基于北斗技術(shù)的薩雷茲湖大壩變形監(jiān)測應(yīng)用

文| 韓軍強 涂銳 王偉勝 趙峰 巴音達來 Gulayozov Majid Shonazarovich,3 Ayubzoda Eronsho 劉文江 盧曉春

1.中國科學(xué)院國家授時中心 2.中國科學(xué)院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心 3.塔吉克斯坦科學(xué)院 4.塔吉克斯坦緊急情況與民防委員會

一、引言

薩雷茲湖位于塔吉克斯坦東部海拔3263m的帕米爾地區(qū)，是1911年2月18日因該地區(qū)發(fā)生強烈地震后山體崩塌形成的天然湖泊，如圖1所示。塔吉克斯坦全境處于地震活躍地帶，地震專家預(yù)測湖泊所處地區(qū)在這次強地震后再經(jīng)過80～130年后可能再次發(fā)生大的地震，即現(xiàn)在已經(jīng)進入再次爆發(fā)大地震的危險期內(nèi)。Usoi大壩是該次地震引發(fā)的大規(guī)模山體滑坡所形成的土石壩，壩高567m，是世界上最高的天然大壩。一旦該地區(qū)再次發(fā)生大地震，薩雷茲湖Usoi大壩有崩潰的危險，傾瀉的湖水將吞沒塔吉克斯坦境內(nèi)部分地區(qū)，同時波及阿富汗和烏茲別克斯坦，殃及幾百萬人口，中亞地區(qū)生態(tài)環(huán)境也將遭到嚴(yán)重破壞，生命財產(chǎn)損失無法估量。

圖1 薩雷茲湖和Usoi大壩

塔吉克斯坦政府高度意識到薩雷茲湖安全問題的嚴(yán)重性和重要性，但迫于技術(shù)和財力問題，欲在湖區(qū)及周圍地區(qū)變形監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警方面與有關(guān)國家和國際組織等尋求合作。

從大壩形成至今，國內(nèi)外眾多學(xué)者在大壩的風(fēng)險評估與綜合治理方面做了深入分析和研究。2020年7月，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，并開始向全世界提供連續(xù)穩(wěn)定的導(dǎo)航定位授時服務(wù)，為監(jiān)測系統(tǒng)的實施提供了重要保障。

中國科學(xué)院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心（簡稱中亞中心）和中亞中心杜尚別分中心（簡稱分中心）是對接國際援助和國際合作的重要橋梁，可以通過組織協(xié)調(diào)引進國內(nèi)技術(shù)、方案和力量，聯(lián)合當(dāng)?shù)夭块T實現(xiàn)具體工作的實施落地，從而最終實現(xiàn)國際援助和減災(zāi)合作。因此，依托中亞中心和分中心的組織協(xié)調(diào)，采用北斗技術(shù)對薩雷茲湖大壩進行變形監(jiān)測，一方面可以滿足分中心建設(shè)和國際援助需求，同時大壩的變形監(jiān)測對于中亞地區(qū)生態(tài)保護和生命財產(chǎn)安全等具有重要的戰(zhàn)略意義。

基于這些背景，中塔聯(lián)合團隊通過集成式一體化采集裝備研制和復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)組網(wǎng)通信策略攻關(guān)，結(jié)合北斗高精度定位數(shù)據(jù)處理與變形分析技術(shù)研究，最終建立了一套適用于薩雷茲湖特定條件的北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對Usoi大壩的高精度變形監(jiān)測和國際減災(zāi)合作。

二、監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架

針對薩雷茲湖無電、無網(wǎng)、無路、無人等特殊條件，監(jiān)測系統(tǒng)研制總體包括四個方面。首先，研制一體化北斗變形監(jiān)測終端，實現(xiàn)北斗衛(wèi)星信號跟蹤、觀測數(shù)據(jù)采集；其次，建立壩區(qū)的局域通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)局域傳輸功能；再次，在大壩營地搭建衛(wèi)星通信平臺，使匯總數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星廣域通信傳輸至海外分析中心和塔方應(yīng)急部門進行綜合分析處理；最后，杜尚別分中心對形變等多源信息進行綜合分析，并通過全球通信手段及時播發(fā)形變預(yù)警信息和共享數(shù)據(jù)，實現(xiàn)國際減災(zāi)合作。基于北斗技術(shù)的薩雷茲湖大壩變形監(jiān)測技術(shù)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 基于北斗技術(shù)的薩雷茲湖大壩變形監(jiān)測技術(shù)構(gòu)架

