АО «ПРИН»
8 800 222 34 91

Номера телефонов ПРИН

Бесплатный
Москва
Санкт-Петербург
Краснодар
Екатеринбург
Тюмень
Новосибирск
Красноярск
Хабаровск
Владивосток
0

Оценка возможности мониторинга состояния сооружений на основе ГНСС сетей реального времени

09 ноября 2009
 

Гэвин Шрок (Gavin Schrock, PLS)1

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатация водохранилищ и крупных системам водоснабжения требует использования точного и высоконадёжного мониторинга состояния сооружений. Государственное предприятие "Коммунальное хозяйство Сиэтла" (Seattle Public Utilities, SPU) обеспечивает снабжение питьевой водой (напрямую и через большое количество подрядчиков) большей доли населения штата Вашингтон, а также утилизацию твёрдых отходов и управление использованием поверхностных вод.

Реализованная предприятием SPU на настоящий момент система мониторинга позволила существенно уменьшить эксплуатационные расходы за счёт применения оборудования высокоточной привязки и мониторинга GPS2/ГНСС3 на принадлежащей государству плотине водохранилища. Под управлением SPU также находится опорная сеть штата Вашингтон (Washington State Reference Network, WSRN)4, государственно-частное предприятие, объединяющее в сеть более 95 приёмников ГНСС и обеспечивающее возможность дифференциального местоопределения с миллиметровыми точностями.

При реализации пилотного проекта были исследованы многочисленные варианты спутникового местоопределения и мониторинга, обеспечивающие уменьшение издержек и доказавшие пригодность к использованию в качестве средств объективного контроля за состоянием сооружений, как в процессе штатной эксплуатации, так и при возникновении чрезвычайных ситуаций. Протестированные решения могут быть использованы в качестве дополнения к традиционным методам контроля состояния сооружений, а в ряде случаев и заменить их.

Протестированные решения усиливают степень целостности, обеспечиваемой сетью референцных станций WSRN, и выполнены в виде дополнительных модулей программного обеспечения Trimble Integrity Manager, используемого в качестве управляющего программного обеспечения сети ГНСС референцных станций WSRN. В кооперации с факультетом геодезии университета Central Washington произведена оценка перемещений элементов опорной сети, и были выделены сдвиги, связанные с тектоническими подвижками. Для этого использовались различные методы обработки спутниковых измерений, которые превосходно дополняют данные, полученные с помощью традиционных сейсмических измерений.

СВОДКА

В 1999 году компания SPU начала проект по модернизации методов местоопределения и развития опорной сети. Технический отдел SPU, в составе которого находятся четыре из пяти геодезических экспедиций города, обеспечивает топогеодезическими услугами все городские службы. В части выполнения решения городского совета был произведён переход от устаревшей планово-высотной привязки к системам координат NAVD885 и NAD836 соответственно [1].

Утверждение капитальных вложений (The Asset Management Review [2], AMR) было инициировано SPU в 2004, причём в качестве прототипа была избрана модель реализованная австралийской компанией Hunter Water7 в городе Нью-Кастл (Австралия). Все закупки из городского бюджета размером более 250 тыс. долларов США утверждаются после анализа их финансовой оправданности, влияния на окружающую среду и социальных аспектов (процесс "Triple Bottom Line" – "тройного утверждения").

Следующая фаза модернизации опорной сети была призвана для оптимизации расходов города на её подержание. Целью являлось удешевление следующих видов топогеодезических работ:

  • Обновление существующих съёмок
  • Топогеодезическое обеспечение геологических изысканий
  • Ведение кадастровых работ
  • Обеспечение строительно-монтажных работ
  • Производство исполнительных съёмок
  • Мониторинг зданий и сооружений

Проект преследовал цели, намеченные в докладе Национальной геодезической службы конгрессу США с предложением о модернизации систем определения местоположения [3].

Анализ капитальных вложений, произведённых до 2004 г. в инфраструктуру системы водоснабжения, показал абсолютно неприемлемое соотношение затрат на программное (40%) и аппаратное (60%) обеспечение. Одной из целей AMR является достижение соотношения 20% (программное обеспечение) к 80% (аппаратное обеспечение). Среди факторов, вызывающих сильное увеличение затрат, были выявлены и услуги по определению местоположения.

