华测自动化监测方案.docx
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华测自动化监测方案
大坝表面位移自动化监测系统设计
编写单位：
上海华测导航技术股份有限公司
编写人员：
冯昌莹
编制单位：
上海华测导航技术股份有限公司
编制日期：
2013年6月
第一章华测简介4
1.1公司及系统集成事业部简介4
第二章水库基础资料6
2.1工程设计概况6
2.2监测内容6
第三章华测自动化监测系统优势及部分案例7
3.1华测自动化变形监测优势7
3.2部分案例介绍8
3.3华测部分案例清单11
第四章水库在线监测系统整体设计14
4.1设计依据14
4.2系统建设整体目标及技术14
4.2.1系统功能目标14
4.2.2基本性能指标15
4.2.3监测系统精度指标16
4.2.4在线监测系统软件16
4.3系统主要监测项16
4.4系统报警设计16
第五章水库大坝自动化监测系统详细设计18
5.1坝体地表变形位移测量设计18
5.1.1监测原理18
5.1.2总体设计18
5.1.3设备选型18
5.1.4数据通讯20
5.1.5防雷设计21
5.1.6施工安装23
5.1.7GPS数据调试25
5.6配电系统设计26
5.7监控站设计26
5.7.1监控室环境26
5.7.2监控中心平面布置图28
5.7.3监控室设备配置29
5.7.4监控中心平台软件30
5.8防盗设计35
第六章售后服务36
6.1服务条例36
附图1：
GPS观测墩设计图39
附图2：
避雷网设计图41
第一章华测简介
1.1公司及系统集成事业部简介
创建于2003年，总部设在上海。
以GNSS核心技术研发为基础，以测量、安全、物联网、云为应用方向的民营高科技企业，现有员工600多人，遍布全国，拥有博士、硕士为主的100多人研发团队。
公司从成立之初，就致力于GNSS核心技术的研发，立志成为GNSS研发和应用的领先者与创造者。
销售服务网络（技术力量）：
目前华测在全国有三十多个省级服务中心或代理机构
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系统集成事业部
负责全国范围内的形变监测项目的营销、施工建设和维护工作。
成立以来，经过调整改革已建立起完善的管理体系、考核体系、人才培养机制。
目前业务的主要方向为水利水电、地灾监测、矿山监测、桥梁监测、车辆调度、铁路监测等。
部门成立于2005年，最先开始桥梁监测—江苏润扬大桥，在06-13年行业逐渐扩充为水利水电、地灾、矿山等行业，并在这些行业取得了主要的市场份额。
部门现有100余人。
技术人员50多人，遍布全国的办事处服务机构，提供优质、可靠的服务。
第二章水库基础资料
2.1工程设计概况
鹊山水库位于济南市天桥区黄河北岸济南段北展区末端，占地7．4平方公里，库围坝长11．6公里，总库容量4600万立方米，1998年10月5日奠基。
工程设计由大王庙引黄闸取水后经一号泵站提水送入沉沙条渠，黄河水在条渠沉沙后，经地下输水涵洞至2号泵站提水或自流入库。
库水经3号泵站提水，通过10余公里的内经1．8米的输水管道送至黄河南案的沙王庄水厂。
该水厂日生产能力40万立方米，鹊山调蓄水库蓄水，可保证在黄河断水100天的情况下不间断供水。
2.2监测内容
鹊山水库此次自动化监测包含表面位移监测。
传输方式：
GPRS模块传输。
供电方式：
太阳能。
监测项目
仪器选型，布点方案
表面位移
使用华测X300M，1个参考站加12个监测点，分布在坝体坝顶，间隔1公里
第三章华测自动化监测系统优势及部分案例
3.1华测自动化变形监测优势
3.1.1丰富的项目经验
1、是目前涉及行业最多的企业。
涉及领域包括水利水电、桥梁、矿山、地质灾害、城市沉降、气象监测、车辆调度、城市监测平台等。
