水闸变形监测系统设计与应用

李彦富，李金明，胡其德，卢 鑫，巫慧林，代 强

(1.四川省玉溪河灌区运管中心，成都，611530；2.四川省水利科学研究院，成都，610072；3.四川省都江堰水利发展中心东风渠管理处，成都，610081)

0 引言

水闸、大坝、渠道等水工建筑物是水利工程中重要的基础设施，是调节水资源时间、空间配置的重要手段，在防洪、供水、灌溉等方面发挥着巨大作用[1]。水利工程建成后，水工建筑物在承受水负荷作用的同时，还会受到地质结构变动和外部环境等因素的影响，产生沉降或倾斜变形。若变形量一旦超过允许范围，会影响水工建筑物的正常使用，形成安全隐患，会直接影响水利工程的安全运行，甚至演变成灾难性事故[2]。因此，对水闸等重要的水工建筑物开展变形监测十分必要。

传统水工建筑物变形监测主要以接触式的全站仪测量和非接触式的摄影测量方法为主，但传统的测量方式工作量大，容易产生人为误差，监测频率也难以满足安全监测实时性的要求[3]。相较而言，自动化监测系统可以极大地解放人力，能获取全天候、连续、高精度的监测数据，实现实时监测，技术优势十分明显[4]。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)自动化变形监测技术已广泛应用于工程实践中，但由于垂直测量精度不高，不能完全满足水闸变形监测的需求[5-6]。超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术变形监测系统是利用超宽带微波进行点对点测距的能力，通过测距值的变化，获得监测点位的形变信息，利用地面移动通信，实现对监测点形变的远程实时监测，该系统水平和垂直位移测量精度可达毫米级，但易受通视条件和多路径效应的影响[7]。因此，本文结合GNSS与UWB变形监测系统的优势，设计一套水闸变形监测系统，在满足监测精度的基础上，实现对水闸监测数据的全天候采集、自动快速传输、实时解算处理、监测信息可视化以及预警预报，为水闸变形监测预警与安全治理提供技术支持和决策依据。

1 建设目标及内容

1.1 建设目标

为解决水闸等水利工程变形监测难题，探索水闸变形监测新方法。面向智慧水利的应用服务结合水利工程信息化、智慧化等需求，提升水利工程的安全水平和管理工作效率，为水利工程微变形监测预警与安全治理提供技术支持和决策依据。同时，水利工程变形监测与安全评价是相互影响、相辅相成的，两个是相互促进、不可分割的。通过监测水闸及水工建筑物、周边堤岸及相关设施位移变形，能够清晰地了解水闸运行使用的情况，为水闸安全评价提供有效可靠的基本数据，从而准确评估水闸的安全状况。

1.2 建设内容

针对东风渠梁江堰清水河拦河节制闸开展水闸变形监测系统设计与应用，在充分了解现阶段水工建筑物变形监测技术手段的基础上，结合两种具有较大优势的GNSS与UWB变形监测系统，完成水闸变形监测系统开发、测试、集成和应用部署。主要实现功能包括变形监测在线综合展示、安全评价、预警预报等，为水闸管理人员提供监测点的位移实时信息及历史信息，提供水闸及建筑物的位移变化趋势以及预警预报功能服务。

2 项目关键性技术

2.1 设备安装及调试

在进行基站和布网设置时，一般设置四个基准站，若只安装三个基站时，应按照锐角三角形布置，同时为了让基站的信号辐射覆盖性能更好，基站安装高度应距离地面一定距离。超宽带微波结合GNSS定位在水利工程变形监测中的应用较少，而GNSS和超宽带微波的多径效应明显，对数据精度影响较大。因此，应结合测量组的设计方案和现场点位布设情况，调整扼流圈和抑径板的设置方式，同时调整GNSS设备合适的截止高度角，消除或减少多径效应对数据精度的影响。

2.2 系统数据融合技术

超宽带微波数据是通过波长分析和相位变化计算的一维数据，对距离变化的感知精度可达毫米级，而GNSS数据是通过接收机接收差分信号，对监测点位进行静态测量基线解算后获取的三维坐标，两组数据集呈非线性关系。本文设计的水闸变形监测系统采用扩展卡尔曼滤波算法(Extended Kalman Filter，EKF)对不同数据集进行了融合。通过将测距数据送入卡尔曼滤波器，由卡尔曼滤波器根据基站的定位信息和测量数据，解算出监测点的三维坐标，该算法是实际工程中应用最为广泛的非线性滤波算法，具有运算简单，在工程上易于实现等优点。

3 系统设计

3.1 系统技术架构

水闸变形监测系统传感器采集的数据通过无线高频信号传输到控制中心设备，再通过4G无线网络连接到监测中心的数据服务器。监测传感设备负责数据采集，通过嵌入式控制模块将感知的位移变形信息进行有效处理，并经无线高频信号发送至中控设备。利用监测数据中心实现监测数据汇集、处理、存储和呈现，管理用户可登录电脑终端或移动端设备查看水闸的实时监测数据以便及时掌握水闸运行状况。水闸变形监测系统技术架构可分为感知层、传输层、支撑层和应用层，具体分层信息，如图1所示。

图1 系统技术架构

(1)感知层：包括GNSS/UWB监测站和GNSS/UWB基准站，主要感知水闸位移变化情况，将采集的数据通过无线高频信号传输到中控设备进行集中储存。

(2)传输层：中控设备通过无线网络连接到监测中心数据服务器，通过通信模块向指定IP地址发送状态数据，实现数据的实时传输。

(3)支撑层：在支撑层，监测数据中心为系统提供数据服务器、数据库、数据存储和数据安全等服务，满足系统在数据采集、存储、分析处理与安全方面的需求。

(4)应用层：根据不同应用需求，分别设计面向PC端的应用系统和面向移动终端的APP应用系统。用户在任何时间、任何地点，均可通过计算机或APP访问数据服务器，实时查看水闸位移变形情况。