三、監(jiān)測系統(tǒng)具體技術(shù)

1.便攜式一體化監(jiān)測終端技術(shù)

監(jiān)測終端的長期供電和便攜運輸安裝均是本系統(tǒng)建設(shè)的難點?？紤]到監(jiān)測區(qū)域光照足、無通信、無交通的條件，本項目通過對傳統(tǒng)的接收機進行改造，使其集成太陽能供電模塊、北斗/GNSS高精度定位模塊、串口數(shù)據(jù)輸出模塊、內(nèi)部大容量存儲模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊，并采用一體機終端構(gòu)架，極大方便設(shè)備的運輸、安裝、配置和維護；接收機采用了完全國產(chǎn)的多模多頻GNSS模組，不僅支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并兼容GPS、GLONASS、Galileo系統(tǒng)；接收機采樣間隔進行了變頻設(shè)計，可根據(jù)大壩的穩(wěn)定性和技術(shù)安排需要通過遠(yuǎn)程控制指令對采樣間隔進行調(diào)控。此外，監(jiān)測墩裝置采用了套接銷固式設(shè)計，極大地方便了運輸和安裝。圖3為北斗一體接收機和便攜式監(jiān)測墩。

圖3 北斗一體接收機（左）和便攜式監(jiān)測墩（右）

2.超長時間光伏供電技術(shù)

超長時間供電是大壩連續(xù)穩(wěn)定運行的重要保障。大壩北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)功耗主要包括北斗變形監(jiān)測單元、局域網(wǎng)域傳輸單元、衛(wèi)星通信單元。薩雷茲湖大壩海拔較高，雨雪天氣較多。為了保障長時間雨雪天氣時段設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定供電，項目組采用數(shù)據(jù)功率儀對用電單元進行功耗評估，根據(jù)實際功耗設(shè)計了大功率太陽能光伏板和大容量電池組，并利用太陽能控制器監(jiān)控系統(tǒng)進一步對功耗單元進行驗證，可以保障連續(xù)30天無光照條件下監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。圖4為太陽能供電系統(tǒng)與安裝實物圖。

圖4 太陽能供電系統(tǒng)（左）與安裝實物（右）

3.局域廣域聯(lián)合通信技術(shù)

大壩區(qū)域地處無人區(qū)，數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。針對終端數(shù)據(jù)的區(qū)域傳輸，采用無線網(wǎng)橋技術(shù)組建區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)；針對數(shù)據(jù)的廣域傳輸問題，采用衛(wèi)星通信的方式，解決數(shù)據(jù)到海外分中心的傳輸問題；針對無人值守問題，路由器和所有終端均設(shè)計具備遠(yuǎn)程配置和遠(yuǎn)程啟動功能。同時，為了保障監(jiān)測與通信設(shè)備的順利安裝，采用北斗短報文通信技術(shù)進行中方技術(shù)人員與塔方實施人員實時溝通和遠(yuǎn)程指揮。圖5為大壩監(jiān)測系統(tǒng)通信技術(shù)方案示意圖。

圖5 大壩監(jiān)測系統(tǒng)通信技術(shù)方案

4.復(fù)雜環(huán)境氣候下北斗實時毫米級可靠定位技術(shù)

針對薩雷茲湖大壩的毫米級定位需求，采用了基于環(huán)境建模的精密單點定位（PPP）和實時動態(tài)定位（RTK）的聯(lián)合解算策略。首先采用環(huán)境建模技術(shù)對監(jiān)測終端不同方位的地形進行高度角掩角建模；其次采用靜態(tài)PPP技術(shù)對基準(zhǔn)站的空間三維坐標(biāo)進行準(zhǔn)確標(biāo)定和定期校正；最后采用動態(tài)RTK技術(shù)對大壩監(jiān)測站的基線偏移進行動態(tài)求解，從而實時得出毫米級精度的位移量，實現(xiàn)基于北斗技術(shù)的大壩實時毫米級動態(tài)變形監(jiān)測。PPP和RTK解算過程中涉及的數(shù)據(jù)預(yù)處理、隨機方程定權(quán)、模糊度固定等子過程中的截止高度角均采用高度角掩角模型重構(gòu)。經(jīng)過實測數(shù)據(jù)和結(jié)果表明，目前監(jiān)測點RTK實時解算精度水平方向優(yōu)于2.5mm，高程方向優(yōu)于5mm；PPP實時解算精度水平方向優(yōu)于2.5cm，高程方向優(yōu)于5cm。

