CN112362024A - 一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法 - Google Patents

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戴云峰
刘安宏
陈文�
丁楠
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Abstract

本发明公开了一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法，针对由地面形变所导致的高压输电线塔形变过程中的位移监测问题，通过构建塔架形变模型在输电塔塔架底座建立监测面，使用北斗载波相位动态实时差分测量技术对输电塔架的沉降与位移进行监测，通过位移转换算法实现经纬度坐标向平面坐标的转换；建立了塔杆变形模型，利用欧拉转角与欧拉转动矢量来描述监测面的形变；采用概率平均分布形变数据算法，分四次构建监测面取平均值，解决了欧拉转角描述不够准确的问题。

Description

一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法
技术领域
本发明涉及一种沉降位移测量方法，尤其涉及一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法。
背景技术
近年来，随着政府不断推进绿色能源结构调整，煤的就地开采与电能转化成为煤矿发展的重要途径，因此高压输电塔等大型设施不得不建设在采空区上方，给建筑安全带来隐患。高压输电塔架大型化，复杂化的需求，对其变形监测提出了新的要求。目前输电塔架的形变监测与预警，主要有地下地质条件预估，有限元分析，相邻塔架与线路受力预测等方法。
地下地质条件预估是通过分析输电塔下方地质条件以及采空区位置等数据，使用地形沉降特征来预测塔架的安全性，该方法可靠性高但需要分析具体的矿区位置，考虑复杂的地质条件，应用条件较为苛刻。
有限元分析使用某种设备获取塔架节点的相对位置数据，通过有限元分析得到空间杆系的位置模型，进行结构的受力分析模拟，得到安全性数据。该方法需要额外的设备扫描塔架的云点数据，由于现有设备的扫描范围有限，扫描时间较长，无法对大型塔架进行实时监测。
相邻塔架与线路的受力分析预测需要考虑各种塔线耦合模型，且要分析输电导线的风载荷，需要在输电线安装传感器，测量方法复杂。
北斗载波相位动态实时差分是一种新型卫星定位测量方法。它基于载波相位观测值的实时动态差分技术，使用两台北斗接收机，一台作为基准站将观测值和测站坐标发送给流动站，一台作为流动站接受基准站的数据同时采集北斗数据并组成差分系统进行解算，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，可应用于大地测量，工程控制测量和地形绘图等诸多领域。
针对地面塌陷所导致的高压输电塔塔架的形变过程测量与监测问题，研究了基于北斗载波相位动态实时差分的沉降位移测量方法；针对传统的现场观测测量存在步骤繁杂，无法实时监测问题，提出了构建监测网监测北斗载波相位动态实时差分回传数据，通过位移转换算法实现经纬度坐标向平面坐标的转换；建立了塔杆变形模型，利用欧拉转角与欧拉转动矢量来描述监测面的形变；采用概率平均分布形变数据算法，分四次构建监测面取平均值，解决了欧拉转角描述不够准确的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于北斗载波相位动态实时差分的高压输电塔塔架沉降位移测量方法，结合输电塔架的监测要求，基于北斗载波相位动态实时差分测量技术，搭建一种塔架形变模型，提出一种概率平均分布的形变数据算法，实现对输电塔塔架的实施形变监测，有效提高了数据处理速率以及形变监测的实时性。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：一种基于北斗载波相位动态实时差分测量技术的高压输电塔塔架沉降位移测量方法，包括数据采集部分和数据处理部分；所述的数据处理部分以数据采集部分的回传数据作为计算的依据。
上述数据采集部分主要包括基准站和移动站，所述的基准站和移动站均为北斗接收机；基准站固定在测量区域的定点位置，移动站安装在监测点位置，通过北斗载波相位动态实时差分测量技术，基准站与移动站的差分系统进行监测点三维定位结果的测量，得出监测点的经纬度坐标。
上述数据处理部分主要包括如下4个步骤：位移转换算法部分、塔架形变模型部分、矢量转角算法部分以及概率平均算法部分。
