本實(shí)用新型涉及控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于北斗的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

水庫大壩是調(diào)控水資源時空分布、優(yōu)化水資源配置的重要工程措施，也是江河防洪工程體系的重要組成部分。作為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其在防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面發(fā)揮著無可替代的巨大作用。

客觀地講，我國人口密度大，是用水大國，受自然地理?xiàng)l件制約，季節(jié)性缺水問題比較嚴(yán)重，我國人均水資源量僅為世界人均的1/4，需要多數(shù)量，大容量的儲水庫來保障水的供應(yīng)，興建大壩就是解決水資源短缺的主要手段。所以在缺乏淡水資源的情況下，水庫肩負(fù)的支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障社會需求的任務(wù)非常重要。

在水利行業(yè)快速發(fā)展的過程中，水利大壩工程數(shù)量在不斷增加，不僅促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時也促進(jìn)了國家建設(shè)的有序進(jìn)行，當(dāng)然，在水利大壩運(yùn)營的過程中，其運(yùn)營的安全性對周圍居民的生命財產(chǎn)安全有著直接的影響，因此，相關(guān)安全監(jiān)測人員，必須做好水利大壩的安全監(jiān)測工作，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險隱患才能有效地采取針對性的處理措施。為了保證水利大壩運(yùn)營的安全性、可靠性，需要做好水利大壩的安全監(jiān)測工作，切實(shí)有效地提升水利大壩安全監(jiān)測的效率，確保水利大壩的有效運(yùn)營。

上世紀(jì)50-70年代，中國完成了水利工程建設(shè)的“大躍進(jìn)”，成為世界上水庫數(shù)量最多的國家。目前中國水壩大多處于超限服役狀態(tài)，此外，在建成后幾十年的運(yùn)行中，由于缺少必需的維護(hù)經(jīng)費(fèi)，水庫病險的數(shù)量過半，達(dá)4萬多座。

目前，中國的大壩數(shù)量已居世界首位，但潰壩率亦居世界前列。中國已建水庫壩型90％以上為土石壩，而土石壩是世界大壩工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種擋水壩，是用當(dāng)?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過拋填、輾壓等方法堆筑而成。雖然土石壩應(yīng)用廣泛，但極易因滲水等原因發(fā)生突發(fā)潰壩事故。由于中國現(xiàn)存的許多水庫都建于1958年“大躍進(jìn)”時期，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)落后，潰壩事故時常發(fā)生。1954年—2005年，中國每年平均有68座水庫垮壩，中國大壩年均潰壩率為世界年均潰壩率的4倍多。

潰壩事故不僅對國家經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，更是嚴(yán)重威脅到了人們的生命和財產(chǎn)安全。面對潰壩事件帶來的巨大損失，人們深刻認(rèn)識到大壩安全監(jiān)測的重要性?，F(xiàn)有的大壩安全常規(guī)監(jiān)測主要通過儀器觀測和人工的現(xiàn)場巡視檢查，對大壩壩體、壩肩、近壩區(qū)岸坡及壩周圍環(huán)境所作的測量及觀察，通過合理的計(jì)算和分析對工程的工作狀態(tài)進(jìn)行評估。

但上述人工操作的過程會存在以下問題：1、可能會產(chǎn)生疏漏現(xiàn)象，數(shù)據(jù)片面，也可能存在較大的人為誤差。2、監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性與操作人員的技術(shù)水平和專業(yè)素養(yǎng)密切相關(guān)。3、可能會錯過突發(fā)階段立即糾正的最有效、最經(jīng)濟(jì)的時機(jī)。4、自動化、實(shí)時性、集成化程度較低，精度指標(biāo)偏低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的快速監(jiān)測覆蓋和推廣。5、需要大量的人力投入。

因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于北斗的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中大壩監(jiān)測系統(tǒng)自動化程度低，無法大規(guī)模應(yīng)用的問題。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取了以下技術(shù)方案：

一種基于北斗的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，其中，包括：

至少2個衛(wèi)星定位監(jiān)測站，所述衛(wèi)星定位監(jiān)測站設(shè)置與大壩的壩體上；

至少1個衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站；所述衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站設(shè)置在所述壩體的鄰近區(qū)域；