5.監(jiān)測系統(tǒng)完好性監(jiān)測與防控技術(shù)

對于監(jiān)測系統(tǒng)完好性，主要涉及對衛(wèi)星端、終端、通信端三方面進行監(jiān)測和防控。對于衛(wèi)星端，利用全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)（iGMAS）全球連續(xù)跟蹤站對衛(wèi)星軌道機動進行實時探測并對北斗機動衛(wèi)星進行實時修復(fù)或調(diào)整；對于終端，通過云平臺對終端數(shù)據(jù)吐包量和終端輸入電壓進行實時監(jiān)控，終端吐包量異常和電壓異常均可以實時報警并進行調(diào)控。

四、監(jiān)測系統(tǒng)測試

因新冠疫情原因，該監(jiān)測系統(tǒng)測試完成后需將全部的軟硬件設(shè)施郵寄到塔國，委托塔吉克斯坦科學(xué)院和緊急情況與民防委員會進行實地建設(shè)和系統(tǒng)搭建。2021年4月26日起，系統(tǒng)正式運行進入集成測試階段，期間模擬長時間斷電、通信鏈路丟失與自動恢復(fù)、各級設(shè)備自動重啟、供電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)實時傳輸與精密解算等測試，通過測試期間故障原因分析，對監(jiān)測系統(tǒng)的軟件、硬件進行了多項改進和升級完善。經(jīng)過1個多月的野外運行，驗證了監(jiān)測系統(tǒng)實施方案的可行性，為大壩的實地安裝和運維提供重要參考。

五、監(jiān)測系統(tǒng)實地搭建與運行

2021年10月初，經(jīng)過中科院國家授時中心、中科院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心、塔吉克斯坦科學(xué)院、塔吉克斯坦緊急情況與民防委員會聯(lián)合團隊的密切合作，北斗監(jiān)測終端、衛(wèi)星通信終端、光伏供電等設(shè)備抵達薩雷茲湖大壩營地。在衛(wèi)星通信調(diào)試好之前，營地終端調(diào)試無法與外界進行網(wǎng)絡(luò)通信，采用了北斗特有的短報文功能進行技術(shù)溝通與協(xié)調(diào)?；谇捌诘臏y試經(jīng)驗和充分的預(yù)案準(zhǔn)備，完成基礎(chǔ)預(yù)置和設(shè)備安裝，以及對供電、網(wǎng)絡(luò)、定位等功能性能調(diào)試等工作。2021年10月8日，正式建成了基于北斗技術(shù)的薩雷茲湖大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)并開始實時運行，為大壩的變形提供實時毫米級精度的監(jiān)測。截至2022年2月，系統(tǒng)的硬件、軟件、通信等狀態(tài)運行良好。圖6和圖7分別為薩雷茲湖大壩上北斗監(jiān)測終端的安裝實景圖和系統(tǒng)實時在線監(jiān)控圖。

圖6 薩雷茲湖大壩上北斗監(jiān)測終端的安裝實景圖

圖7 基于北斗技術(shù)的薩雷茲湖大壩變形實時監(jiān)測系統(tǒng)

六、結(jié)束語

中塔聯(lián)合團隊通過設(shè)備研制、定位算法融合、通信組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，建立了一套適用于薩雷茲湖特定條件的北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)。目前系統(tǒng)所有指標(biāo)正常，運行狀態(tài)良好，監(jiān)測系統(tǒng)各項指標(biāo)滿足大壩的監(jiān)測需求，可持續(xù)為大壩提供高精度監(jiān)測服務(wù)，在國際減災(zāi)方面作出貢獻。此外，為進一步推進和推廣北斗應(yīng)用，結(jié)合橋梁、尾礦、滑坡、樓宇、大壩等廣泛的變形監(jiān)測需求，聯(lián)合團隊基于薩雷茲湖變形監(jiān)測系統(tǒng)研制并推出“一帶一路”北斗泛在變形監(jiān)測服務(wù)平臺，可為用戶提供北斗實時高精度變形監(jiān)測數(shù)據(jù)解算技術(shù)服務(wù)。

致謝：

感謝中國科學(xué)院國際合作伙伴計劃項目的資助，感謝中科院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心、塔吉克斯坦科學(xué)院和緊急情況與民防委員會的大力支持。