王豪威，楊海成，李云濤，武偉

1 核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002

2 中核三維地理信息工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050002

3 河北雄安中核航遙信息科技有限公司，河北 石家莊 050002

核電廠由于其獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，在建設(shè)過(guò)程中形成些許和生產(chǎn)密切相關(guān)的邊坡，由于氣候、環(huán)境等自然因素的作用以及其結(jié)構(gòu)的安全性和使用性能的退化使得正在運(yùn)營(yíng)的邊坡存在著或輕或重的安全隱患。傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測(cè)的方法主要有典型露頭測(cè)量、統(tǒng)計(jì)窗測(cè)量、斷面測(cè)量和三維激光掃描等方法，監(jiān)測(cè)設(shè)備以經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀和三維激光掃描儀等常規(guī)測(cè)量?jī)x器為主，具有效率低、易受天氣、人工和現(xiàn)場(chǎng)條件等許多因素的影響、間斷式監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋滯后和人員和儀器野外安全無(wú)法保障等缺點(diǎn)，這些都嚴(yán)重影響邊坡工程的安全生產(chǎn)和管理水平［1］。近年來(lái)，隨著多元傳感器技術(shù)［2］、4G 通訊技術(shù)［3］和計(jì)算機(jī)技術(shù)［4-5］的不斷成熟，使得變形監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越向全天候、高精度和自動(dòng)化方向發(fā)展。美國(guó)、歐盟和日本等國(guó)先后啟動(dòng)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡、泥石流進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警［6-7］；國(guó)內(nèi)黃凱等人將GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)運(yùn)用到大壩的變形監(jiān)測(cè)中，獲取了大樣本、高采樣率、連續(xù)的大壩表面位移變形資料，對(duì)其進(jìn)行合理的分析，建立科學(xué)的變形分析與預(yù)報(bào)模型，對(duì)大壩安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐［8］；陳壽轍將GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)運(yùn)用到礦區(qū)開采沉陷變形監(jiān)測(cè)中，解決了傳統(tǒng)人工礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測(cè)受地形影響大、費(fèi)力費(fèi)時(shí)和不易自動(dòng)化等缺點(diǎn)，提高了對(duì)變形體監(jiān)測(cè)與分析的效率［9］；王宇等人將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用到深基坑監(jiān)測(cè)中，結(jié)合工程實(shí)踐，論證了在城市深基坑監(jiān)測(cè)中利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)的可靠性［10］。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在上述領(lǐng)域已經(jīng)成功應(yīng)用，但在核電廠邊坡監(jiān)測(cè)工程中尚未涉及，且對(duì)GNSS、測(cè)斜儀和裂縫儀等多種傳感器在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行相關(guān)內(nèi)容的研究及應(yīng)用較少，系統(tǒng)集成較為復(fù)雜。

針對(duì)世界核營(yíng)運(yùn)者協(xié)會(huì)要求定期對(duì)核電廠進(jìn)行監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，結(jié)合在核電廠邊坡運(yùn)營(yíng)中實(shí)際需求的調(diào)研，依據(jù)工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)和對(duì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與變形分析的研究，將GNSS、激光測(cè)縫儀和測(cè)斜儀等多元傳感器技術(shù)、4G 通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一套集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化接收、數(shù)據(jù)處理與分析、報(bào)表生成、預(yù)警預(yù)報(bào)以及圖形表現(xiàn)等功能為一體的邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到核電廠邊坡工程變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)邊坡的不同部位進(jìn)行24 h 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可精確地掌握邊坡在使用過(guò)程的狀態(tài)變化和工作情況，在發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象（如邊坡下沉、偏移等）時(shí)及時(shí)分析原因，采取必要措施，防止事故發(fā)生，以保證安全生產(chǎn)。同時(shí)在邊坡GNSS 監(jiān)測(cè)過(guò)程中，開展人工監(jiān)測(cè)，并將觀測(cè)成果與GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)述

1.1 GNSS 監(jiān)測(cè)技術(shù)

表面位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站構(gòu)成，采用高精度GNSS 接收機(jī)，將基準(zhǔn)站輸出的差分信號(hào)（RTK）傳送給監(jiān)測(cè)站，使監(jiān)測(cè)站的位置信息得以矯正，且設(shè)備內(nèi)置4G 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，使數(shù)據(jù)采集終端可以在野外無(wú)人值守的情況下連續(xù)工作，它將各個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心采用差分位移測(cè)量等方法分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的情況，計(jì)算出相應(yīng)的坐標(biāo)，通過(guò)多次坐標(biāo)對(duì)比，得到當(dāng)前相對(duì)于過(guò)去某個(gè)時(shí)間段的位移量［11］。

