GNSS自动化变形监测预警系统在水利枢纽安全监测中的应用.docx
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GNSS自动化变形监测预警系统在水利枢纽安全监测中的应用
科技项目立项申请书
项目名称：
GNSS自动化监测预警系统在水利枢纽安全监测中的应用
申请单位：
起止时间：
***年**月-***年**月
联系电话：
申请日期：
***有限公司
简表
项目名称
GNSS自动化监测预警系统在水利枢纽安全监测中的应用
申请单位
项目
负责人
姓名
工作单位
性别
年龄
专业
职称
项目分类
技术
研究
新技术
开发
引进
消化
成果
转化
技术
改造
施工
装备
科技
推广
产业
变革
项目组
人数
其中高级
中级
研究生
初级
协作单位
研究起止年月
项目经费
（万元）
其中
申请资助
自筹
其他
财政拨款
集团拨款
主要研发设备明细
名称
单价
数量
总价
折旧方法
折旧年限
接收机（含天线）
太阳能电池板、蓄电池、不间断电源
避雷针
避雷器
自动全站仪（含系统）
360°棱镜（与全站仪配套）
数据传输设施
数据处理及分析系统
预警系统
项目内容
、
意义和预期成果
1.项目内容
本课题采用高精度全球导航卫星系统（GNSS）定位技术、网络通信技术、太阳能（风能）供电技术，建立*变形的自动化监测系统，实现对*全天候、连续高精度的自动化监测。
通过对监测数据的分析，有效地掌握*状态及变化趋势，从而建立经验模型及预警阈值体系，达到“实时监测、有效管理、预警防范”的安全管理的目的，为*的安全稳定运行提供保障。
2.研究意义
在*区域建立GNSS自动化安全监测系统，实现*变形数据的自动采集、自动传输、自动解析，使运行管理人员能够全天候、自动化地实时监控*运行状态，便于后期*的运行管理，节省大量的人力、物力，可大幅度降低变形监测成本，提高监测资料的可靠性。
同时，利用实测的长期连续的GNSS监测数据，通过变形分析建立*监测点变形随水位等影响因素变化的经验模型，预测*变形趋势，预测变形值，并据此在自动化监测系统中设置预警阈值。
在实施监测的过程中，监测系统自动计算实测值与预测值的差值，在差值偏离阈值时自动报警，实现预警功能，为预防*失稳，提前采取有效措施提供了第一手宝贵资料，以减少生命财产损失，使水利枢纽发挥最大的社会效益。
3.预期成果
（1）*项目*安全监测实现全自动化，且具备分级自动预警功能；
（2）监测系统界面简洁、便于操作，且能全面反映*的变形情况；
（3）系统及数据采集设备、数据传输设备、供电及避雷设备能够长期稳定运行，数据精度满足要求，数据分析结果可靠；
（4）系统及设备便于维护。
（注：
逐条写清楚，细目不限，页数不限。
）
一、项目概况
1.1立项背景
*工程位于***河上，是一座高水头、长隧洞引水式水电站工程。
本工程地处地震高发区，且坝基河床段覆盖层较厚，存在粉砂层，地震易引发液化现象。
同时，因覆盖层物质组成杂乱、均一性差，地基土的压缩模量差异性较大，坝基存在不均匀沉降问题。
复杂的地质情况对*实施及后期安全运行均具有较大的挑战。
*变形监测可以直观反映*运行状态，大量的研究结果表明：
*出现异常，最初都是通过变形监测值发生异常反映出来的，因此，连续高精度的监测数据是*安全评估的重要数据支撑，对*安全稳定运行至关重要。
传统变形监测技术主要采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值，由于受到气候、坏境、安全等因素的制约，且外业工作量大，布点受地形条件影响，不能及时、准确、全方位的了解*安全相关数据，不易实现自动化监测。
基于GNSS技术的自动化变形监测系统具有以下优点：
（1）测站间无需保持通视，监测网的布设更为自由、方便，可省略许多中间过渡点，且不必建标，从而可节省大量的人力物力；
（2）可同时测定点的三维位移；
（3）全天候观测；
（4）易于实现全系统的自动化；
（5）可以获得mm级精度