傳感器組，所述傳感器組包括：若干種用于采集不同信息的傳感器、與所述傳感器連接的信號調(diào)理電路、微處理器以及通信接口；

所述微處理器與所述信號調(diào)理電路的信號輸出端連接，并通過所述通信接口，與控制器通過總線連接。

以及控制器；所述控制器通過總線與所述衛(wèi)星定位監(jiān)測站、衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站以及傳感器組連接；獲取所述衛(wèi)星定位監(jiān)測站、衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站的衛(wèi)星信號以及傳感器的信息量信號。

所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器組具體包括：用于采集孔隙水壓力的滲壓計(jì)、用于采集地下水位的量水堰計(jì)、用于采集土壓力變化的土壓力計(jì)、用于采集應(yīng)力應(yīng)變的應(yīng)變計(jì)以及用于采集傾斜變化的傾斜儀。

所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器包括：北斗高精度定位接收存儲模塊、傳感器數(shù)據(jù)接收存儲模塊、移動網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電源模塊；

所述北斗高精度定位接收存儲模塊、傳感器數(shù)據(jù)接收存儲模塊分別與所述衛(wèi)星定位監(jiān)測站、衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站和傳感器組連接；

所述移動網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過所述數(shù)據(jù)傳輸模塊與所述北斗高精度定位接收存儲模塊、傳感器數(shù)據(jù)接收存儲模塊連接；所述電源模塊用于向所述傳感器組供電。

所述的系統(tǒng)，其中，所述移動網(wǎng)絡(luò)通信模塊包括：CDMA模塊、GPRS模塊、 3G模塊或者4G模塊。

所述的系統(tǒng)，其中，所述北斗高精度定位接收存儲模塊與所述衛(wèi)星定位監(jiān)測站、衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站之間通過RS232串口連接。

有益效果：本實(shí)用新型提供的基于北斗的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，由于集成在同一個控制器上，衛(wèi)星定位和多傳感器采集的數(shù)據(jù)輸入使系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集技術(shù)上更加完整和精準(zhǔn)。系統(tǒng)可以全天時全天候作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)不間斷持續(xù)監(jiān)測，并且通過軟件平臺實(shí)現(xiàn)持續(xù)實(shí)時監(jiān)測，并可做出安全預(yù)警。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于北斗的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的功能框圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傳感器組的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型提供一種基于北斗的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的大壩監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊框圖。如圖1所示，該系統(tǒng)可以包括：至少2個衛(wèi)星定位監(jiān)測站100、至少1個衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站200、傳感器組300以及控制器400。所述控制器400通過總線與所述衛(wèi)星定位監(jiān)測站100、衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站200以及傳感器組300連接，獲取所述衛(wèi)星定位監(jiān)測站、衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站的衛(wèi)星信號以及傳感器的信息量信號。

在本實(shí)施例中，所述衛(wèi)星定位監(jiān)測站100設(shè)置與大壩的壩體上。所述定位監(jiān)測站上布設(shè)有北斗衛(wèi)星天線用于接收北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。

一般的，在一座大壩上至少布設(shè)2個監(jiān)測站，具體布設(shè)數(shù)量可根據(jù)監(jiān)測大壩的類型與規(guī)模來確定?？蛇x地，所述定位監(jiān)測站可以采用一機(jī)雙(多)天線的模式，也可采用一機(jī)單天線的模式。

在本實(shí)施例中，所述衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站設(shè)置在所述壩體的鄰近區(qū)域，例如距離大壩一定距離的某些特定區(qū)域，為定位監(jiān)測站進(jìn)行差分解算提供誤差改正數(shù)據(jù)。

在實(shí)際的GNSS使用過程中，存在多種不同的因素影響GNSS的實(shí)時定位精度，包括衛(wèi)星星歷誤差、大氣延遲(電離層延遲、對流層延遲)誤差和衛(wèi)星的鐘差等。這些誤差從總體上講有較好的空間相關(guān)性，因而相距不太遠(yuǎn)的兩個測站在同一時間分別進(jìn)行單點(diǎn)定位時，可以認(rèn)為上述誤差對兩站的影響就大體相同。