2、项目过亿。
3、是进入水利行业最早的GPS厂家。
4、现有项目实施人员50余人，可同时实施10个项目。
5、标准化的施工。
极大的提高了施工的质量，缩短了施工周期。
6、多项专利技术及软件着作权。
3.1.2灵活的系统解决方案
1、集成各种传感器：
GPS、测斜仪、渗压计、裂缝计、量水堰、土压力计、气象仪等。
2、多种传输方式：
光纤传输、无线网桥、GPRS。
3、多种供电方式：
市电、太阳能供电、风光互补。
3.1.3专业的软硬件设备
1、专业变形监测数据处理软件GPSensor，国内首创，运用Kalman滤波三差解算法，颠覆了传统的GPS解算方法，既满足了实时、准实时解算需求，有极大的提高了系统监测精度。
2、国内首家手机监测客户端，做到实时查看数据。
3、报警形式多样：
声光报警、短信报警、邮件报警。
4、专业GPS监测接收机，针对变形监测特点，在传统接收机的基础上进行改进，能够在各种环境条件下连续工作，内置2000伏光电隔离，极大的提高了系统可靠性。
5、传感器针对本项目使用葛南国产品牌，在国内市场占据较大份额，设备经受了无数次项目的考验，经久耐用。
6、一体化机柜：
串口服务器、GPS主机、避雷器、供电、传输一体化。
3.1.4优质的售后服务和技术支持
1、遍布全国的售后服务机构。
30个售后服务机构，山东济南有办事处机构
2、定期实时远程监测、模拟现场指导，及时发现问题，及时解决
3、24小时全天候免费电话服务
4、48小时紧急事态现场服务
5、终身提供免费软件升级服务
（详细售后服务方案请见第六章）
3.2部分案例介绍
3.2.1三亚大隆水库自动化监测系统介绍
大隆水库位于三亚市西部的宁远河中下游河段，是宁远河流域规划开发的大二型水利工程，也是海南省南部水资源调配的重点工程。
工程以防洪、供水、灌溉为主，兼有发电效益。
水库设计总库容4.68亿立方米，正常蓄水位70米，正常库容3.93亿立方米，防洪库容1.48亿立方米，为多年调节水库，于2008年8月全面竣工并交付使用。
我公司于2012年对大隆水库大坝实施了自动化监测施工，大坝表面位移监测共设11个监测点，2个基准站，平面布点图如下：
孔隙压力监测点共布置4个，监测贴坡排水体下游坝基孔隙压力分布情况、坝基灌浆帷幕及混凝土防渗墙防渗效果，并与大坝表面变形监测成果相互印证，评价大坝安全状态。
纵断面图如下：
现场GPS观测墩照片如下：
3.2.2拉西瓦水电站自动化监测系统介绍
拉西瓦水电站位于青海省境内的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段规划的第二座大型梯级电站
我公司于2010年对该水电站实施自动化监测系统施工，本监测区共包括5个滑坡断面，分别为2号梁、3号梁、4号梁、5号梁和双黄梁。
目前整个果卜变形体共布置20个GPS自动化监测点，每个梁体分布四个监测点，在后部山体布有2个GPS基站点。
本系统采用多项国内领先技术，在野外恶劣的自然环境条件下，系统能够24小时不间断的采集和传输数据，GPS数据源可靠，满足监测部门各项技术要求和指标，为分析、解读滑坡体变形趋势，各级报警提供了有效的数据依据。
GPS平面布置图如下：
现场照片如下：
3.3华测部分案例清单
分类
项目名称
地点
实施时间
水利水电
大隆水库大坝
海南三亚
2012.8
丁家沟水库大坝
陕西
拉西瓦水电站
青海
2010.10
苗家坝水电站
甘肃白龙江
2010.9
卡拉水电站
四川凉山州
2012.8
福堂水电站
成都
2011.3
楞古水电站
雅砻江
2011.6
尾矿库
琅琊山尾矿库
安徽滁州
2010.5
云浮硫铁矿尾矿库
广州云浮市
2009.6
鑫茂尾矿库
攀枝花
2010.11
钰凌尾矿库
攀枝花
2010.6
河南嵩县尾矿库
河南嵩县
2011.4
龙门尾矿库
栾川
2011.3