1.2 深層位移監(jiān)測(cè)技術(shù)

深層位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用固定測(cè)斜儀，每個(gè)傳感器都設(shè)置有單獨(dú)的地址編號(hào)，傳感器按照預(yù)先設(shè)定的采集頻率向系統(tǒng)發(fā)送傾角數(shù)據(jù)，也可以按照接收到的系統(tǒng)指令反饋信息［12］。測(cè)斜儀傾角變化量計(jì)算見(jiàn)公式（1）。

式（1）中：Δθ—傾角變化量，度；K—傾斜儀的分辨率，°mV-1；Fi—傾斜儀實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)，mV；F0—傾斜儀安裝完成后的基準(zhǔn)讀數(shù)，mV。

1.3 地表裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)

地表裂縫監(jiān)測(cè)采用激光測(cè)縫儀，該設(shè)備基于激光可定點(diǎn)發(fā)射、發(fā)散角度小等特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成，其工作原理是測(cè)縫儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后又被測(cè)縫儀接收，通過(guò)測(cè)縫儀記錄的激光往返的時(shí)間，計(jì)算出與被測(cè)量物體之間的距離［13］。

激光測(cè)縫儀計(jì)算見(jiàn)公式（2）。

式（2）中：ΔH—位移變化量，m；Hi—距離測(cè)量值，m；H0—距離原始值，m。

1.4 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“無(wú)線傳輸模塊DTU+4G 網(wǎng)絡(luò)”組合技術(shù)，通過(guò)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。TCP/IP 協(xié)議是一種面向連接導(dǎo)向的、可靠的及基于字節(jié)流的運(yùn)輸層通信協(xié)議，該協(xié)議采用4 層的層級(jí)結(jié)構(gòu)，每一層通過(guò)呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來(lái)完成自己的需求［14］。

1.5 系統(tǒng)供電

由于電廠邊坡高差大，范圍分布廣給線纜鋪設(shè)造成很大的困難，且具備一定的管理風(fēng)險(xiǎn)，采用“太陽(yáng)能+蓄電池”組合供電方式為系統(tǒng)提供電源，無(wú)需外接電源。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信和多元傳感器等技術(shù)構(gòu)建組合而成的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)和監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖1。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在.NET 平臺(tái)下以C#為編程語(yǔ)言，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)而成，其體系結(jié)構(gòu)可分為3 層，由下自上分別是：數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和功能層。系統(tǒng)體系架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖Fig. 2 System architecture diagram

2.2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)信息進(jìn)行管理和操作，主要包括采集與發(fā)送設(shè)備數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)元數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要通過(guò)無(wú)線傳輸模塊DTU 和成熟4G 網(wǎng)絡(luò)快速組建數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3 功能層

在功能層主要包括：用戶管理功能、項(xiàng)目管理功能、收發(fā)設(shè)備功能、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)功能、實(shí)時(shí)曲線功能、數(shù)據(jù)檢索功能、超限預(yù)警功能和監(jiān)測(cè)報(bào)表功能。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用MySQL 作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)類別包括基礎(chǔ)參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)檢索繪圖模塊和預(yù)警模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)信息見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)信息Table 1 Monitoring system database information

2.4 系統(tǒng)功能管理與實(shí)現(xiàn)

2.4.1 用戶管理功能

用戶管理功能是對(duì)系統(tǒng)用戶登錄、權(quán)限配置、系統(tǒng)維護(hù)等相關(guān)信息進(jìn)行管理，其功能包括用戶管理和權(quán)限管理。用戶登錄窗口見(jiàn)圖3。

圖3 用戶登錄窗口Fig. 3 User login window

2.4.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置功能

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置功能用于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的行政隸屬關(guān)系、位置、項(xiàng)目名稱和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人等基本信息的管理，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置功能窗口見(jiàn)圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置功能窗口Fig. 4 Setting function window for monitoring project