基于以上优点，使GNSS定位技术在滑坡、*等变形监测中得到了广泛的应用，成为了一种新的有效的监测手段。
在**区域建立GNSS自动化安全监测系统，旨在为后期*的运行管理者提供连续的、真实可靠的变形监测数据，便于其实时监控*的运行状态及变化趋势。
该自动化监测系统具有可视化的界面，便于操作，信息丰富，且能够根据变形分析的趋势提前发布预警信息，使管理者第一时间采取有效措施控制变形向不利的方向发展，以减少生命财产损失，使水利枢纽发挥最大的社会效益。
1.2国内外相关概况、水平和发展趋势
GNSS（全球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。
正因为它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。
在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。
随着社会经济和科学技术的快速发展，为了更有效保障国家财产及人生安全，利用传统的变形监测手段越来越不能满足变形监测要求，这就迫切需要性能更可靠的设备来监测重要建筑物的形变。
目前，随着GNSS技术的不断成熟，GNSS自动化监测系统已经在桥梁、滑坡、建筑、地震、*等行业中应用并取得很好的效益。
GNSS自动化监测系统仪器以其卓越的性能受到业界专家的好评。
从国内外的有关研究和应用可以总结出GNSS是一个非常有效的监测技术，GNSS与其它传感器结合用于滑坡、*变形监测已形成了趋势。
目前GNSS在变形监测中的最高精度在毫米级，且能够数据自动传输、自动解算处理、监测结果图形演示及自动预警报警等。
GNSS技术用于桥梁等工程变形监测的手段已经被广泛的应用于世界各地。
例如：
英国Humber桥的GNSS监测系统、日本明石海峡大桥的GNSS监测系统、虎门大桥GNSS监测系统、青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的GNSS监测系统。
同时，开发的GNSS变形监测系统已在隔河岩*、山西西龙池水库、高坝州*、小湾拱坝、糯扎渡水电站、溪洛渡水电站等多个*、水库安全监测工程中应用，为保障*的安全运行发挥了重要作用。
1.3推广应用及市场前景
*失稳、溃坝等造成的危害是灾难性的，防灾减灾是人类社会面临的共同挑战。
开展灾害监测预警研究，建立灾害监测预警平台有着重要的现实意义。
GNSS变形监测系统可实时高精度测定滑坡体、*、矿体等的垂直和水平位移，且在潮湿、多粉尘、炎热或严寒的环境下也能长期正常运行，很大程度上提高了监测的连续性及可靠性，为及时灾害预警提供了坚实的技术支持与参考信息，具有十分广阔的应用前景。
在*枢纽中应用GNSS定位技术，建立*自动化安全监测预警系统，对提高*的安全监测水平具有一定的推动作用，为*其他类似工程提供技术参考。
1.4其它情况
暂无。
二、研究内容和目标
2.1研发主要内容
本课题主要应用GNSS全球定位技术，在*项目*区域建立自动化监测系统，主要研发内容如下：
（1）监测网络布置研究
根据《全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范》相关要求，建立基准站及监测站分布网络，保证接收卫星信号无障碍，且测点能够真实反应*的变形情况；
（2）数据采集及传输系统研究
结合项目实际情况，通过多方案对比，优选数据前端数据采集设备、数据自动传输通讯系统，保证数据接收和传输的连续性、可靠性；
（3）系统持续供电及避雷系统研究
根据项目供电方式及现场环境情况，确定供电系统及避雷系统，避免测站受到雷电危害；
（4）数据精度控制研究
研究影响GNSS测量精度的影响因素，制定有效的措施，消除和削弱误差，提高测量精度，使其满足相关规范要求；
建立人工监测装置，定期进行人工观察，并与同期的GNSS监测数据进行对比分析，以验证GNSS监测系统的可靠性，并定期对其进行校核；
（5）系统预警研究
