面板堆石坝 GPS实时监控系统的建设以及在面板堆石坝上的应用

　　摘 要:根据质量控制需要的填筑施工的面板堆石坝,采用欧氏全球卫星定位技术、无线数据通讯技术、计算机技术和数据处理与分析技术,结合碾压机械进行集成,对GPS实时监控系统的开发进行了论述。它可以用于对通信建设的碾压填工程进行实时质量监督。本篇论文讨论了GPS系统的的组成和应用特点，关键技术问题和设计方案，还分析了GPS系统的高精度问题，并且对GPS系统的初步应用进行了研究。
　　关键词： 全球定位系统；填筑工程；质量控制；集成系统；面板堆石坝
　　介绍
　　目前,管理填筑施工面板堆石坝的质量主要采用"双重控制"的质量控制方法，其中一种是手动控制碾压参数，参数包括厚度、充填层的粗糙度、和压实机的滚次和轧实速度；另一种是在该区域对孔取样进行手动测试。该方法对国内混凝土堆石坝的发展具有积极的推动作用。然而，随着混凝土面板堆石坝规模的扩大，传统的手工管理机制不再满足当代机械化施工和进度的需要。位于中国湖南省清江流域的水布垭混凝土面板石堆大坝，在所有相同类型的大坝中，以233米的高度排名世界第一。该工程总充填量为1.6�?07立方米并且一个月的最多灌装量超过6�?05立方米，所以需要更多的量来控制大坝填筑施工的质量。为了及时地监督大坝的填筑施工质量，为灌装工程开发一个碾压方面的工程质量监督系统是非常重要的，这个系统具有实时、连续、自动化和高精度的特点。监督系统对于提高水布垭工程的工程质量具有很大的意义。
　　作为一种全新的当代空间卫星导航和位置定位系统，GPS已经在越来越多的领域逐渐代替了普通光学和电子测量仪。自从20世纪80年代，特别是在90年代以后，GPS技术已经结合现代通信技术引领空间定位技术进行一次革命性的变革。通过GPS技术同时确定三维坐标的方法已经从具有近海安的陆地至整个海洋和外层空间,从静力学到运动学,从单点定位到网区分,从后处理到实时定位和导航改变了传统技术，并且由于绝对和相对点位精度已经达到米级、厘米级、亚毫米级，GPS的应用和影响领域已经扩大到各行各业。现代数据通讯技术、计算机技术、电子技术、代表GPS的空间定位技术的快速发展和完善使实时连续地、自动地监督高精度具有可行性。根据在灌装工程中对于碾压方面的工程质量管理的要求，利用GPS技术、无线数据通信技术、计算机技术、数据处理和分析技术，并结合碾压机，在2004年，武汉大学和清江水电开发责任有限总公司共同研发了一种在灌装工程中适于监督碾压方面质量问题的实时监控系统，也就是填筑施工质量的实时监控系统（后来简称为GPS）。这个系统具有实时、高精度、连续性、自动化等综合功能，所以能应用于对大坝、公路、保护堤、飞机场等的灌装压实实时监督，因而成为一个确保工程的施工质量的行之有效的助手。结合工程的要求以及此系统的特征，本论文主要讨论此系统的构成、关键技术、方案设计，分析GPS系统的高精度问题，并且对GPS系统的初步应用进行了研究。
　　1 GPS实时监控系统的构成和特征
　　1.1构成
　　该系统的硬件装置主要包括以下三个方面：
　　1)GPS卫星信号的接受系统
　　2)无线网络的数据通信系统
　　3)计算机系统
　　图1.系统的网络结构的介绍
　　根据在灌装和捣打工程的压实需要和工程管理对此系统的要求，系统由监控中心、网络中继站、现场亚控制站、GPS参考站和移动终端（包括碾压机和交通质量监控工作）组成，移动终端是对于地形环境对无线通信的影响。图1是灌装工程中工程质量监控系统的介绍。如果地形环境好，并且现场的灌装工程与系统的监控系统不是很远，那么网络中继站可以去掉。
　　1.1.1监控中心
　　监控中心是此系统的心脏，它将GPS参考站的微分数据输入到GPS移动电台，同时，通过无线数据传输连续实时地接受由移动电台反馈的位置信息。结合施工的需要，装备在监控中心的电子显示屏能够实时地显示碾压机械以及在水坝压实平面上的质量监管工作车辆的精确移动位置和状态信息，远程监视灌装工程压实质量的状态，并且提供给领导者基本信息以做出决定。系统数据的处理、分析、储存等等也在监控中心操作。
　　1.1.2现场次监察站
　　现场次监察站系统控制中心的延伸，而且为现场的监察人员提供了便利。通过访问监控中心的信息，监察人员就能够在监察办公室实时掌握工程施工和施工质量的现状。一旦出现质量偏差，监察人员就能够应对施工现场的施工人员，提醒工作人员并要求他们整顿。
　　1.1.3 GPS参考站
　　GPS参考站为了利用差分GPS技术提高系统的监控精度而设置的。我们在一个已知点上设置GPS接收机作为参考站进行GPS观测工作，然后实时向GPS移动电台输出GPS观测数据和参考站的已知位置信息，然后利用载波相位的差分处理方式处理连同移动电台的GPS观测数据，最后计算出移动电台的空间位置信息，而且定位精度可以提高。以上的方法叫做差分GPS技术。一般来说，为了方便提供支撑力量，管理和维护，GPS参考站设置在监控中心。为了确保监控精度，必须强调的是GPS监控站和施工区域之间的距离要少于5-6千米，并且这个距离控制要求要在实践中满足。
　　1.1.4 移动终端
　　移动终端包含安装在工程监控车里和碾压机里的系统需求装备。
　　1)安装在碾压机里德移动终端
　　安装在碾压机里的移动终端主要包括集成系统单元，GPS接收机天线和无线通信天线。系统单元结合计算机工业平台的主要设备，GPS接收机，无线通讯等等。移动终端是像GPS移动站似的移动监控装备进行GPS移动观测。它的控制项目主要包括碾压机的轧制轨迹、轧制速度和轧制次数。移动终端会连续实时地向监控中心反应有效的观测结果。同时，利用在碾压机的司机的系统单元里的数据和表，计算机的工作平台实时反应了碾压机的工作状态。碾压机的操作者要检核他或她的工作是否满足显示屏上的质量需求。
　　2)安装在工程监控车里的移动终端
　　工程监控车是工程质量监控的工作车辆，它是专门配备给工程监控人员的。它的主要工作是进行GPS移动观测工作和监控现场质量。它的主要观测项目是压实前后铺层厚度的变化，支持数据控制摊铺机摊铺厚度和填充表面的粗糙度，并且计算压实率。监控车也向监控中心反应观测结果。另外，根据系统的监控数据，它从点的质量管理上进行现场施工。安装在工程监控车里的移动终端和安装在碾压机里德移动终端是类似的。