七里坪尾矿库
洛宁
2011.6
卢氏尾矿库
河南
2011.4
科铭尾矿库
河南
2011.5
天水尾矿库
丹东测控
2011.4
怀来宏达尾矿库
河北张家口
2011.6
内蒙宏大尾矿库
内蒙赤峰
2011.8
夹皮沟尾矿库
吉林市桦甸
2011.9
唐山首钢尾矿库
唐山
2011.6
歪头山尾矿库
丹东测控
2011.4
地灾
甘肃舟曲地灾
甘肃舟曲
2012.6
新昌地灾
浙江省绍兴
2010.4
秭归地灾
湖北宜昌
2011.9
马大岭地灾
贵州都匀市
2012.3
奉节地灾
重庆
2010.4
籍塘地灾
重庆
2012.6
桥梁
东海大桥
上海
2006.5
闵浦大桥
上海
2010.7
闵浦二桥
上海
2010.9
长江隧桥
上海
2008.8
南京长江四桥
江苏南京
2012.3
宁波五路四桥
浙江宁波
2011.6
铜陵长江大桥
安徽铜陵
2011.4
青岛海湾大桥
山东青岛
2011.7
沪蓉西高速公路
湖北
2011.8
润扬大桥
江苏镇江扬州
2011.9
采空区，排土场
姚孟电厂灰场
河南平顶山
2011.8
丰鹤电厂灰库监测
河南鹤壁
2010.6
西郝庄沉降监测
河北邢台
2010.4
双鸭山铁矿采空区沉降监测
双鸭山
2012.6
德兴煤矿采空区沉降监测
贵州大方
2012.7
小龙潭排土场
云南红河州
2011.4
达连河排土场
哈尔滨
2011.5
黑岱沟排土场
鄂尔多斯准格尔旗
2010.8
大唐排土场
锡林浩特
2011.9
六大系统
金源项目
洛阳市嵩县
2011.4
海沟项目
吉林省延边朝鲜族自治州
2011.6
第四章水库在线监测系统整体设计
4.1设计依据
（1）《土石坝安全监测技术规范》SL551-2012；
（2）《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》SL268-2001；
（3）《平原水库工程设计规范》DB37/1342-2009，山东省地方标准；
（4）《水利水电工程测量规范》（SL197-97）；
（5）《国家一、二等水准测量规范》（GB12897-91）；
（6）《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009；
（7）大坝安全监测仪器安装标准SL531-2012（中华人民共和国水利行业标准）；
（8）《水利水电工程钻探规程》SL291-2003；
（9）《通信局站雷电过电压保护工程设计规范》YD/T5098-2005；
（10）《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010；
（11）《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004；
（12）《建筑物电气装置过电压保护电器》GB16895.22－2004；
（13）《电子计算机房设计规范》（GB50174-2008）；
4.2系统建设整体目标及技术
4.2.1系统功能目标
Ø自动化监控功能
系统能够实现监测数据自动采集、传输、存储、处理分析及综合预警，并具备在各种气候条件下实现适时监测的能力。
Ø远程在线查看功能
企业各级水库安全管理职能部门可以通过网络实现对水库各项在线监测参数的查看；
Ø在线分析功能
安全监测管理分析模块应具备基础资料管理、各项监测内容适时显示发布、图形报表制作、数据分析、综合预警等功能。
其中数据分析部分应包括各项监测内容趋势分析、综合过程线分析等内容。
Ø预报警功能
通过软件对监测参数的实时在线分析，一旦监控参数超限，系统能够进行声光报警、短信报警、邮件报警。
提醒相关人员采取措施，预防溃坝事故发生。
Ø权限管理功能
根据各级权限，各级监管部门可以不受时间和地点限制，只要登陆网络，即可实现对水库的远程督导和检查。