Сеть, функционирующая в режиме реального времени

Перед техническим отделом SPU была поставлена задача изыскания экономически более эффективных способов определения местоположения. Очевидным решением явилось применение средств космической навигации: GPS и ГНСС (далее эти системы космической навигации именуются ГНСС). ГНСС могут обеспечивать мгновенное и точное определение местоположения, соответствующее требованиям перечисленных выше видов топогеодезических работ. Достижимые точностные характеристики определения места с помощью ГНСС определяются сочетанием применяемых программно-аппаратных средств, используемых для съёмки, и типом вспомогательных средств.

В конце 90-х годов было предложено использовать сети референцных станций для обеспечения поля дифференциальных поправок при использовании ГНСС для определения местоположения.

Способ местоопределения, известный как Real-Time Kinematics (RTK) – "кинематический реального времени", требует применения "базового" двухчастотного ГНСС приёмника, установленного в пункте с известными координатами (источника дифференциальных поправок) и двухчастотного приёмника, используемого для определения положений неизвестных точек (потребителя дифференциальных поправок). Для передачи потока дифференциальных поправок от базового приёмника до потребителя используется система связи, обеспечивающая минимальную задержку передачи данных – обычно УКВ или сотовый радиоканалы.

Рисунок 1 - Real-Time Kinematic - устранение источников ошибок при относительном спутниковом определении места в режиме "одна база - один потребитель".

Вариант способа RTK с использованием поправок, формируемых сетью референцных станций [4], сокращенно именуется RTN8 [5]. При этом сеть, как правило, состоит из набора постоянно функционирующих референцных станций (continuously operating reference stations, CORS9). По данным измерений, произведённых разнесёнными по большой площади референцными станциями сети, можно произвести разделение ошибок по источникам и, соответственно, работать на больших удалениях от базовых станций (по сравнению с традиционным методом RTK), что позволяет выполнить требования более широкого круга задач, причем стоимость выполнения работ значительно уменьшается. RTN - обеспечивает точность определения места на уровне миллиметров, причём этот процесс занимает всего несколько секунд. Для сетевого RTK чаще всего используется режим расчётной, или "виртуальной" референцной станции (Virtual Reference Station, VRS10), который, в том числе, поддерживается сетью WSRN.

Рисунок 2 – Режим виртуальной референцной станции сетевого RTK.

Технический отдел SPU предложил развить региональную сеть RTN в 2001 году. Начальная конфигурация сети предусматривала размещение 10 референцных станций, покрывающих город Сиэтл и большую часть района Puget Sound штата Вашингтон. Построение сети планировалось выполнить в кооперации SPU с другими городскими администрациями и предприятиями коммунального хозяйства.

Пробная эксплуатация сети в течение 18 месяцев позволила получить сравнительные характеристики RTN и RTK и произвести анализ рентабельности. Последний послужил основой для предложения о капитальных вложениях (AMR), которое было утверждено для выполнения в 2004 г, и включало выделение средств на приобретение аппаратного и программного обеспечение центрального сервера сети и 2-х из 10 референцных станций (остальные были установлены партнёрами по кооперации).

Эксплуатация сети оказалась успешной с самого начала, и число членов кооперации (как частных, так и государственных компаний и организаций) стремительно увеличилось. Участники подключают свои референцные станции к сети в обмен на доступ к результатам сетевого решения. Сеть The Washington State Reference Network (WSRN) изначально построена как кооперативная, при этом компания SPU поддерживает работу центрального сервера сети (central processing center, CPC) и занимается управлением сетевыми услугами. Члены кооперации, не поддерживающие собственные референцные станции, вносят ежегодную абонентскую плату. В настоящий момент сеть WSRN включает более 95 референцных станций и покрывает более 90% площади штата – полное покрытие планируется достичь к маю 2009 г. Сеть обеспечивает формирование потоков дифференциальных поправок в стандартных представлениях (не во внутренних форматах отдельных фирм-производителей ГНСС оборудования) и файлы статических измерений, пригодные для использования при камеральной обработке полевых измерений.

