低溫雪上環(huán)境場(chǎng)地場(chǎng)館精準(zhǔn)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案研究

張穎芝 姚勇

一、前言

依托北斗高精度定位系統(tǒng)，結(jié)合風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度、降水量、雪深等傳感器數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)低溫雪上環(huán)境下的場(chǎng)地場(chǎng)館精準(zhǔn)形變監(jiān)測(cè)。

本文提供一套技術(shù)方案，通過(guò)研究雪場(chǎng)關(guān)鍵位置精準(zhǔn)定位與傳感設(shè)備布設(shè)方案，結(jié)合雪場(chǎng)GIS/BIM模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建覆蓋雪場(chǎng)區(qū)域的毫米級(jí)雪層/雪上場(chǎng)館形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冬奧雪場(chǎng)的全天候連續(xù)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)形成多級(jí)預(yù)警機(jī)制，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位異常狀況信息推送至不同應(yīng)急管理部門(mén)，切實(shí)保障冬奧場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)安全。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究

（一） 技術(shù)方案

目前監(jiān)測(cè)雪層厚度變化的方式主要依賴于雪深儀的監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)反射雪層表面至雪深儀的高差來(lái)對(duì)雪層厚度進(jìn)行識(shí)別。北斗多傳感器系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)地面位移變化，通過(guò)北斗基準(zhǔn)站、北斗監(jiān)測(cè)站以及滲壓計(jì)、固定式測(cè)斜儀、雨量計(jì)、裂縫計(jì)等設(shè)備結(jié)合，對(duì)地表及地面深處的位移變化進(jìn)行2小時(shí)靜態(tài)毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)值得變化結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)等服務(wù)。對(duì)地面和雪層厚度的監(jiān)測(cè)方式目前應(yīng)用比較廣泛且成熟。

但對(duì)于一些大型高山滑雪賽事的比賽場(chǎng)地（如冬奧會(huì)），其地勢(shì)往往陡峭且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上大量的觀眾對(duì)賽場(chǎng)的沖擊，會(huì)對(duì)山地地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。而雪層厚度的實(shí)時(shí)變化會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的比賽結(jié)果造成一定程度的影響。由于雪深儀的監(jiān)測(cè)是相對(duì)結(jié)果，在監(jiān)測(cè)其變化時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確判定是由于地面沉降引起的雪層厚度變化，還是冰雪融化引起的雪層厚度變化，如果因?yàn)榈孛娉两担雍穸葘?shí)際上沒(méi)有發(fā)生變化，一味進(jìn)行人工造雪也會(huì)對(duì)比賽產(chǎn)生影響，而且會(huì)威脅到運(yùn)動(dòng)員及觀眾的生命安全。給監(jiān)測(cè)結(jié)果帶來(lái)非常大的影響。

一個(gè)改進(jìn)方案是將北斗監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)墩與雪深儀支架進(jìn)行剛體連接，形成一體，北斗監(jiān)測(cè)站結(jié)合傳感器監(jiān)測(cè)的是地面的位移變化，雪深儀監(jiān)測(cè)的是雪層的厚度變化，二者充分結(jié)合，即可準(zhǔn)確判定出究竟是由于地面沉降還是冰雪融化引起的雪層厚度變化，為比賽的順利進(jìn)行、運(yùn)動(dòng)員的高水平發(fā)揮以及現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全等提供重要的保障依據(jù)。其原理如圖 1所示。

北斗監(jiān)測(cè)站和雪深儀的布設(shè)方式如圖 2所示。

其他關(guān)聯(lián)傳感器包括滲壓計(jì)、固定式測(cè)斜儀、裂縫計(jì)、雨量計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向計(jì)、溫度傳感器等。數(shù)據(jù)通訊方式可以是地面網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）、網(wǎng)線、LORA、NBIOT、無(wú)線網(wǎng)橋、北斗短報(bào)文等多種方式；數(shù)據(jù)可直接網(wǎng)絡(luò)傳輸，也可通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸；設(shè)備供電方式為電池供電、太陽(yáng)能供電、220V供電、380V工業(yè)用電等。

結(jié)合幾種傳感器的數(shù)據(jù)，其預(yù)測(cè)模型判斷方式如表1所示。

其中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)所下所述。

（二） 北斗高精度位移形變監(jiān)測(cè)方法

北斗高精度位移形變安全監(jiān)測(cè)技術(shù)用于位移及沉降形變安全通常用到的是北斗相對(duì)定位原理。相對(duì)定位是用兩臺(tái)（或多臺(tái)）接收機(jī)分別安置在一條（或多條）基線的兩端，同步觀測(cè)相同的北斗衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)的相對(duì)位置或基線向量。在相對(duì)定位時(shí)，通過(guò)對(duì)觀測(cè)量求差，可以消除衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差，削弱電離層和對(duì)流層折射的影響，消去整周模糊度參數(shù)等，使基線精度提高。如圖 3所示，如果A和B兩點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)觀測(cè)了相同的一組衛(wèi)星（至少四顆）。而且A是一個(gè)已知點(diǎn)，通過(guò)某種數(shù)據(jù)鏈，把原始改正信息傳到B點(diǎn)，那么B點(diǎn)的位置就可以加以確定。