利用长期连续的GNSS监测数据，结合其他监测数据，分析监测点变形的影响因素，并通过回归分析等算法建立经验模型，预测*的变形趋势及变形值，并据此在自动化监测系统中设置分级预警阈值，以达到预警的功能；
研究系统报警级别、报警内容、报警人员及报警方式。
（6）控制中心建设及可视化界面研究
编制控制中心建设方案。
为方便系统操作，根据运行管理者要求，建立可视化系统界面，便于直观显示*的变形情况；
2.2拟解决的关键技术问题、难点
本课题拟解决的关键技术问题及难点如下：
（1）精度控制
影响GNSS监测精度的因素较多，如：
天线相位中心不稳定引起的误差，多路径误差，对流层延迟误差，测量噪声和数据处理软件的误差等。
采取有效措施消除和削弱以上误差的影响，提供高精度的连续变形监测数据是本课题的关键技术问题；
（2）预警预报
通过回归分析法建立*变形经验模型，以预测*变形趋势；根据*结构特性和物理力学参数，建立分级预警阈值体系，用以监控建筑物的安全运行性态，从而达到预警功能，是本课题的又一个关键问题及难点。
2.3主要创新点
本课题主要创新点如下：
（1）在*水利枢纽中，首次引入GNSS定位技术，建立自动化安全监测系统，对提高*的安全监测水平具有一定的推动作用；
（2）该系统具有自动预警预报功能，能够通过短信息、电话方式或Email方式远程通讯报警，使各级管理人员时间掌握*变形信息，积极响应，规避经济财产损失。
2.4项目完成时需达到的技术指标和水平及考核指标
本GNSS自动化安全监测系统建成后，应具备和满足以下功能及要求：
（1）数据采集设备要求
数据水平方向的监测精度优于1mm，高程方向优于1.5mm。
有效数据损失率不大于3%；
采集装置年平均无故障工作时间不小于6300h；
④采集装置平均维修时间不大于2h；
⑤自动化系统采集的数据与同时同条件人工测读数据差值保持基本稳定，无趋势性变化，两者的差值应不大于2倍均方差；
⑥在被测量物理量基本不变的条件下，自动化系统采集数据采集装置连续15次的采集数据的中误差应达到设备技术指标
（2）数据分析和处理功能
系统可通过过程线、分布线、相关线等对监测数据进行图形化处理，显示的图形可无极缩放和平移，图形要素可编辑，图形可打印和以矢量图方式输出到常用办公软件；
系统可由用户定制表格，制作各类报表及任意时段的通用表格；
应具备数据自动备份和手动备份的功能
（3）状态判别及报警功能：
系统具备自动监测和诊断采集设备、电源、通信等硬件工作状态，对异常情况自动报警的功能；
具备自动检验测值是否超限，并进行报警的功能；
（4）系统维护及信息交换功能
系统应具有较好的长期稳定性
可对系统进行扩充或删减，不影响系统正常工作；
可对系统参数进行设置和调整；
可增减测点、更改测点属性和计算公式等；
可增减用户、更改口令和权限等；
可与其他系统进行信息交换或在系统中预留相应的接口。
（4）电源管理功能
电源能自动切换，具备掉电保护功能。
在外部电源突然中断时，保证数据和参数不丢失；
蓄电池能自动充电
2.5其他（对于部分研发内容委托外单位进行开发需明确各自的研发任务和分工）
暂无。
（注：
逐条写清楚，细目不限，页数不限。
）
三、拟采取的方法、措施和技术路线
3.1工作设想
在现有研究预期成果的基础上，可以进行以下扩展研究：
（1）外观自动化与内观自动化系统集成
本课题主要应用GNSS定位技术，进行*表观变形监测，即外观自动化监测系统。
为实现全面对*进行安全评价，仍需要大量的内观数据，如渗流、应力应变等，可建立内观自动化。
内观自动化和外观自动化系统联合其他水位、温度、强震监测系统及裂缝监测系统等，最终在监测中心站实现系统集成，形成较为完善的*安全监测自动化系统；
（2）测量机器人监测系统
本课题中建立了人工监测装置，用于对比校验GNSS自动监测系统数据的可靠性。
在现场条件允许的条件下，建立测量机器人监测系统，在监测墩强制对中盘和GNSS天线之间安装360°全向棱镜。