2.4.3 收發(fā)設(shè)備管理功能

收發(fā)設(shè)備管理功能用于完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、解析，調(diào)用項(xiàng)目布設(shè)從屬關(guān)系，計(jì)算、整理每條收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將計(jì)算過(guò)程階段性結(jié)果保存到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表內(nèi)（原始數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)和物理數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)表），收發(fā)設(shè)備管理窗口見(jiàn)圖5。

圖5 收發(fā)設(shè)備管理窗口Fig. 5 Transceiver device management window

2.4.4 監(jiān)測(cè)預(yù)警功能

監(jiān)測(cè)預(yù)警功能支持自定義預(yù)警內(nèi)容、預(yù)警方式方法、數(shù)據(jù)來(lái)源和預(yù)警周期等參數(shù)，定時(shí)周期性檢索監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定預(yù)警規(guī)則時(shí)可按要求通過(guò)桌面、短信和郵箱等方式發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)警規(guī)則管理窗口見(jiàn)圖6。

圖6 預(yù)警規(guī)則管理窗口Fig.6 Warning rule management window

2.4.5 報(bào)表制作功能

報(bào)表制作功能支持用戶通過(guò)word 文件來(lái)編輯報(bào)表格式（報(bào)表模板文件）、制作報(bào)表模板，由WD 報(bào)表功能模塊完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)填充，獨(dú)立生成監(jiān)測(cè)項(xiàng)目報(bào)表、采發(fā)設(shè)備報(bào)表和設(shè)備通道（傳感器）報(bào)表，另外還提供了自定義的特殊報(bào)表功能接口，監(jiān)測(cè)報(bào)表設(shè)置窗口見(jiàn)圖7。

圖7 監(jiān)測(cè)報(bào)表設(shè)置窗口Fig. 7 Monitoring report settings window

2.4.6 數(shù)據(jù)檢索與導(dǎo)出功能

系統(tǒng)支持快速檢索、簡(jiǎn)易條件檢索和高級(jí)語(yǔ)句檢索3 種數(shù)據(jù)檢索方式，通過(guò)預(yù)設(shè)檢索語(yǔ)句并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)表，以實(shí)現(xiàn)快速檢索語(yǔ)句調(diào)用和執(zhí)行，并將檢索語(yǔ)句的檢索結(jié)果導(dǎo)出為EXCEL 表格，快速檢索窗口見(jiàn)圖8。

圖8 快速檢索窗口Fig. 8 Quick search window

2.4.7 圖形繪制功能

圖形繪制功能可以將數(shù)據(jù)檢索結(jié)果繪制為圖形，默認(rèn)情況下繪制類型為“曲線”，用戶也可以通過(guò)畫板的工具條修改繪制類型和畫板顯示參數(shù)，數(shù)據(jù)圖形繪制窗口見(jiàn)圖9。

圖9 數(shù)據(jù)圖形繪制窗口Fig. 9 Data graph drawing window

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在核電廠邊坡中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某核電廠邊坡至今已有三十多年歷史，局部區(qū)段存在滲水、裂縫和坡體表面開裂等現(xiàn)象，對(duì)核電廠的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成影響。為解決核電廠安全運(yùn)行的迫切需求，將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到邊坡工程安全管理中來(lái)，通過(guò)在邊坡隱患部位布設(shè)表面位移、深層位移和地表裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集終端，獲取邊坡變形相關(guān)的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，為核電廠及時(shí)采取必要措施提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 數(shù)據(jù)采集終端布設(shè)

根據(jù)邊坡已有勘察設(shè)計(jì)、施工等資料，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，在邊坡變形區(qū)域外且基礎(chǔ)穩(wěn)定的巖石上布設(shè)一個(gè)GNSS 基準(zhǔn)點(diǎn)，在變形區(qū)關(guān)鍵斷面處布設(shè)3 個(gè)GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)；根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告資料，在邊坡土質(zhì)松散、力學(xué)性質(zhì)較差、存在失穩(wěn)的隱患部位設(shè)立兩套深層位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每孔深度約30 m，分3 個(gè)斷層布設(shè)；根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告，在邊坡東北側(cè)路段存在因回填土沉降而產(chǎn)生的路基沉降、道路開裂等隱患處布設(shè)兩套激光式地表裂縫監(jiān)測(cè)儀。

3.3 通訊網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

GNSS 監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸模塊；深層位移監(jiān)測(cè)設(shè)備和激光測(cè)距監(jiān)測(cè)儀將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)線纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀，采集儀內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸模塊；數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，也可接收來(lái)自服務(wù)器的指令［15］。