（三） 多傳感器輔助監(jiān)測(cè)方法

多傳感器輔助形變安全監(jiān)測(cè)方法主要是通過(guò)布設(shè)在地表深處的滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)地下水壓力值來(lái)判定地下深處土層的變化、通過(guò)布設(shè)在地下深處的固定式測(cè)斜儀（一般每8米布設(shè)一個(gè)）通過(guò)專(zhuān)用套管分段布設(shè)，來(lái)監(jiān)測(cè)地下每一個(gè)深度范圍的地層變化，再輔以裂縫計(jì)、雨量計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向計(jì)、溫度計(jì)等傳感器，通過(guò)外界環(huán)境的變化監(jiān)測(cè)，進(jìn)行地下及地表形變的綜合判定。

（四） 雪深儀雪層厚度監(jiān)測(cè)方法

雪深儀雪層厚度識(shí)別方法主要是通過(guò)雪深儀照射雪層，通過(guò)雪層反射光線與雪深儀之間的相對(duì)距離變化來(lái)監(jiān)測(cè)雪層厚度的變化，具體工作原理如圖 4所示：

雪場(chǎng)北斗監(jiān)測(cè)站及傳感器布設(shè)如圖 5所示。

三、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

（一） 總體設(shè)計(jì)

雪上場(chǎng)館形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)層、服務(wù)接口層、應(yīng)用層，項(xiàng)目統(tǒng)一規(guī)劃的基礎(chǔ)設(shè)施及信息運(yùn)行保障體系構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 6所示。

數(shù)據(jù)發(fā)布負(fù)責(zé)雪場(chǎng)各種監(jiān)測(cè)目標(biāo)上所布設(shè)的各種傳感器數(shù)據(jù)的采集與傳輸。在本項(xiàng)目中，主要用到北斗、固定測(cè)斜儀、滲壓計(jì)、水位計(jì)、雨量計(jì)、裂縫計(jì)等多種傳感器，這些傳感器所采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器。同時(shí)，系統(tǒng)支持監(jiān)測(cè)目標(biāo)、監(jiān)測(cè)目標(biāo)類(lèi)型、監(jiān)測(cè)傳感器的擴(kuò)展。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接入、解算、處理、存儲(chǔ)、查詢以及分析。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)北斗和各類(lèi)傳感器所感知的監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)及管理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。

應(yīng)用層主要針對(duì)業(yè)務(wù)需要構(gòu)建多種應(yīng)用系統(tǒng)，本項(xiàng)目中包括安全監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)及預(yù)警發(fā)布。

（二） 數(shù)據(jù)接入層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行集成化，即傳感器、數(shù)據(jù)采集工控機(jī)、通訊系統(tǒng)、接收服務(wù)器集成在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，如圖 7所示。

本系統(tǒng)中采用北斗終端及水位計(jì)、雨量計(jì)、裂縫計(jì)、滲壓計(jì)、測(cè)斜儀等多種傳感器設(shè)備。設(shè)備有多種輸出類(lèi)型，包括數(shù)字信號(hào)、振弦信號(hào)、模擬電壓信號(hào)等，不同信號(hào)類(lèi)型又包含對(duì)應(yīng)多種協(xié)議。

數(shù)據(jù)采集使用多種數(shù)據(jù)采集工控機(jī)，將振弦信號(hào)、模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，將多種數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)傳模塊匯集到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器中，系統(tǒng)總線方案如圖8所示。

（三） 監(jiān)測(cè)服務(wù)展示系統(tǒng)

雪場(chǎng)形變監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)接口層調(diào)用基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)、經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)處理的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的展示、以監(jiān)測(cè)點(diǎn)或者傳感器實(shí)體為單元進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)或歷史展示和查詢、預(yù)警數(shù)據(jù)展示。

基于3DGIS，調(diào)用其他子系統(tǒng)所發(fā)布的DOM、DEM、矢量、標(biāo)注、模型等數(shù)據(jù)服務(wù)，構(gòu)建監(jiān)測(cè)對(duì)象及周邊的三維場(chǎng)景，能直觀的了解監(jiān)測(cè)對(duì)象所處的地理環(huán)境；各種監(jiān)測(cè)設(shè)備的布設(shè)點(diǎn)位；同時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析也有參考意義。展示效果如圖 9所示。

四、結(jié)語(yǔ)

依托北斗高精度定位服務(wù)，本項(xiàng)工作提出了一套低溫雪上環(huán)境場(chǎng)地場(chǎng)館的精準(zhǔn)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案，包括雪場(chǎng)雪層形變監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)。

結(jié)合雪場(chǎng)GIS/BIM，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冬奧雪場(chǎng)、雪上場(chǎng)館和人造施工場(chǎng)地等進(jìn)行全天候、全方位、多角度、多維度地連續(xù)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)形成多級(jí)預(yù)警機(jī)制，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位異常狀況信息分等級(jí)、分角色推送至不同應(yīng)急管理部門(mén)，切實(shí)保障冬奧場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)安全。

作者單位：北京北控智慧城市科技發(fā)展有限公司

【基金項(xiàng)目】國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技冬奧專(zhuān)項(xiàng)“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場(chǎng)館設(shè)計(jì)建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2018YFF0300300）