(1)上述位移转换算法部分负责完成将数据采集部分测量的定位结果由经纬度坐标转换为当前坐标系下的平面坐标。
(2)上述塔架形变模型部分主要将输电塔看作一个刚体，将输电塔的整体形变体现在底部监测面的形变上，通过输电线塔基础形变来描述塔架的位移以及倾斜情况，根据经典力学的知识，定点转动刚体的任何位移等效于绕通过定点的某轴的一次转动，通常使用矢量转角来刻画监测面的偏转平移等形变状态；
进一步的，所述的塔架形变模型部分负责完成将高压输电塔的监测点布置在输电塔基座，由此建立高压输电塔塔架的基础形变模型，监测面上的监测点由起始状态运动至终止状态设置。
(3)上述矢量转角算法部分，将矢量固定在刚体上，矢量起点为一定点，起始状态时矢量位于起始位置此时坐标阵为Ra，终止状态时矢量位于终止位置，此时坐标阵为Rb，使用方向余弦矩阵L来描述矢量的运动过程，进而描述监测面的变化过程：
Ra＝LRb (1)
采用最小二乘法原理求出矩阵L的所有元素即：欧拉转角与欧拉转动矢量来描述监测面的形变。
(4)上述概率平均算法部分负责解决监测点存在不共面的可能性，所述的算法主要完成任取三个监测点构成一个监测面，共取四次，求出四次的矢量与转角后推算出输电塔顶部高压输电线支撑点的位移情况，将四种情况平均化，即得到输电塔顶部输电线支撑点的位移和倾斜情况。
本发明针对由地面形变所导致的高压输电线塔形变过程中的位移监测问题，通过构建塔架形变模型在输电塔塔架底座建立监测面，使用北斗载波相位动态实时差分测量技术对输电塔架的沉降与位移进行监测。与现有技术相比，其显著优点在于：1.采用矢量转角算法解得欧拉转角与欧拉转动矢量来描述监测面的形变，从而推算顶部输电线支点位移，该方法在三维数据采集存在优势，使用多期监测数据可以预测塔架的形变；2.考虑到监测点无法均匀沉降问题，单独使用欧拉转角描述形变准确度不高，采用概率平均的方法分四次构建监测面取平均值，解决了欧拉转角描述不够准确的问题。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明塔架模型示意图。
图3为本发明监测面形变后示意图。
附图标记：1、数据采集部分；2、数据处理部分；3、基准站；4、移动站；5、位移转换算法部分；6、塔架形变模型部分；7、矢量转角算法部分；8、概率平均算法部分；9、输电线支点1；10、输电线支点2；11、监测点B1；12、监测点B2；13、监测点B3；14、监测点B4。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明所提供的一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法的具体实施步骤进行详细的说明。
如图1所示：一种基于北斗载波相位动态实时差分的高压输电塔塔架沉降位移测量方法，包括数据采集部分(1)和数据处理部分(2)；所述的数据处理部分(2)以数据采集部分(1) 的回传数据作为计算的依据。所述的数据采集部分(1)主要包括基准站(3)和移动站(4)，所述的基准站(3)和移动站(4)均为北斗接收机；基准站(3)固定在测量区域的定点位置，移动站(4)安装在监测点位置，通过北斗载波相位动态实时差分测量技术，基准站(3)与移动站(4)的差分系统进行测量点三维定位结果的测量；所述的数据处理部分(2)主要包括以下4个步骤：位移转换算法部分(5)、塔架形变模型部分(6)、矢量转角算法部分(7) 以及概率平均算法部分(8)。
步骤1：位移转换算法部分(5)负责完成将数据采集部分(1)测量的定位结果由经纬度坐标(B，L)，转换为当前坐标系下的平面坐标(X，Y)，转化公式为：
Figure BDA0002748747060000041
其中，X为赤道至B纬度的本初子午线弧长；N为卯酉圈曲率半径；η和t为辅助变量，η2＝e'2cos2B，t＝tanB，e'为第二偏心率，e'2＝(a2-b2)/b2，a、b分别为椭球参考系的长短轴半径；l为椭球点精度与相应中央子午线之差。
步骤2：如图2所示的塔架形变模型部分(6)负责完成将高压输电塔的监测点布置在输电塔基座，由此建立高压输电塔塔架的基础形变模型，监测面上的监测点由起始状态运动至终止状态设置；
进一步的，采用500KV高压酒杯型直线塔架为模型进行举例，测量目标为输电塔架上部的输电线支点1(9)位移，根据塔架形变模型部分的设置要求，将塔架视为刚体结构。基准站(3)固定在支点，移动站(4)即监测点布置在高压输电塔的4个水泥基础墩上，采用北斗载波相位动态实时差分技术进行测量，并通过位移转换算法部分(5)进行换算，可得出转换后的4个监测点的平面坐标。