Ø应急救援保障功能
通过水库基础资料、应急预案、现场视频，为应急救援指挥提供技术保障。
Ø系统具有扩展功能
系统在硬件配置及软件设计时应充分考虑随着堆积坝的增高，增加监测点后传感器的接入
4.2.2基本性能指标
Ø巡测采样时间小于10分钟，可以由用户人为设定；
Ø测量周期为l0分钟~30天，可调；
Ø监控中心环境温度保持在20°C~30°C，湿度保持不大于85％；
Ø系统工作电压为220（1±l0％）V；
Ø系统故障率不大于5％；
Ø防雷电感应不小于2000V；
Ø采集装置测量范围满足被测对象有效工作范围的要求；
Ø数据采集装置，能适应应答式和自报式两种方式，按设定的方式自动进行定时测量，接收命令进行选点、巡回检测及定时检测；
Ø计算机系统，与数据采集装置连接在一起的监控主机和监测中心的管理计算机配置应满足在线监测系统的要求，并应配置必要的外部设备；
Ø数据通信，数据采集装置和监控主机之间可采用有线网络通讯，水库安全监测站或网络工作组应根据要求提供网络通信接口。
4.2.3监测系统精度指标
Ø表面位移：
水平位移2-3mm，垂直误差3-5mm；
4.2.4在线监测系统软件
水库监测监控平台软件具备专业性和集成性、GPS数据、以及传感器数据监测预警功能在同一系统内实现。
4.3系统主要监测项
本监测项包括：
Ø表面位移监测：
坝体表面位移；
4.4系统报警设计
（1）设计思路
通过软件对监测参数的定量分析，当监测参数超限时系统会自动报警，提醒相关人员采取措施，避免安全态继续向危险状态演变，从而达到消除事故隐患的目的。
报警系统按三级报警状态设计。
报警级别
报警告知部门和人员
告警方式
备注
1级报警
库区值班室值班人员、安环部主管
手机短信、邮件、声音报警
可以结合本水库管理局安全管理组织体系，通过软件预设系统告警人员，按软件提示，录入告警人员的部门、职务、姓名、邮箱、手机号码即可。
2级报警
库区值班室值班人员、安环部主管、企业主管副总、总工、总经理
手机短信、邮件
3级报警
库区值班室值班人员、安环部主管、企业主管副总、总工、总经理、政府主管部门监管人员
手机短信、邮件
表4-1报警级别分类表
报警阀值设定需根据监测变形量及业主、设计单位多方商谈确定。
第五章水库大坝自动化监测系统详细设计
本次自动化安全监测系统具备如下监测手段：
1）坝体表面位移监测；
5.1坝体地表变形位移测量设计
5.1.1监测原理
监测原理
本系统采用GPS自动化监测方式对坝体表面位移进行实时自动化监测，其工作原理为：
各GPS监测点与参考点接收机实时接收GPS信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，控制中心服务器GPS数据处理软件GPSensor实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警。
GPS表面位移监测的误差水平为±2mm，高程方向为±3mm。
注：
GPS表面位移点均可以和当地的坐标系进行联测，所有监测点的坐标均可以转换为当地坐标。
5.1.2总体设计
监测项目
仪器选型，布点方案
表面位移
使用华测X300M，1个参考站加12个监测点，分布在坝体坝顶，间隔1公里
5.1.3设备选型
根据系统的实际情况及所要达到的技术指标，并参照《全球定位导航系统测量规范》，水库坝体表面位移监测系统选择华测X300M监测专用接收机和配套天线罩。
1）X300M接收机
X300MGPS是一款技术先进、简单易用、性价比高的监测专业接收机，其坚固的外型结构和通用的技术性能适合在任何情况下长时间连续工作。
X300M与大地测量型天线设备集成在一起，并配合核心解算软件，能够最大限度地满足水库大坝、滑坡体、尾矿坝、沉降等变形监测的需要。
图5-1X300MGNSS接收机
主要特点：