Используя RTN, предприятие SPU и прочие пользователи WSRN имеют доступ к полному спектру методов определения местоположения с использованием ГНСС – от автономного определения с использованием одночастотных приёмников вплоть до высокоточного RTK. По результатам опытной эксплуатации сети, которая производится уже в течение нескольких лет, SPU прогнозирует следующие уровни точности для разных методов местоопределения:

Рисунок 3 – Ожидаемые уровни точности местоопределения, получаемого различными методами спутниковой навигации.11 12 13

Требования к геодезическим работам для систем водоснабжения

Водохранилища и сопутствующая инфраструктура, эксплуатируемые компанией SPU, включают плотины, искусственные водохранилища, водоводы и пруды. При эксплуатации этих жизненно важных сооружений геодезические обеспечение требуется при проведении следующих видов работ:

  • При проектировании, строительстве, приёмке и текущем ремонте
  • При проведении мониторинга стабильности сооружений

Дифференциальные поправки, вырабатываемые сетью WSRN, обеспечивают снижение издержек при проектировании, строительстве, приёмке, эксплуатации и ремонте. Режим сетевого RTK может быть использован во всех перечисленных случаях в качестве дополнения или полной замены обычного RTK.

Водохранилища, управляемые SPU, жестко контролируются с помощью набора традиционных систем: датчиков деформации, контрольных скважин, пьезометров, датчиков просачивания, ежегодных лазерных измерений. Наличие RTN дало возможность испытать решения, которые могут, по крайней мере, дополнить имеющиеся технологии, а в ряде случаев обеспечить ранее недоступную функциональность, например:

В феврале 2001 года произошло землетрясение Nisqually с магнитудой 6.8 в эпицентре, находящемся в 120 км от плотины Tolt, эксплуатируемой компанией SPU – земляном сооружении, находящейся возле Сиэтла. В первые часы после землетрясения перед дежурным персоналом встала задача быстрого диагностирования состояния плотины. Камеры видеонаблюдения, размещённые на плотине и створная система, установленная на её гребне, могли бы незамедлительно сигнализировать о катастрофическом прорыве сооружения, но средства быстрого диагностирования текущего состояния (не катастрофических изменений) отсутствовали. Традиционные лазерные измерения занимают сутки, датчики перемещений, если бы таковые были размещены, весьма грубы и дают лишь обобщённое представление о величинах смещений.

Преимущества RTN для периодического мониторинга

Практически все определения положений элементов сооружений, эксплуатируемых SPU, ранее выполнялись путём периодических лазерных измерений (тахеометры устанавливались на опорных точках, и с них определялись положения закреплённых на сооружении пунктов). Зачастую, в связи с ограниченным бюджетом, повторные определения производились несколько раз в год, а в конкретном случае (плотина Tolt) – раз в год, летом (см. рис. 4). Ограничения по условиям производства измерений не позволяли выделить нормальное влияние сезонных факторов, а малый размер выборки препятствовал достоверной оценке точности определений.

Рисунок 414 – Традиционные лазерные измерения, плотина Tolt.

Если бы периодическое слежение было бы более дешёвым, быстрым, но не менее точным, состояние плотины (сдвиги и деформации) можно бы было диагностировать в более полной мере.

Периодический мониторинг с помощью RTN:

Общий принцип аналогичен традиционному способу, реализуемому с помощью лазерных тахеометров: периодические повторные определения положений одних и тех же пунктов. При этом чаще всего полезной информацией являются значения разностей между повторными определениями координат. Заказчик имеет возможность запросить результаты местоопределения в конкретной системе координат (реализуется привязкой к пунктам, определённым в этой СК). Традиционные методы съёмки позволяют решить эту задачу вполне успешно, но их стоимость зачастую весьма высока. Использование более дешёвых способов местоопределения нежелательно, поскольку их точность, как правило, низкая, и не соответствует решаемой задаче. Следует отметить, что мониторинг с помощью RTN в какой-то степени подобен физическому эксперименту: он осуществляется при воспроизводимых, в основном повторяемых условиях.

Рисинок 5 – Элементы периодического мониторинга с помощью ГНСС.