基于上述假設(shè)，在基準(zhǔn)站(已知坐標(biāo)點(diǎn))上配備一臺GNSS接收機(jī)并和監(jiān)測站一起進(jìn)行GNSS觀測，就能求得每個觀測時刻由于上述誤差而造成的影響。基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)通信鏈將求得的誤差改正數(shù)及時發(fā)送給附近的監(jiān)測站，監(jiān)測站在施加上述改正數(shù)后，其定位精度就能大幅度提高。

對于那些因?yàn)榻▔蔚刂吩谳^偏遠(yuǎn)山區(qū)而不能被地基增強(qiáng)站信號有效覆蓋的情況，則需要在大壩附近新建北斗定位基準(zhǔn)站。一般情況下，一座大壩需要有一個北斗定位參考站。

所述傳感器組300是一個可以采集多數(shù)據(jù)源的傳感器組，實(shí)現(xiàn)對于大壩壩體不同數(shù)據(jù)的采集或者傳輸。

如圖2所示，所述傳感器組300可以包括：若干種用于采集不同信息的傳感器310、與所述傳感器連接的信號調(diào)理電路320、微處理器330以及通信接口340。在一些實(shí)施例中，如圖2所示，該傳感器組還可以包括一個用于防雷的，由防雷元件組成的防雷電路350，保證數(shù)據(jù)通信信道的安全。

其中，所述微處理器330與所述信號調(diào)理電路320的信號輸出端連接，并通過所述通信接口340，與控制器通過總線連接?？蛇x地，該微處理器是全集成的高性能的8路12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它在單個芯片內(nèi)包含了高性能的自校準(zhǔn)多通道ADC、兩個12位的DAC轉(zhuǎn)換器、8位MCU、片內(nèi)8KB的閃速/電擦除 (Flash/EE)程序存儲器，640Byte閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器以及256Byte數(shù)據(jù) SRAM，均由可編程內(nèi)核控制。

所述傳感器310具體可以包括：用于采集孔隙水壓力的滲壓計(jì)、用于采集地下水位的量水堰計(jì)、用于采集土壓力變化的土壓力計(jì)、用于采集應(yīng)力應(yīng)變的應(yīng)變計(jì)以及用于采集傾斜變化的傾斜儀等一種或者多種傳感器。

該傳感器組自身具有數(shù)據(jù)存儲、邏輯運(yùn)算判斷、自診斷、自校準(zhǔn)等多種高級功能，可靠性及安全性高。

具體的，如圖3所示，所述控制器400具體可以包括：北斗高精度定位接收存儲模塊410、傳感器數(shù)據(jù)接收存儲模塊420、移動網(wǎng)絡(luò)通訊模塊430、數(shù)據(jù)傳輸模塊440以及電源模塊450。

其中，所述電源模塊450用于向所述傳感器組供電，是系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障基礎(chǔ)，為控制器中的各個模塊提供所需電力。所述北斗高精度定位接收存儲模塊410用于接收北斗衛(wèi)星信號，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。傳感器接收存儲模塊420用于接收和存儲來自傳感器組的傳感器數(shù)據(jù)。

在一些實(shí)施例中，該模塊410與北斗天線之間可以通過RS232串口連接，可支持同時接收最多4個北斗衛(wèi)星天線的數(shù)據(jù)。另外，接收模塊420還可以具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，除可接收上述提及的傳感器參數(shù)外，還預(yù)留了100多個參數(shù)接口，方便其他傳感器參數(shù)的接入。

所述移動網(wǎng)絡(luò)通訊模塊430用于確保數(shù)據(jù)傳輸模塊的正常工作，使北斗高精度定位數(shù)據(jù)與多源傳感器數(shù)據(jù)可以被實(shí)時傳輸至平臺軟件，具體的，所述移動網(wǎng)絡(luò)通訊模塊430可以是CDMA模塊、GPRS模塊、3G模塊或者4G模塊中的一種或者多種。

