利用动态差分技术提高GNSS定位精度的技术方案及网络组网结构

基于北斗定位技术的大坝填筑过程管理系统包括硬件部分和软件部分两部分。硬件部分包括基准站、车载终端和网络环境,软件部分为配套的信息管理系统。

1.GNSS基准站

GNSS基准站是整个碾压信息化监控系统的“定位标准”(图7-9)。GNSS接收机单点(一台接收机进行卫星信号解算)精度只能达到亚米级的观测精度,这显然无法满足实际工程需要。使用动态差分技术,利用已知的基准点坐标来修正实时获得的测量结果,进一步提高GNSS定位的精度。通过数据链,将基准站的GNSS观测数据和已知位置信息实时发送给GNSS流动站,与流动站的GNSS观测数据一起进行载波相位差分数据处理,从而计算出流动站的空间位置信息,以提高碾压机械GNSS设备的测量精度,使精度提高到厘米级,即可满足土石坝碾压质量控制的要求。

图7-9　GNSS基准站安装

2.车载终端

碾压机机载GNSS采用差分定位模式。该模式的定位原理为:由已知三维坐标的基准站通过无线电通信实时发送改正数,由待测点GNSS接收机接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。载波相位差分将载波相位观测值通过数据链传到流动站(碾压机机载GNSS接收机),然后由流动站进行载波相位定位,其定位精度可达厘米级,满足碾压遍数与压实厚度监控的精度要求(压实厚度的监控须经过数学运算以减小误差)。实地采用实时动态快速定位(Real Time Kinematics,RTK)技术进行监控,其特点是以载波相位为观测值的实时动态差分GNSS定位,满足碾压机施工监控的实时、快速定位要求。在碾压设备上安装的相关硬件设备如图7-10所示。

图7-10　车载终端安装

3.网络环境

为把获取的监测数据传送到总控中心和现场监理分控站,做后续的数据应用分析,需建设系统通信网络。

根据实际情况和技术调研,制定相应的无线通信组网方案,该方案包括监控中心(总控中心和现场监理分控站)通信网络、高精度GNSS基准站无线电差分网络、施工机械流动站GPRS传输网络3个部分,整个系统网络结构如图7-11所示。

在系统建设过程中,部分网络主要采用工程建设管理单位的通信网络进行搭建。局部网络利用了已建设的内部网络以及相关的CDMA网络系统进行搭建,能够满足不同的用户对系统服务器的访问与数据调取。在项目管理方对通信网络的网速和网络质量都要求比较高,同时要求能够满足对施工现场中相关硬件设备上采集到的相关施工数据进行及时访问与获取,以保证现场数据能稳定、快速、方便地和系统服务器系统进行数据交换。

考虑到地形起伏较大,同时要满足施工监理监控中心能够在大坝施工现场自由移动,采用“有线网络+无线局域网”的网络组建方式。

4.碾压管理系统

图7-11　系统网络通信拓扑示意图

(1)工程基本信息整理与展示。根据工程建设中对大坝所进行的不同施工单元的划分与确定,在基础信息部分中除了对工程基本信息进行了维护外,还按照大坝分区、大坝分段、大坝分层以及大坝中不同的单元工程信息进行了整理与维护,这样就可以利用这些基本信息对大坝施工过程中采集到的相关数据进行不同区域与施工部位的整理与分析,为数据管理与质量检测分析提供了最重要的基础信息。该部分相关示例界面如图7-12所示。

图7-12　大坝填筑施工过程控制系统中基础信息相关界面

另外,在这一部分中,还对工程中碾压施工参数进行了设置,这部分设置工作是根据目前大坝施工组织计划以及碾压试验后确定的最终施工过程控制参数,是大坝施工质量分析中重要的评价标准。在这个模块中,一般可以采用不同的颜色等信息对不同的施工状态进行描述,如图7-13所示。

图7-13　系统中碾压基本参数维护与设置界面(www.xing528.com)

在这部分中,主要的参数设置有以下几个方面。基本参数,用来确定碾压设备特征参数以及施工方案参数中的搭接宽度等数据;碾压遍数云图,用来确定不同碾压遍数的颜色,使得数据分析结果能够以颜色层次的云图进行展示,在超限次数云图、机车速度云图、激振力大小云图等设置中的功能基本上都与碾压遍次云图设置功能相同,如图7-14所示。

图7-14　系统中碾压遍次云图相关信息设置界面

(2)文件上传与数据管理模块。文件上传模块的主要功能是用来人工手动将物联网设备采集到的碾压施工信息上传到系统中,便于接下来的数据管理与质量分析,如图7-15所示。

图7-15　系统中数据上传界面

在数据管理模块中,主要按照工程划分的结果对采集到的碾压施工过程数据进行系统管理与分析,并且能够通过不同的大坝分区进行数据查找与查看。另外,在该模块中还对系统中的每条数据的开始时间与结束时间以及不同的碾压设备都进行了区分,这样就为工程管理人员对于施工控制提供了重要的资料,如图7-16所示。

图7-16　大坝碾压施工过程系统中数据管理界面

需要说明的是,在该模块中,数据文件上传到系统服务器中时,系统会实时分析数据文件,提取重要的信息对数据文件的归类进行判别,主要判别的指标有机车代码、施工开始与结束时间以及相关的数据采集点的坐标,这样就可以将数据文件精确地归到某一个大坝分解单元中去,便于数据管理与分析。

(3)质量检测分析模块。质量检测分析模块是大坝施工过程控制系统中最重要的模块,主要针对施工过程中的碾压遍数(总数、静碾及振动碾)、速度超限次数、碾压设备速度平均值、碾压设备速度最终值、碾压设备激振力超限次数、激振力平均值、激振力最终值、碾压沉降量以及行车轨迹几个方面的分析。通过这个模块可以重演大坝施工实施过程,这对于工程检测以及后期施工优化有着重要的意义。典型的施工质量分析界面如图7-17～图7-20所示。

图7-17　碾压遍数分析云图界面

图7-18　碾压速度分析云图界面

图7-19　碾压速度最终值分析云图界面

图7-20　碾压施工过程激振力超限次数分析云图界面

(4)系统管理模块。系统管理模块主要是对目前工程建设中的相关用户,包括施工方、监理以及项目法人代表等不同用户权限、登录账号及密码等方面进行管理,保证不同的用户能够在各自的权限内进行数据分析及相关管理功能,系统管理模块如图7-21所示。

图7-21　系统管理操作界面