CN206609463U - 基于北斗的大坝安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于北斗的大坝安全监测系统。该系统包括：至少2个卫星定位监测站，所述卫星定位监测站设置与大坝的坝体上；至少1个卫星定位基准站；所述卫星定位基准站设置在所述坝体的邻近区域；传感器组，所述传感器组包括：若干种用于采集不同信息的传感器、与所述传感器连接的信号调理电路、微处理器以及通信接口；所述微处理器与所述信号调理电路的信号输出端连接，并通过所述通信接口，与控制器通过总线连接以及控制器；所述控制器通过总线与所述卫星定位监测站、卫星定位基准站以及传感器组连接；获取所述卫星定位监测站、卫星定位基准站的卫星信号以及传感器的信息量信号。

Description

基于北斗的大坝安全监测系统

技术领域

本实用新型涉及控制系统技术领域，尤其涉及一种基于北斗的大坝安全监测系统。

背景技术

水库大坝是调控水资源时空分布、优化水资源配置的重要工程措施，也是江河防洪工程体系的重要组成部分。作为经济社会发展的重要基础设施，其在防洪、灌溉、发电、供水、航运、水产养殖等方面发挥着无可替代的巨大作用。

客观地讲，我国人口密度大，是用水大国，受自然地理条件制约，季节性缺水问题比较严重，我国人均水资源量仅为世界人均的1/4，需要多数量，大容量的储水库来保障水的供应，兴建大坝就是解决水资源短缺的主要手段。所以在缺乏淡水资源的情况下，水库肩负的支撑经济发展和保障社会需求的任务非常重要。

在水利行业快速发展的过程中，水利大坝工程数量在不断增加，不仅促进了社会经济的发展，同时也促进了国家建设的有序进行，当然，在水利大坝运营的过程中，其运营的安全性对周围居民的生命财产安全有着直接的影响，因此，相关安全监测人员，必须做好水利大坝的安全监测工作，及时发现风险隐患才能有效地采取针对性的处理措施。为了保证水利大坝运营的安全性、可靠性，需要做好水利大坝的安全监测工作，切实有效地提升水利大坝安全监测的效率，确保水利大坝的有效运营。

上世纪50-70年代，中国完成了水利工程建设的“大跃进”，成为世界上水库数量最多的国家。目前中国水坝大多处于超限服役状态，此外，在建成后几十年的运行中，由于缺少必需的维护经费，水库病险的数量过半，达4万多座。

目前，中国的大坝数量已居世界首位，但溃坝率亦居世界前列。中国已建水库坝型90％以上为土石坝，而土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种挡水坝，是用当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑而成。虽然土石坝应用广泛，但极易因渗水等原因发生突发溃坝事故。由于中国现存的许多水库都建于1958年“大跃进”时期，设计和施工技术落后，溃坝事故时常发生。1954年—2005年，中国每年平均有68座水库垮坝，中国大坝年均溃坝率为世界年均溃坝率的4倍多。

溃坝事故不仅对国家经济造成巨大损失，更是严重威胁到了人们的生命和财产安全。面对溃坝事件带来的巨大损失，人们深刻认识到大坝安全监测的重要性。现有的大坝安全常规监测主要通过仪器观测和人工的现场巡视检查，对大坝坝体、坝肩、近坝区岸坡及坝周围环境所作的测量及观察，通过合理的计算和分析对工程的工作状态进行评估。

但上述人工操作的过程会存在以下问题：1、可能会产生疏漏现象，数据片面，也可能存在较大的人为误差。2、监测结果的准确性与可靠性与操作人员的技术水平和专业素养密切相关。3、可能会错过突发阶段立即纠正的最有效、最经济的时机。4、自动化、实时性、集成化程度较低，精度指标偏低，难以实现大规模的快速监测覆盖和推广。5、需要大量的人力投入。

因此，现有技术还有待发展。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种基于北斗的大坝安全监测系统，旨在解决现有技术中大坝监测系统自动化程度低，无法大规模应用的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种基于北斗的大坝安全监测系统，其中，包括：

至少2个卫星定位监测站，所述卫星定位监测站设置与大坝的坝体上；

至少1个卫星定位基准站；所述卫星定位基准站设置在所述坝体的邻近区域；

传感器组，所述传感器组包括：若干种用于采集不同信息的传感器、与所述传感器连接的信号调理电路、微处理器以及通信接口；

所述微处理器与所述信号调理电路的信号输出端连接，并通过所述通信接口，与控制器通过总线连接。

以及控制器；所述控制器通过总线与所述卫星定位监测站、卫星定位基准站以及传感器组连接；获取所述卫星定位监测站、卫星定位基准站的卫星信号以及传感器的信息量信号。

所述的系统，其中，所述传感器组具体包括：用于采集孔隙水压力的渗压计、用于采集地下水位的量水堰计、用于采集土压力变化的土压力计、用于采集应力应变的应变计以及用于采集倾斜变化的倾斜仪。