3.2 系统硬件组成

本文设计的水闸变形监测系统主要将GNSS变形监测系统和UWB监测系统相结合，通过系统融合提高系统监测能力及适用性。两种监测系统分别发挥自身优势，其优缺点具有明显的互补性，如表1所示。GNSS变形监测系统主要由基准点、监测点、解算站及信息中心平台组成，每个基准点和监测点均包括GNSS接收机及接收天线、供电系统及控制器、电池、保护罩、避雷设备、立杆及安装支架、数据传输模块等设备，可采用光纤、北斗通讯、无线网络等方式进行数据传输；UWB监测系统设备端分为中控点、基准点和监测点，中控点是传感器设备的控制中心，负责工作状态控制和数据传输，基准点作为监测系统的参考点。

表1 监测系统特点对比

针对水闸全天候自动变形监测的要求，水闸变形监测系统核心硬件可分为监测传感器、中控设备、数据服务器及配套设施，主要包括监测站、基准站设备、中控传感器设备及数据服务器等设备。监测系统硬件如图2所示。

图2 监测系统硬件

(1)监测传感器。负责GNSS/UWB单频机的数据采集，其主要由GNSS接收天线、UWB接收天线、供电系统及控制器、防雷及数据传输模块构成，监测设备按照系统设置的数据采集周期将监测数据实时传输至中控设备。

(2)中控设备。负责监测站工作状态控制和数据传输，将监测站传感器所采集的数据实时传输到中控设备进行存储，通过无线高频的方式将监测数据传输至数据处理服务器。

(3)数据处理服务器。数据处理服务器主要对接收到的监测数据进行分析处理，通过监测平台对监测点的位移变形信息进行展示，同时对超过设定阈值的监测数据进行预警预报处理。

3.3 系统软件功能

本文将GNSS变形监测系统与UWB(超宽带微波)系统进行集成，设计一套高精度、智能化的水闸变形监测系统。通过数据解算、轴线定向、距离方向规划，可实现GNSS与UWB系统的协同监测。该监测系统可满足垂直精度测量要求，解决传统人工测量外业工作量大且无法实现自动化的难题，使得变形监测系统向一体化、自动化、智能化转变。该变形监测系统能对重点监测区域实施实时、全天候监测，该监测系统可实现每分钟一次的监测频率，全天候24h地监测，通过建设可视化平台并设定预警阈值，可实现水闸变形监测系统的可视化及预警预报功能。

根据水利工程管理者对水闸及建筑物变形监测的功能需求，本监测系统主要设计四个功能模块，包括综合展示模块、实时监测模块、安全评价模块和预警预报模块。

(1)综合展示模块。依据自动化变形监测数据，系统通过图形的方式对监测数据进行实时展示，用户可选择不同时间长度的监测数据，查看一个或多个不同点位的走势图，在图形上可查看具体监测点位的位移变化量大小，移动方向等功能。

(2)实时监测模块。通过实时监测模块可以实现对监测点位的位移变化量进行实时采集，并通过图形展示模块呈现出实时变化的位移时间曲线，将监测数据与前期数据进行比较，可以分析一段时间内水闸的位移变化量。

(3)安全评价模块。通过对设定时间周期内的监测数据进行分析，系统自动对水闸位移变化量进行统计并做出安全稳定性评价。通过预测分析监测点位移变化趋势，并综合考虑水闸受地质、外部环境等影响因素，对今后一段时间整个水闸及建筑物的稳定性进行评价。

(4)预警预报模块。根据水闸变形监测的预警方案，通过可视化智能监测预警平台，根据预设阈值相关规则，自动对异常点位的形变发出预警。

4 系统应用

本系统已应用于都江堰灌区东风渠梁江堰节制闸的变形监测。该节制闸始建于20世纪70年代初，于2004年改造，枢纽以上流域集雨面积约116km2，梁江堰拦河节制闸共有5孔，每孔净宽7m，设计流量200m3/s。由于闸门及配套建筑物和渠道两岸长期受较大水流冲击以及其他地质因素的影响，产生的位移及变形会影响闸门及建筑物的稳定性，因此有必要对其进行安全监测。

通过在该节制闸布置8套GNSS/UWB监测系统设备，对闸房及配套建筑物进行变形监测，现场部分变形监测站见图3。管理人员可以通过平台查看监测点的位移实时信息及历史信息，掌握水闸及建筑物的位移变化趋势，特别是在汛期时，管理者能及时掌握水闸安全状态信息，系统应用界面如图4所示。当水闸及建筑物变形超过设定阈值时，系统会及时进行预警预报，对保证水闸安全运行具有重要意义。

图3 水闸变形监测站现场布置

(a)系统主界面

(b)位移监测

(c)实时监测数据

(d)历史数据查询 图4 系统应用界面

5 结语

水闸变形监测系统将卫星定位技术与超宽带微波定位技术相结合，解决了使用单一监测系统在监测能力方面不足的问题。通过系统对数据进行解算，可获取较高的监测精度，满足水利水电工程安全监测设计规范的要求，确保水工建筑物安全运行和经济效益。随着水利信息化水平的发展，以水闸变形监测系统为代表的自动化监测技术，将在水利工程变形监测及安全预警方面发挥更大作用，具有广阔的应用前景。