◆各外置端口采用2000伏光电隔离
◆水平精度2mm+1ppm
◆垂直精度3mm+1ppm
◆可靠性>99.9%
◆远程控制
◆内置UPS服务器实现断电保护功能
◆接口防雷设计，整机工业级标准
2）GPS天线罩
GPS天线罩针对GPS工作频段（1575±25MHz）采用华测定制产品。
图5-2华测GPS天线罩
产品特性：
◆防酸、防盐雾、防紫外线、耐冲击
◆防腐,抗老化性能佳,寿命长
◆电绝缘性佳,透波性强，达到99%以上
◆在高温,低寒等恶劣环境中使用性能更加突出
5.1.4数据通讯
GPS设备输入输出数据均为数字信号，由GPRS模块传输至值班室监控中心服务器，提高了数据传输的安全性和可靠性。
图5-3表面位移GPS监测拓扑图
5.1.5防雷设计
坝体表面位移监测系统采用避雷针进行直击雷防护，使用单项电源避雷器、通讯电缆防雷器实现对感应雷的防护。
（1）直接雷电防护
具体避雷方式要求避雷针与被保护物体横向距离不小于3m，避雷针高度按照“滚球法”确定，粗略计算即可。
图5-4直击雷预防示意图
避雷针选用四川中光ZGZ-200-2.1型号避雷针：
图5-5避雷针
技术参数
⏹雷电通流容量kA：
200
⏹电阻Ω：
≤1
⏹高度m：
2.1
⏹质量kg：
4.8
⏹最大抗风强度m/s：
40
⏹安装尺寸mm：
φ70±0.26
（2）感应雷电防护
1）电源防雷保护
采用金属机柜屏蔽感应雷，电源部分加装防雷插座和单项电源避雷器。
图5-6单项电源避雷器
2）通讯线路防雷保护
在通信线路两端分别加装防雷器，一端靠近传感器，避免由于感应雷造成的电流对传感器的损害；另一个防雷器尽量靠近数据处理设备。
避雷器的接地端与避雷网连接，连接处采用涂抹防锈漆等手段保证导电，接地电阻不大于4欧姆。
避雷器存在一定的插入损耗，对于数据信号的强度造成了一定的影响，我们根据实际情况增加信号放大器等相关设备。
图5-7通讯线路防雷器
（3）接地网
地网的建设选用4根50×50×5mm热镀锌角钢为垂直地极L=2.5米，以40×4mm热镀锌扁钢互连，地极埋地深度>0.7米。
避雷针基座为500×500×60mm钢筋混凝土，由地网引两根40×4mm热镀锌扁钢与基座连接（连接处必须为焊接）。
接地电阻小于10欧姆。
5.1.6施工安装
1.在选定地址开挖到冻土层（根据当地情况确定）以下，具体施工严格按照图纸（见附图2GPS观测墩设计图纸）和规范要求施工。
1）观测墩采用现浇混凝土加300mm高强度PVC套管施工工艺，混凝土强度等级C30。
主筋最小砼保护层厚度为30mm。
搅拌现场必须配有合格的称量器具,严格按照设计配合比下料。
2）水泥要求：
普通硅酸盐水泥，强度等级P.O42.5；5～40mm级配良好的石子，中砂，水须采用饮用水。
根据施工情况混凝土需加拌外加剂如：
早强剂、防冻剂、引气剂等，质量必须合格，不得使用含氯盐的外加剂。
3）考虑到耐久性要求，混凝土按C30强度设计，根据以往施工经验，推荐以下配合比：
材料名称
水
水泥
中砂
石子（最大粒径40mm）
单位
kg
Kg
kg
kg
用量
180
300
600
1226
单位
m3
m3
m3
m3
用量
0.18
0.30
0.44
0.82
表5-1每立方米混凝土材料参考用量表
图5-8观测墩施工示意图
注：
上述配合比是根据以往施工经验编写的，仅供参考。
如手边有质监部门提供的C30混凝土配合比，可以采用。
4）拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下，平均气温在0℃以上时，拆模时间不得少于12h。
2.钢筋的加工、连接及安装应按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》标准进行施工；
1）底座框架的尺寸为：
高0.5m，1.2m见方的长方体，底座钢筋笼为两层结构，间距为为30cm。