監(jiān)測(cè)中心采用云服務(wù)器，該服務(wù)器擁有1個(gè)固定的IP 地址，3 個(gè)端口。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集終端建設(shè)、調(diào)試和試運(yùn)行階段，于2021 年1 月投入運(yùn)行。監(jiān)測(cè)頻率設(shè)置為正常情況下每間隔24 h 采集一次數(shù)據(jù)，異常情況下每間隔1 h 采集一次。經(jīng)過(guò)2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日的在線監(jiān)測(cè)，已取得電廠邊坡3 個(gè)GNSS 表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)730 條的有效數(shù)據(jù)，其中x變化為正，表示向東位移，反之表示向西位移；y變化為正，表示向北位移，反之表示向南位移；z變化為正，表示向上上升，反之表示向下沉降；已獲取邊坡2 個(gè)地表裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)730 條有效數(shù)據(jù)，其中正值表示裂縫加大，負(fù)值表示裂縫減?。灰勋@取廠后區(qū)邊坡2 個(gè)深層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)730 條有效數(shù)據(jù)，其中正值表示監(jiān)測(cè)孔朝邊坡反方向傾斜，負(fù)值表示監(jiān)測(cè)孔朝邊坡方向傾斜。

3.4.1 GNSS 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

3.4.1.1 過(guò)程線變化規(guī)律分析

GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)x、y和z位移實(shí)測(cè)值曲線見(jiàn)圖10～12。

圖10 GNSS x 位移實(shí)測(cè)曲線圖Fig. 10 GNSS x displacement measurement curve

圖11 GNSS y 位移實(shí)測(cè)曲線圖Fig. 11 GNSS y displacement measurement curve

圖12 GNSS z 位移實(shí)測(cè)曲線圖Fig. 12 GNSS z displacement measurement curve

3.4.1.2 特征值分析

GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)x、y和z位移實(shí)測(cè)值極值統(tǒng)計(jì)及變化區(qū)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)x、y、z 位移實(shí)測(cè)值極值統(tǒng)計(jì)及變化區(qū)間統(tǒng)計(jì)表Table 2 Extreme value statistics and variation interval statistics of the measured displacement values of x, y, and z at GNSS monitoring points

3.4.1.3 總體評(píng)價(jià)

綜合以上過(guò)程線分析及特征值分析可見(jiàn)，在2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日期間，該電廠邊坡GNSS 位移過(guò)程曲線變化平穩(wěn)，波動(dòng)較??；本工程采用的GNSS 設(shè)備平面測(cè)量標(biāo)稱精度為±（2.5+0.5/100 000 0）mm，高程測(cè)量標(biāo)稱精度為±（5.0+0.5/100 000 0） mm，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備的實(shí)際平面測(cè)量誤差為±2.3 mm，實(shí)際高程測(cè)量誤差為±4.8 mm，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差在儀器標(biāo)稱精度范圍內(nèi)；GNSS 各觀測(cè)點(diǎn)x、y和z的累積變化值在預(yù)警值范圍內(nèi)，邊坡表面位移在安全監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。

3.4.2 地表裂縫監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

3.4.2.1 過(guò)程線變化規(guī)律分析

地表裂縫監(jiān)測(cè)儀實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖13。

圖13 地表位移實(shí)測(cè)曲線圖Fig.13 Surface displacement measurement curve

3.4.2.2 極值分析

地表裂縫實(shí)測(cè)值極值統(tǒng)計(jì)及變化區(qū)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 地表裂縫實(shí)測(cè)值極值統(tǒng)計(jì)及變化區(qū)間統(tǒng)計(jì)表Table 3 Extreme value statistics and variation interval statistics of measured surface cracks

3.4.2.3 總體評(píng)價(jià)

綜合以上過(guò)程線分析及特征值分析可見(jiàn)，在2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日期間，該電廠邊坡地表裂縫過(guò)程曲線變化平穩(wěn)，波動(dòng)較小；本工程采用的激光測(cè)縫儀標(biāo)稱精度為±1.0 mm，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備的實(shí)際測(cè)量誤差為±0.8 mm，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差在儀器標(biāo)稱精度范圍內(nèi)；各地表裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積變化值在預(yù)警值范圍內(nèi)，邊坡地表裂縫整體在安全監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。