安装时将360°全向棱镜安装在强制对中盘上，GNSS天线通过不锈钢支架固定在监测墩上，安装后保证360°棱镜的中心、GNSS天线中心、不锈钢支架中心在同一垂线上，以便GNSS监测系统和测量机器人能同时对监测点进行自动化监测，实现数据相互印证和对比，同时，能够规避因卫星信号受干扰影响监测资料的连续性的风险。
（3）*、库区及溢洪道边坡联合监测自动化
考虑到主合同要求及课题资金投入，本课题主要针对*进行自动化监测，库区及溢洪道边坡等均采用常规监测手段。
为进一步加强自动化程度，可在溢洪道边坡及库区边坡建立GNSS监测点，实现全部首部区域永久变形监测项目自动化监测。
3.2科技项目的研究方法和技术路线
本课题主要引进GNSS定位技术，建立*项目*的自动化安全监测预警系统，研究技术路线如下：
（1）研究GNSS自动化监测系统应用的工程实例及相关规范，分析总结基准站和监测站的布设要求，建立测站分布网络；
（2）结合项目实际需求及现场环境，对比各设备性能、技术指标等参数，优选数据接收机及天线圈；
（3）充分了解当地网络运营商情况，结合自动化监测系统数据传输要求，确定通讯方式；
（4）充分分析雷电对设备精度及通讯线路的影响，有针对性的研究避雷系统，形成直击雷和感应雷防护方案；
（5）考虑*当地电网的供电情况，研究自动化监测系统的供电方式，在满足持续供电的基础上，最大程度降低后期维护难度及成本；
（6）研究影响GNSS测量精度的影响因素，制定有效的措施，消除和削弱误差，提高测量精度，使其满足相关规范要求；
（7）建立人工监测系统，与GNSS自动监测系统形成对比；
（8）利用长期连续的GNSS监测数据，结合其他监测数据，分析监测点变形的影响因素，并通过回归分析等算法建立经验模型;根据*结构特性和物理力学参数，建立分级预警阈值体系，从而确定预警级别、报警方式等；
（9）根据*运行管理要求，编制控制中心建设方案及后期系统维护方案。
（注：
逐条写清楚，细目不限，页数不限。
）
四、危险源辨识、风险评价及拟采取的措施
4.1危险源辨识、风险评价
本课题较为安全，实施过程中主要存在以下风险源：
（1）在安装供电系统时，避免触电；
（2）在埋设观测墩时，注意防止高空坠落。
4.2拟采取的措施：
（1）制定全面详细的实施方案，并安排有经验的人员安装线路;
（2）临空作业面设置安全防护栏杆等安全防护装置，防止高空坠落。
五、环境因素识别、风险评价及拟采取的措施
5.1环境因素识别、风险评价：
本课题的研究是防灾减灾的一种有效手段，对周围环境无污染。
5.2拟采取的措施：
无。
六、现有研发条件和工作基础
6.1、过去的研究、工作基础
**项目合作单位*试验检测有限公司参与了***水电站库区滑坡GNSS自动监测系统的建设。
目前，该系统仍在实施的过程中。
6.2、现有的主要仪器设备
现无GNSS自动监测相关设备，拟新购设备。
6.3、研究技术人员及协作条件
本课题技术研发团队共13人，项目负责人为*项目部技术总监，教授级高工，经验丰富，曾获得过多项科技进步奖，多项工法和专利，其他人员涉及到技术、商务、设备物资、财务等方面的管理人员。
协作单位专业从事试验检测及安全监测工作，同时具有GNSS自动化监测技术基础。
整个团队技术力量较强，具备科研攻关本课题的能力。
6.4、各种渠道经费情况及金额等
本课题总投资*万，其中集团拨款*万、公司自筹*万。
6.5、其它条件说明
无。
（注：
逐条写清楚，细目不限，页数不限。
）
七、进度计划及阶段成果
进度计划及阶段成果
年度
〔*年11月—*年5月〕
计划研究内容：
（1）项目可行研究，确定技术路线；
（2）项目科技查新；
（3）项目设备采购，实施准备。
阶段成果：
（1）项目科技查新报告；
（2）项目实施前资料准备、设备准备。
〔*年6月—*年6月〕
计划研究内容：
（1）建立测站分布网络;
（2）完成设备选型;
（3）确定通讯、供电及避雷方案；
阶段成果：
（1）基准站及监测站平面布置图；
（2）设备比选及采购方案；
（3）数据通讯、供电系统及避雷系统比选及采购方案；
（4）自动化监测系统实施方案（土建及设备安装）
〔*年7月—*年6月〕
研究内容：
（1）建立控制中心；