所述的系统，其中，所述控制器包括：北斗高精度定位接收存储模块、传感器数据接收存储模块、移动网络通讯模块、数据传输模块以及电源模块；

所述北斗高精度定位接收存储模块、传感器数据接收存储模块分别与所述卫星定位监测站、卫星定位基准站和传感器组连接；

所述移动网络通信模块通过所述数据传输模块与所述北斗高精度定位接收存储模块、传感器数据接收存储模块连接；所述电源模块用于向所述传感器组供电。

所述的系统，其中，所述移动网络通信模块包括：CDMA模块、GPRS模块、 3G模块或者4G模块。

所述的系统，其中，所述北斗高精度定位接收存储模块与所述卫星定位监测站、卫星定位基准站之间通过RS232串口连接。

有益效果：本实用新型提供的基于北斗的大坝安全监测系统，由于集成在同一个控制器上，卫星定位和多传感器采集的数据输入使系统在数据采集技术上更加完整和精准。系统可以全天时全天候作业，真正实现不间断持续监测，并且通过软件平台实现持续实时监测，并可做出安全预警。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于北斗的大坝安全监测系统的功能框图；

图2为本实用新型实施例提供的传感器组的结构框图；

图3为本实用新型实施例提供的控制器的结构框图。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于北斗的大坝安全监测系统。为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1为本实用新型实施例提供的大坝监测系统的功能模块框图。如图1所示，该系统可以包括：至少2个卫星定位监测站100、至少1个卫星定位基准站200、传感器组300以及控制器400。所述控制器400通过总线与所述卫星定位监测站100、卫星定位基准站200以及传感器组300连接，获取所述卫星定位监测站、卫星定位基准站的卫星信号以及传感器的信息量信号。

在本实施例中，所述卫星定位监测站100设置与大坝的坝体上。所述定位监测站上布设有北斗卫星天线用于接收北斗卫星观测数据。

一般的，在一座大坝上至少布设2个监测站，具体布设数量可根据监测大坝的类型与规模来确定。可选地，所述定位监测站可以采用一机双(多)天线的模式，也可采用一机单天线的模式。

在本实施例中，所述卫星定位基准站设置在所述坝体的邻近区域，例如距离大坝一定距离的某些特定区域，为定位监测站进行差分解算提供误差改正数据。

在实际的GNSS使用过程中，存在多种不同的因素影响GNSS的实时定位精度，包括卫星星历误差、大气延迟(电离层延迟、对流层延迟)误差和卫星的钟差等。这些误差从总体上讲有较好的空间相关性，因而相距不太远的两个测站在同一时间分别进行单点定位时，可以认为上述误差对两站的影响就大体相同。

基于上述假设，在基准站(已知坐标点)上配备一台GNSS接收机并和监测站一起进行GNSS观测，就能求得每个观测时刻由于上述误差而造成的影响。基准站通过数据通信链将求得的误差改正数及时发送给附近的监测站，监测站在施加上述改正数后，其定位精度就能大幅度提高。

对于那些因为建坝地址在较偏远山区而不能被地基增强站信号有效覆盖的情况，则需要在大坝附近新建北斗定位基准站。一般情况下，一座大坝需要有一个北斗定位参考站。

所述传感器组300是一个可以采集多数据源的传感器组，实现对于大坝坝体不同数据的采集或者传输。

如图2所示，所述传感器组300可以包括：若干种用于采集不同信息的传感器310、与所述传感器连接的信号调理电路320、微处理器330以及通信接口340。在一些实施例中，如图2所示，该传感器组还可以包括一个用于防雷的，由防雷元件组成的防雷电路350，保证数据通信信道的安全。

其中，所述微处理器330与所述信号调理电路320的信号输出端连接，并通过所述通信接口340，与控制器通过总线连接。可选地，该微处理器是全集成的高性能的8路12位数据采集系统。它在单个芯片内包含了高性能的自校准多通道ADC、两个12位的DAC转换器、8位MCU、片内8KB的闪速/电擦除 (Flash/EE)程序存储器，640Byte闪速/电擦除数据存储器以及256Byte数据 SRAM，均由可编程内核控制。

所述传感器310具体可以包括：用于采集孔隙水压力的渗压计、用于采集地下水位的量水堰计、用于采集土压力变化的土压力计、用于采集应力应变的应变计以及用于采集倾斜变化的倾斜仪等一种或者多种传感器。

该传感器组自身具有数据存储、逻辑运算判断、自诊断、自校准等多种高级功能，可靠性及安全性高。

具体的，如图3所示，所述控制器400具体可以包括：北斗高精度定位接收存储模块410、传感器数据接收存储模块420、移动网络通讯模块430、数据传输模块440以及电源模块450。

其中，所述电源模块450用于向所述传感器组供电，是系统正常运行的保障基础，为控制器中的各个模块提供所需电力。所述北斗高精度定位接收存储模块410用于接收北斗卫星信号，并对观测数据进行存储。传感器接收存储模块420用于接收和存储来自传感器组的传感器数据。

在一些实施例中，该模块410与北斗天线之间可以通过RS232串口连接，可支持同时接收最多4个北斗卫星天线的数据。另外，接收模块420还可以具有很强的可扩展性，除可接收上述提及的传感器参数外，还预留了100多个参数接口，方便其他传感器参数的接入。