На приведённом выше рисунке показаны элементы, которые могут быть реализованы при мониторинге осадки водохранилища местного стока на основе RTN:

  1. Имеющаяся референцная станция RTN
  2. Пункты, периодически определяемые приёмником-потребителем дифференциальных поправок
  3. Долговременные пункты, основа сети
  4. Приёмник-монитор, размещённый в пределах объекта (COMR on-site)
  5. Приёмник-монитор, размещённый вне объекта (COMR off-site): график показывает выполненные им местоопределения

Грамотно выполненные проекты мониторинга, выполненные традиционными и спутниковыми средствами, имеют много общего: независимую опорную сеть (или непрерывно функционирующие референцные станции), пункты долговременного закрепления на объекте, и средства контроля сети. При проведении мониторинга всегда задаётся некоторый элемент, полагаемый "стабильным" (считается, что его положение с течением времени не изменяется), и оценка положений остальных элементов производится относительно упомянутого стабильного элемента. RTN может использоваться в качестве средства контроля. Высотная привязка по выбору заказчика производится в местной системе координат, а с применением модели геоида15 можно получать ортометрические высоты (предпочтительным является применение истинных высот - ГНСС определения высоты изначально отнесены к эллипсоиду16 ). Поскольку полезной информацией для мониторинга являются приращения высот во времени, допустимо применение любой из систем счёта высот – необходимо лишь однообразно придерживаться одной из них.

Наиболее важным параметром для мониторинга с применением RTK является повторяемость результатов, каким же образом можно в ней убедиться? Один из способов - статистический анализ большой выборки измерений, другой – сравнение с результатами традиционных методов, но самым удобным является прямая оценка по RTN, что обеспечивается программно-математическими средствами сети.

Преимущества RTN для мониторинга в реальном масштабе времени

Специалисты SPU испытали несколько коммерчески доступных систем мониторинга сооружений, использующих одночастотные приёмники и функционирующие в режиме камеральной обработки, близком к реальному масштабу времени. Краткий опыт работы с этими системами не позволил рекомендовать их для дальнейшего использования, и был сделан вывод о том, что сопоставимые затраты позволят применить двухчастотные приёмники, работающие в реальном масштабе времени (с использованием уже развёрнутой сети RTN), что позволит получить более высокие уровни точности и даст возможность применения гораздо большего спектра способов местоопределения.

Имеющееся программное обеспечение предлагает два варианта мониторинга с помощью сети RTN: приёмник-монитор и станция-монитор, основными различиями между которыми являются способы, применяемые для решения навигационной задачи.

Приёмник-монитор (Continuously Operating Monitoring Rover – COMR):

Процесс контроля повторяемости RTK решений во времени сам по себе является простейшим вариантом мониторинга в реальном масштабе времени и реализуется установкой постоянно функционирующего приёмника, использующего поток поправок, вырабатываемых сетью. В этом случае приёмник отличается от обычных приёмников-потребителей только тем, что его приёмная антенна размещена на долговременном основании объекта. Произведённые приёмником-монитором текущие определения координат пересылаются по каналу связи в сеть RTN с программой Trimble Integrity Manager (или другую программу мониторинга).

Программное обеспечение двухчастотного прибора, используемого в качестве приёмника-монитора, должно поддерживать режим RTK (однако, в некоторых вариантах серверного программного обеспечения поддерживается решение навигационной задачи силами сервера, подробнее см. ниже), также требуется наличие канала передачи данных (обычно это Интернет-соединение). Полевой контроллер (носимый компьютер) с установленным программным обеспечением для проведения съемки не требуется.

Любой из применяемых способов размещения антенны должен гарантировать неизменность её положения относительно контролируемого сооружения в течение всего процесса мониторинга. Результаты определения координат передаются в программное обеспечение, например, модуль Rover Integrity Monitor, являющийся дополнением пакета сети RTN - Trimble GPSNet. Обычная конфигурация для периодического мониторинга с помощью RTN предусматривает установку приёмника-монитора на “стабильном” участке вблизи контролируемого сооружения, и дополнительных приёмников, осуществляющих мониторинг – непосредственно на сооружении. Программное обеспечение WSRN оснащено прямой поддержкой такой конфигурации, при этом отображаются текущая оценка точности местоопределения и эволюция координат во времени.

Станция-монитор (Continuous Operating Monitoring Stations – COMS):

Недостатком некоторых проектов периодического мониторинга являются большие интервалы между местоопределениями, зачастую же единственным способом детального изучения тенденций и выявления трудноуловимых подвижек является анализ измерений, выполненных с высоким темпом. Задачей SPU было достижение периода 1 Гц.