在實(shí)際操作使用過程中，可以首先在被監(jiān)測大壩壩體上布設(shè)多個北斗衛(wèi)星定位監(jiān)測站，在監(jiān)測站上安裝北斗衛(wèi)星天線。一般根據(jù)所監(jiān)測的大壩類型以及規(guī)模來確定監(jiān)測站數(shù)量，普遍情況下至少安裝2個監(jiān)測站，監(jiān)測站越多監(jiān)測數(shù)據(jù)越有價值。并且，在監(jiān)測大壩附近建造北斗衛(wèi)星基準(zhǔn)站，對于處在已有北斗地基增強(qiáng)基準(zhǔn)站有效覆蓋范圍內(nèi)的地區(qū)，可以直接利用該區(qū)域內(nèi)的這些基準(zhǔn)站，為大壩安全監(jiān)測差分解算提供差分改正數(shù)。

然后，由滲壓計(jì)、量水堰計(jì)、土壓力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、傾斜儀等多種智能傳感設(shè)備組成的多數(shù)據(jù)源傳感器組智能化采集與大壩安全監(jiān)測相關(guān)的孔隙水壓力、地下水位、土壓力變化、應(yīng)力應(yīng)變、傾斜變化等信息。

最后，將各監(jiān)測站、基準(zhǔn)站，以及多數(shù)據(jù)源傳感器組將采集數(shù)據(jù)傳輸至多源數(shù)據(jù)綜合采集控制器。該多源數(shù)據(jù)綜合采集控制器通過其內(nèi)部的移動網(wǎng)絡(luò)通訊模塊(CDMA/GPRS/3G/4G)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教囟ǖ谋O(jiān)測平臺軟件進(jìn)行解算與分析。

監(jiān)測軟件平臺根據(jù)采集獲得的原始數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)建模，結(jié)合數(shù)學(xué)與力學(xué)模型，對大壩的趨勢性變形進(jìn)行分析與預(yù)警，并以圖像、表格、文字的形式，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行實(shí)時展示。

綜上所述，本實(shí)用新型提供的大壩監(jiān)測系統(tǒng)，基于北斗高精度定位，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的大壩安全監(jiān)測，精度高、無需人工值守、可全天候全天時獲取實(shí)時數(shù)據(jù)。其具有如下優(yōu)勢：

1、在數(shù)據(jù)采集技術(shù)上更加完整和精確：系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)采集頻率， (半小時或更短時間采集一次數(shù)據(jù))，人為的誤差少。北斗高精度設(shè)備(監(jiān)測站和基準(zhǔn)站)疊加各種傳感器相互校驗(yàn)，可靠性高，精度誤差可達(dá)水平2-3毫米，高程4-6毫米。

2、全天時全天候作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)不間斷持續(xù)監(jiān)測：北斗用戶可全天時全天候連續(xù)進(jìn)行北斗定位測量，不受氣候條件與時間的影響，大大提高了監(jiān)測效率，減少了外業(yè)工作強(qiáng)度。

3、持續(xù)實(shí)時監(jiān)測可做出安全預(yù)警：北斗接收機(jī)，它能自動跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號，自動實(shí)時地接收數(shù)據(jù)，而且還為用戶預(yù)留了必要的接口，便于結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)建立無人值守的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集、傳輸、處理、分析、報警到入庫的自動化和實(shí)時化，這對于長期連續(xù)運(yùn)行的變形監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的意義，縮短了觀測周期，提高了響應(yīng)能力。大壩安全歷史數(shù)據(jù)有效積累，并可進(jìn)行趨勢分析，為全國或各城市的水庫大壩狀況評估和評判提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可及時有效地做出預(yù)警判斷。

4、觀測站點(diǎn)間無須通視，點(diǎn)位選擇更加靈活：利用北斗進(jìn)行定位時，對測站間的通視情況不做要求，只要測站信號接收良好，點(diǎn)位易于保存即可，因此北斗監(jiān)測網(wǎng)在選點(diǎn)時更加靈活、方便，避免了常規(guī)測量中觀測過渡點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)的工作量。

5、高精度三維定位：北斗衛(wèi)星可同時精確測定測站點(diǎn)的平面位置和大地高，即一次性獲得高精度的測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測時域、空域的嚴(yán)格統(tǒng)一，對進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理和變形分析具有重要作用。北斗高精度定位的精度可達(dá)到毫米級。

6、短時間內(nèi)大面積覆蓋：無需進(jìn)行手工重復(fù)勞動，可以節(jié)省大量人力物力，短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋。

可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及本實(shí)用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。