所述移动网络通讯模块430用于确保数据传输模块的正常工作，使北斗高精度定位数据与多源传感器数据可以被实时传输至平台软件，具体的，所述移动网络通讯模块430可以是CDMA模块、GPRS模块、3G模块或者4G模块中的一种或者多种。

在实际操作使用过程中，可以首先在被监测大坝坝体上布设多个北斗卫星定位监测站，在监测站上安装北斗卫星天线。一般根据所监测的大坝类型以及规模来确定监测站数量，普遍情况下至少安装2个监测站，监测站越多监测数据越有价值。并且，在监测大坝附近建造北斗卫星基准站，对于处在已有北斗地基增强基准站有效覆盖范围内的地区，可以直接利用该区域内的这些基准站，为大坝安全监测差分解算提供差分改正数。

然后，由渗压计、量水堰计、土压力计、应变计、倾斜仪等多种智能传感设备组成的多数据源传感器组智能化采集与大坝安全监测相关的孔隙水压力、地下水位、土压力变化、应力应变、倾斜变化等信息。

最后，将各监测站、基准站，以及多数据源传感器组将采集数据传输至多源数据综合采集控制器。该多源数据综合采集控制器通过其内部的移动网络通讯模块(CDMA/GPRS/3G/4G)将数据传输到特定的监测平台软件进行解算与分析。

监测软件平台根据采集获得的原始数据，可以通过数据建模，结合数学与力学模型，对大坝的趋势性变形进行分析与预警，并以图像、表格、文字的形式，对监测结果进行实时展示。

综上所述，本实用新型提供的大坝监测系统，基于北斗高精度定位，实现多数据源的大坝安全监测，精度高、无需人工值守、可全天候全天时获取实时数据。其具有如下优势：

1、在数据采集技术上更加完整和精确：系统具有较高的数据采集频率， (半小时或更短时间采集一次数据)，人为的误差少。北斗高精度设备(监测站和基准站)叠加各种传感器相互校验，可靠性高，精度误差可达水平2-3毫米，高程4-6毫米。

2、全天时全天候作业，真正实现不间断持续监测：北斗用户可全天时全天候连续进行北斗定位测量，不受气候条件与时间的影响，大大提高了监测效率，减少了外业工作强度。

3、持续实时监测可做出安全预警：北斗接收机，它能自动跟踪并锁定卫星信号，自动实时地接收数据，而且还为用户预留了必要的接口，便于结合计算机技术建立无人值守的自动化监测系统，从而实现数据从采集、传输、处理、分析、报警到入库的自动化和实时化，这对于长期连续运行的变形监测系统具有十分重要的意义，缩短了观测周期，提高了响应能力。大坝安全历史数据有效积累，并可进行趋势分析，为全国或各城市的水库大坝状况评估和评判提供基础数据，可及时有效地做出预警判断。

4、观测站点间无须通视，点位选择更加灵活：利用北斗进行定位时，对测站间的通视情况不做要求，只要测站信号接收良好，点位易于保存即可，因此北斗监测网在选点时更加灵活、方便，避免了常规测量中观测过渡点和转点的工作量。

5、高精度三维定位：北斗卫星可同时精确测定测站点的平面位置和大地高，即一次性获得高精度的测站点的三维坐标，实现了监测时域、空域的严格统一，对进一步数据处理和变形分析具有重要作用。北斗高精度定位的精度可达到毫米级。

6、短时间内大面积覆盖：无需进行手工重复劳动，可以节省大量人力物力，短时间内实现大面积覆盖。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及本实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于北斗的大坝安全监测系统，其特征在于，包括：

至少2个卫星定位监测站，所述卫星定位监测站设置与大坝的坝体上；

至少1个卫星定位基准站；所述卫星定位基准站设置在所述坝体的邻近区域；

传感器组，所述传感器组包括：若干种用于采集不同信息的传感器、与所述传感器连接的信号调理电路、微处理器以及通信接口；

所述微处理器与所述信号调理电路的信号输出端连接，并通过所述通信接口，与控制器通过总线连接

以及控制器；所述控制器通过总线与所述卫星定位监测站、卫星定位基准站以及传感器组连接；获取所述卫星定位监测站、卫星定位基准站的卫星信号以及传感器的信息量信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器组具体包括：用于采集孔隙水压力的渗压计、用于采集地下水位的量水堰计、用于采集土压力变化的土压力计、用于采集应力应变的应变计以及用于采集倾斜变化的倾斜仪。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器包括：北斗高精度定位接收存储模块、传感器数据接收存储模块、移动网络通讯模块、数据传输模块以及电源模块；

所述北斗高精度定位接收存储模块、传感器数据接收存储模块分别与所述卫星定位监测站、卫星定位基准站和传感器组连接；

所述移动网络通信模块通过所述数据传输模块与所述北斗高精度定位接收存储模块、传感器数据接收存储模块连接；所述电源模块用于向所述传感器组供电。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述移动网络通信模块包括：CDMA模块、GPRS模块、3G模块或者4G模块。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述北斗高精度定位接收存储模块与所述卫星定位监测站、卫星定位基准站之间通过RS232串口连接。