3.4.3 深層位移監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

3.4.3.1 過(guò)程線變化規(guī)律分析

深層位移各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值曲線見(jiàn)圖14～15。

圖14 深層位移監(jiān)測(cè)站1 實(shí)測(cè)曲線圖Fig. 14 Actual measurement curve of deep displacement monitoring station 1

圖15 深層位移監(jiān)測(cè)站2 實(shí)測(cè)曲線圖Fig. 15 Actual measurement curve of deep displacement monitoring station 2

3.4.3.2 極值分析

深層位移實(shí)測(cè)值極值統(tǒng)計(jì)及變化區(qū)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 深層位移實(shí)測(cè)值極值統(tǒng)計(jì)及變化區(qū)間統(tǒng)計(jì)表Table 4 Extreme value statistics and variation interval statistics of measured values of deep displacement

3.4.3.3 總體評(píng)價(jià)

綜合以上過(guò)程線分析及特征值分析可見(jiàn)，在2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日期間，該電廠邊坡深層位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化量微??；本工程采用的固定測(cè)斜儀標(biāo)稱精度為±0.2 mm，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備的實(shí)際測(cè)量誤差為±0.16 mm，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差在儀器標(biāo)稱精度范圍內(nèi)；各深層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積變化值在預(yù)警值范圍內(nèi)，邊坡深層位移整體在安全監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。

3.5 分析驗(yàn)證

山體邊坡現(xiàn)存的常規(guī)變形監(jiān)測(cè)墩共有16個(gè)，在2021 年1 月1 日至2022 年12 月31 日期間，利用全站儀和水準(zhǔn)儀對(duì)監(jiān)測(cè)墩的坐標(biāo)和高程進(jìn)行3 次測(cè)量，水平位移測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，高程測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表5 水平位移測(cè)量數(shù)據(jù)Table 5 Horizontal displacement measurement data

表6 常規(guī)變形監(jiān)測(cè)墩高程測(cè)量數(shù)據(jù)Table 6 Conventional deformation monitoring pier elevation measurement data

由表5、6 數(shù)據(jù)分析可知：人工測(cè)量的數(shù)據(jù)水平位移x方向變化區(qū)間分布介于-3.8～4.1 mm 之間，水平位移y方向變化區(qū)間分布介于-4.8～4.6 mm 之間，高程z變化區(qū)間分布介于-7.7～6.4 mm 之間；將人工測(cè)量變形觀測(cè)結(jié)果與表 2中數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)GNSS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)位移變化區(qū)間基本吻合，所反映的邊坡表面位移變化規(guī)律一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了GNSS 表面位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性較高，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，滿足核電廠邊坡工程監(jiān)測(cè)的需要。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

本文研究了基于GNSS、激光測(cè)縫儀、測(cè)斜儀等多元傳感器、4G 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在核電廠邊坡工程變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：

1）基于多元傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)構(gòu)建了邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡工程的表面位移、地表裂縫、深層位移等24 h 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，解決了傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)不連續(xù)、結(jié)果反饋滯后和野外安全無(wú)法保障等問(wèn)題，提升了邊坡工程的安全管理水平。

2）采用“太陽(yáng)能+蓄電池”組合供電方式為系統(tǒng)提供電源，采用“4G 網(wǎng)絡(luò)+DTU”無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將采集終端數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)采集終端建設(shè)、調(diào)試和試運(yùn)行階段，于2021 年1 月投入運(yùn)行，通過(guò)對(duì)已獲取的2 年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位移過(guò)程曲線變化平穩(wěn)，波動(dòng)較小，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)估工作提供數(shù)據(jù)支撐。

3）在邊坡GNSS 表面位移監(jiān)測(cè)工程中，同時(shí)開展人工監(jiān)測(cè)，并將觀測(cè)成果與GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明該技術(shù)完全可以應(yīng)用于核電廠邊坡變形監(jiān)測(cè)工作中，為核電廠同類工程的實(shí)施提供經(jīng)驗(yàn)。

4.2 展 望

1）本文監(jiān)測(cè)站設(shè)備采用4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于在信號(hào)不穩(wěn)定區(qū)域或有特殊要求的區(qū)域可采用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星通訊方式。

2）將邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)接入到已有的核電廠建構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，便于業(yè)主統(tǒng)一管理。

3）三維可視化是數(shù)據(jù)展示的新方向，融合實(shí)景三維建模技術(shù)，承載變形體實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的可讀性、可視性和擴(kuò)展性。