钢筋尺寸为国标12#螺纹钢。
2）立柱钢筋结构为四根竖筋，利用圆钢进行捆绑。
捆绑箍间距为30cm。
其中竖筋为国标12#螺纹钢，箍筋为国标8#圆钢。
钢筋的长度根据圆柱高度现场确定。
3）浇筑前要在钢筋笼内合适的位置预埋直径不小于25mm的PVC管，用于后期布设GPS天线电线。
4）立柱浇筑结束时要安装强制对中标志，并严格整平；立柱外表要保持清洁，并且预埋PVC管要贯通。
5）立柱浇筑一周时间凝固后，进行GPS和机柜的安装。
为了防雨淋、日晒，防风，延长天线使用寿命，双频天线的保护罩采用华测生产的全封闭式GPS专用天线罩,天线罩还有防盗、透过率高等优势。
6）观测墩顶部装强制对中器，顶端加工有5/8英制螺旋以固定GPS天线，天线柱下端通过螺栓与GPS天线底座牢固连接，GPS天线底座要确保整个天线安装装置与观测墩形成一个整体。
安装时，考虑天线对空通视的要求、天线安放稳定性、天线维护便利性、外观美观性等因素。
同时观测墩中心预留走线孔。
7）在机柜中，按数据传输路径，分别安装天线转换器、GPS接收机、串口服务器等。
供电电源一并引入机柜，并且强电弱电隔离布线，整洁美观，便于维护。
机柜下端预留通线孔，供电源数据线的接入。
机柜距离地面宜≥30cm。
固定螺钉应拧紧，不得产生松动现象。
外加防护警告装置，避免非工作人员破坏。
图5-9设备安装示意图
图5-10监测站设备安装
5.1.7GPS数据调试
选取点位稳定、交通方便的3～5个Ⅰ级GPS基准点与全国3～5个GPS卫星跟踪站进行了联测，并获得在国际地球参考框架ITRF坐标系中的空间直角坐标（X、Y、Z）及在WGS-84椭球上的（B、L、H）坐标）。
采集的Ⅰ级基准点观测数据用IGS的精密星历和专业的GPS后处理软件进行基线向量解算，并采用GPS-NET软件进行网平差，求得基准点的坐标成果。
GPS监测软件系统总体分为数据处理模块、数据传输与储存模块、数据分析模块，是GPS自动化监测系统的核心组成部分，相互独立又紧密关联与配合，而且所有操作均可提前设定后交由GPS接收机独立测量并记录观测数据。
监测原始观测数据进入处理服务器后，数据处理软件（GPSensor）完成自动解算、平差等工作，数据分析和显示功能实现监测变形统计，并对数据进行评估和预警。
数据处理完成的同时将原始数据和解算结果存储到数据库，数据分析得到的预警信息、以及时间信息、仪器状态等存储到数据库，数据库也为分析模块提供历史监测数据等信息供调用。
5.6配电系统设计
各监测设备统一采用太阳能供电，配备100W太阳能板、100AH蓄电池
各监测设备供电走线方式尽量利用现有资源，各设备的电源部分还需要加装空气开关。
控制室采用UPS不间断电源供电，同时能够提供子系统在突然断电时使用几个小时。
图5-22系统供电示意图
5.7监控站设计
控制中心机房安装在库区值班室内。
中心机房建设按照国家相关规范设计施工。
主要设备有电视大屏、监测结果显示终端、服务器群、网络设备、UPS电源、软件管理平台、报警装置、防雷接地系统及辅助设备等。
中心平台对各系统所采集的数据、预静信息、处理结果等自动存储备份。
中心机房环境温度保持在20℃～30℃，湿度保持不大于85％。
系统工作电压为220（1±10％）V。
5.7.1监控室环境
（1）机房供配电、UPS系统及照明系统
该系统主要包括：
UPS及供电系统、设备供电插座、辅助电源插座、市电照明。
机房配电系统采用50Hz、220/380V电源，采用放射式和树干式相结合的方式。
机房市电电源从大楼配电房经电缆井引入，选用阻燃电缆，电缆截面70mm2。
机房采用三相五线制TN-S供电系统，电压为380/220V，单相负荷均匀分配在三相线路
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