（2）系统调试，与人工测量装置对比，校准数据；
（3）进行回归分析，建立*变形经验模型，实现预警预报功能
阶段成果：
（1）控制中心建设方案
（2）预警系统研究报告
（3）系统运行维护操作手册及培训方案
注：
按年度逐条写清楚，条目不限，页数不限。
研究内容和阶段成果要具体、明确。
八、经费预算（万元）
申报经费投入预算
详细预算书
科目
预算数
科目
预算数
拨款
单位
自筹款
合计
预算合计
预算合计
一、国家拨款
一、人员费
二、地方政府拨款
二、设备费
三、上级单位拨款
三、材料费
四、单位自筹款
四、测试化验加工费
五、银行贷款
五、燃料动力费
六、其他来源
六、差旅费
七、会议费
八、国际合作与交流费
九、出版/文献、信息传播、知识产权事务
十、专家咨询费
十一、管理费
注：
逐条写清楚，条目不限，页数不限。
详细预算书计算过程附页。
项目经费预算计算书
一、人员费：
*万元
研究开发过程中支付给没有工资性收入的相关人员（在校博士、硕士生）和临时聘用人员等的劳务性费用。
支付参加课题研究的硕（博）士生的劳务费：
按*人计，每月补助*元，有效研究时间按共*个月计，总费用为：
*万元。
二、设备费：
*万元
（1）接收机（含天线）：
按每套*万元计，预计共*台，按折旧计算，预计成本*万。
（2）太阳能电池板、蓄电池、不间断电源：
按每套*万元计，预计共*套，按折旧计算，预计成本*万。
（3）避雷针、避雷器：
按每套*万计，预计共*套，预计成本*万。
（4）自动全站仪（含系统）：
按每台*万计，预计*台，按折旧计算，预计成本*万。
（5）360度棱镜：
按每台*万计，预计*台，预计成本*万。
（6）数据传输设施：
按每台*万计，预计*台，预计成本*万。
（7）数据处理及分析系统按每台*万计，预计*台，预计成本*万。
（8）预警系统：
按每台*万计，预计*台，预计成本*万。
（9）其他不可预计零星设备：
*万。
三、材料费：
*万元
包括生产辅材（*万）、试验材料（*万）和劳保（*万）等，预计*万。
四、测试化验加工费：
*万元
（1）实验器材采购：
*万元
（2）现场控制：
*万元
（3）实验室研究：
*万元
五、燃料动力费：
*万元
主要包括设备、交通汽车和电力消耗，预计共*万元。
六、差旅费：
*万元
按每人每次*万元计，每次*人，预计共*次，共*万元。
七、会议费：
*万元
包括技术研讨、成果总结和评审等，预计*次，每次*万，共*万元。
八、国际合作与交流费：
*万元
预计共*万元。
九、出版/文献、信息传播、知识产权事务：
*万元
论文投稿、专利申报和登记、国内外查新等约*万。
十、专家咨询费：
*万元
研究开发过程中，聘请各种层次的咨询专家，就课题的研究阶段性成果以及关键技术应用等开展技术咨询。
专家咨询按*万元/人/次计，共计*万元。
十一、管理费：
*万元
日常管理费用总共*万元。
九、项目组负责人及研究人员
序号
姓名
性别
身份证号
年龄
学历
所学专业
现从事专业
职称
部门
在本项目中承担工作
联系电话
1
采矿工程
技术管理
总负责
2
经济管理
生产管理
生产管理
3
水利工程
水利工程
组织协调
4
工程管理
水利工程
组织协调
5
信息管理
科技管理
成果管理
6
工程管理
水利工程
项目实施
7
水利工程
水利工程
项目实施
8
地质工程
水利工程
项目实施
9
矿物学、岩石学、矿床学
工程地质
项目实施
10
建筑与土木工程
水利工程
项目实施
11
水文地质与工程地质
安全监测
技术指导
12
水利水电工程
试验监测
项目实施
13
水利水电建筑工程
安全监测
项目实施
（注：
逐项填写，页数不限。
）
十、申请单位审查意见
申请单位预审意见：
单位领导（签字）：
单位（公章）年月日
十一、协作单位意见
协作单位意见：
单位领导（签字）：
单位（公章）年月日
注：
协作单位逐家填写，页数不限。
十二、专家（组）审查意见：
签字：
年月日
十三、公司科技信息部复审意见：
领导（签字）：
（公章）年月日
升级会员 