還是在移動終端，碾壓機的運動軌跡和速度，以及在一秒的采樣率中的三維位置信息也能實時顯示在顯示屏上的 。系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)是連續(xù)的，在間隔一秒的時間里的處理結(jié)果能夠足夠滿足系統(tǒng)里的監(jiān)控數(shù)據(jù)連續(xù)性的需要。 2)高度自動化。在整個系統(tǒng)，向移動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)控中心和移動終端顯示所有碾壓機的運動軌跡和速度，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化以及主要集中在移動終端的零件進(jìn)行手動操作的需要。操作移動終端是非常容易且便利的，包含幾個簡單必須的步驟如打開或關(guān)閉該單元等等。另外，移動終端的設(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 ，這完全滿足了壓實工程平面點位的監(jiān)控精度的需要，并且能夠有效地監(jiān)控碾壓機的運動軌跡、速度和滾次。關(guān)于高程，只要用給定的方式操作移動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工程的充填層的厚度和粗糙度的需要。 5)許多移動終端全天候 24 小時工作。如果同時使用 10 個移動終 端，此系統(tǒng)就會有不少于 10Kps 的通訊率，并且能夠支持單點之間、單點對多點。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 小時的工作。 2 該系統(tǒng)設(shè)計到得關(guān)鍵問題以及解決方法 1)軋制參數(shù)的實時監(jiān)控。 碾壓機的參數(shù)主要涉及到移動終端中的碾壓機的運動軌跡、速度和滾次，這些參數(shù)需要實時監(jiān)控，并且能夠應(yīng)用于控制工程的精度。因此，為了確保實時反應(yīng)點位數(shù)據(jù)，無通訊數(shù)據(jù)連接需要實現(xiàn)單點對多點的功能以及雙向高通信率。解決此問題的最佳設(shè)計是選擇收音機模型或者 GSM手機?？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)到實時地向每個移動終端站傳輸參考站的差分 GPS 數(shù)據(jù)，實時地向監(jiān)控中心反應(yīng)每個移動終端的三維位置信息并在間隔一秒的時間支持點位的信息。用這種方式，不僅每個碾壓機系統(tǒng)能夠 實時 地將自身的壓實狀態(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)控站也能實時地監(jiān)控每個移動終端的工作狀態(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的運動軌跡、速度和滾次的計算精度的需要。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，采用合理的方法獲取填充之前、填充之后以及壓實之后的高程數(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 因為當(dāng)代面板石堆大壩的灌實施工進(jìn)行 24 小時全天候無破裂工作，而且許多碾壓機同時運行，這就需要此系統(tǒng)的監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)中繼站和各個移動終端站長時間穩(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 正常的條件下運行沒有問題。但是在碾壓機的移動終端設(shè)備不僅遭受滾轉(zhuǎn)機的震動效應(yīng)，而且司機工作倦怠時的不正確操作，因此， 移動終端 的 集成系統(tǒng)單 元的穩(wěn)定性設(shè)計 成了一個關(guān)鍵問題。 4)供電方式 因為參考站設(shè)置在監(jiān)控中心， GPS 機的供電，無線電發(fā)射和接受數(shù)據(jù)，監(jiān)控計算機沒有了問題。 涉及到每一個移動終端 ,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。實驗工作使用的是蓄電池發(fā)電，這能夠確保在短時間工作但是不能應(yīng)用在長時間的工程，所以有必要使用碾壓機來在正規(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)計和生產(chǎn)獨家功率器件和相關(guān)電纜導(dǎo)體和適配器接頭 。 3 系統(tǒng)的高程精度分析 在試驗田的充填表層上，為了評價系統(tǒng)的高程精度， 使用輕型汽車 的 運動軌跡幾乎均勻覆蓋整個表面 獲得 三組相同的高程數(shù)據(jù)的表面 。一組運動軌跡列舉如圖 2（ 單位是米）。在試驗中，就三組收集的數(shù)據(jù)而言，因為汽車的速度是不同的，兩個相鄰的軌跡線的間隔距離是不平行的，這組數(shù)點是不同的，他們分別是 906， 922 和 ，實際上如圖2 的收集的相關(guān)的數(shù)據(jù)點是不規(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 計算每個網(wǎng)格點的高程。在本篇文章中， 采用距離加權(quán)平均法計算高程 。此方法是依賴于在區(qū)域中的任何點的高程是受周邊點的高程影響。為了計算一個網(wǎng)格點的高程，首先要做一個搜索圈，它的中心是在網(wǎng)格點上并且半徑是一個限定值，并且在搜索圈上需要一些數(shù)據(jù)點，然后利用距離加權(quán)平均法計算網(wǎng)格點的高程。其他網(wǎng)格點也可以用這種方式連續(xù)計算。 圖 2 實驗數(shù)據(jù)組的軌道圖 假設(shè)一定的網(wǎng)格點的坐標(biāo)是 xo， yo， 在搜索圈另一個點的坐標(biāo)是 xi， yi，然后這些點之間的距離是 Di = ）（ 0 20 2 y)(( yxx ii ?? ? 因此網(wǎng)格點的高程是 H0 = ??)/1( )/( iii DDH 在實驗研究中，這個術(shù)語的三組收集數(shù)據(jù)的實際情況，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 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。以上采用距離加權(quán)法，分別計算三組數(shù)據(jù)網(wǎng)格點的高程。為了估計系統(tǒng)的高精度，假設(shè)每一個網(wǎng)格點的高程精度是相等的，然后在兩組數(shù)據(jù)中，計算同樣的網(wǎng)格點的不同高程 djk,之后用以下公式計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，用以上公式做一個統(tǒng)計并計算此系統(tǒng)的每個網(wǎng)格點的高程精度