步骤3：矢量转角算法部分(7)介绍：A为监测面的初始状态，B为一段时间后由于地面塌陷等因素导致的监测面形变后的状态，A、B面上具有相同位置的4个监测点 Ait(Xit,Yit,Zit)，其中Z使用的是该点相对当地水平面的高程。该坐标为第i(i＝1,2,3,4)点在t(t＝1,2)时刻由北斗载波相位动态实时差分测得的，由此两个时刻t＝1，t＝2，测得的同一点的三维坐标值分别为：Ai1(Xi1,Yi2,Zi3)，Ai2(Xi2,Yi2,Zi2)，由公式(2)得：
Figure BDA0002748747060000042
由公式(1)且余弦矩阵的正交可得：
Figure BDA0002748747060000051
步骤4：根据监测模型，使用概率平均算法部分(8)：取B1、B2、B3组成监测面A4，取B1、B2、B4组成监测面A2，取B1、B3、B4组成监测面A3，取B2、B3、B4组成监测面A4。使用最小二乘法，由公式(4)可解得4个监测面形变的余弦矩阵，使用残差平方和检验最小二乘法所得结果的合理性。由公式(5)、(6)解得各余弦矩阵所表示的欧拉转角和欧拉转动矢量：
Figure BDA0002748747060000052
Figure BDA0002748747060000053
Figure BDA0002748747060000054
使用式公式(5)、(6)、(7)中的欧拉转角σ和欧拉转动矢量α1α2α3即可描述高压输电塔底座的形变状态，根据欧拉旋转矢量和欧拉转角可绘出监测面形变后示意图：如图3所示。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明、凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法，其特征在于：所述测量方法基于北斗载波相位动态实时差分技术实现，包括数据采集部分和数据处理部分；所述的数据处理部分以数据采集部分的回传数据作为计算的依据。
2.根据权利要求1所述的一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法，其特征在于：所述数据采集部分主要包括基准站和移动站，所述的基准站和移动站均为北斗接收机；基准站固定在测量区域的定点位置，移动站安装在监测点位置，通过载波相位动态实时差分测量技术，基准站与移动站的差分系统进行测量点三维定位结果的测量。
3.根据权利要求1所述的一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法，其特征在于：所述数据处理部分主要包括以下4个过程：位移转换算法部分、塔架形变模型部分、矢量转角算法部分以及概率平均算法部分。
4.根据权利要求3所述的一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法，其特征在于：所述的位移转换算法部分负责完成将数据采集部分测量的定位结果由经纬度坐标(B，L)，转换为当前坐标系下的平面坐标(X，Y)，转化公式为：
Figure FDA0002748747050000011
其中，X为赤道至B纬度的本初子午线弧长；N为卯酉圈曲率半径；η和t为辅助变量，η2＝e'2cos2B，t＝tan B，e'为第二偏心率，e'2＝(a2-b2)/b2，a、b分别为椭球参考系的长短轴半径；l为椭球点精度与相应中央子午线之差。
5.根据权利要求3所述的一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法，其特征在于：所述的塔架形变模型部分负责完成将高压输电塔的监测点布置在输电塔基座，由此建立高压输电塔塔架的基础形变模型，监测面上的监测点由起始状态运动至终止状态设置。
6.根据权利要求3所述的一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法，其特征在于：所述的矢量转角算法部分，将矢量固定在刚体上，矢量起点为一定点，起始状态时矢量位于起始位置此时坐标阵为Ra，终止状态时矢量位于终止位置，此时坐标阵为Rb，使用方向余弦矩阵L来描述矢量的运动过程，进而描述监测面的变化过程：
Ra＝LRb
采用最小二乘法原理求出矩阵L的所有元素：欧拉转角与欧拉转动矢量来描述监测面的形变。
7.根据权利要求3所述的一种高压输电塔塔架沉降位移测量方法，其特征在于：所述的概率平均算法部分负责解决监测点存在不共面的可能性，任取三个监测点构成一个监测面，共取四次，求出四次的矢量与转角后推算出输电塔顶部高压输电线支撑点的位移情况。
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