Непрерывно функционирующая станция-монитор производит измерения параметров спутникового сигнала, а решение навигационной задачи происходит в программном обеспечении сервера сети, в качестве которого SPU использует Trimble Integrity Manager, предлагающий на выбор несколько алгоритмов относительного определения. Решение производится в режиме реального времени или при автоматизированной камеральной обработке, после чего осуществляется его анализ различными фильтрами. Эта функциональность штатно используется в сети WSRN для оперативного мониторинга относительных положений референцных станций, входящих в сеть RTN. Хотя указанное программное обеспечение можно использовать и автономно (без привлечения данных сети WSRN), отслеживая взаимное положение отдельной группы станций, предназначенных для целей мониторинга сооружений, мы считаем совместную обработку всей сети более эффективным методом.

По-видимому, трудноосуществимым (прежде всего, из-за высокой стоимости) был бы вариант размещения полной станции-монитора на всех пунктах сооружения, подлежащих мониторингу (обычное число таких пунктов – десятки или даже сотни). В дальнейшем для установления связи между лазерными и спутниковыми измерениями мы планируем совместное размещение станции-монитора и роботизированного тахеометра17 или установку отражателей под антенны станций-мониторов.

Так же, как и антенны референцных станций, антенна станции-монитора должна быть размещена на постаменте, рассчитанном на долговременное размещение. При выполнении пилотного проекта мониторинга было выявлено ограничение на глубину заложения постамента в тело земляной плотины (находящееся на глубине от 1.2 до 1.8 м от поверхности). Хотя постамент и был максимально заглублён непосредственно в тело плотины, следовало учесть влияние на положение антенны подвижек наружного слоя почвы. Для этого мы воспользовались подходом, отработанным на нескольких проектах в Азии, исследовавших движение лавы с помощью спутниковых антенн, установленных на высоких вехах – возле антенн устанавливались также двухосные датчики наклона. Показания этих датчиков учитывались при обработке измерений, производимых приёмниками Trimble NetRS, и отсылались на сервер.

Рисунок 6 – Элементы пилотного проекта SPU на плотине Tolt:

  1. Референцная станция сети Washington State Reference Network
  2. Станции-мониторы – двухчастотные приёмники с антеннами геодезического класса и датчиками угла наклона
  3. Вычислительно-аналитический центр
  4. Приёмник-монитор в основании склона с уклоном 2:1
  5. Приёмник-монитор на уклоне 5:1

Целью реализации этого проекта было проведение полных испытаний различных вариантов спутникового мониторинга. Сдвиги этой конкретной плотины весьма малы, и всегда было сложно обнаружить действительные перемещения по результатам ежегодных оптических измерений, а тем более установить их причину.

Привязка сети производилась поэтапно. Прежде всего, обрабатывались одновременные наблюдения, выполненные нашей RTN сетью и референцными станциями сетей National Geodetic Survey (Национальной геодезической службы) и Pacific Northwest Geodetic Array (PANGA)18 университета Central Washington University (CWU). Специалисты CWU более десяти лет занимаются исследованием движения тектонических плит по результатам камеральной обработки статических измерений референцных станций сети PANGA и являются признанными лидерами исследования феномена "медленных землетрясений" [6]. Сеть SPU включает несколько пунктов NGS и PANGA, в результате чего контролируется целостность подсетей RTN. Непосредственно для мониторинга используются референцные станции WSRN, расположенные около сооружения.

Одна из референцных станций WSRN размещена на скалистом основании непосредственно на краю плотины, а ещё три референцные станции находятся на удалении не более 30 км. На плотине были размещены пять станций-мониторов: 3 на гребне, одна у основания склона с уклоном 2:1 и последняя – на нижнем склоне с уклоном 5:1. Измерительные данные собирались в течение продолжительного промежутка времени (несколько месяцев) с помощью программы Integrity Manager и использовались для автоматизированного формирования ежедневных, недельных и месячных статистических сводок. Собранные данные использовались также в качестве исходных для модуля контроля целостности сети (непрерывно рассчитывает замыкание базисов между станциями) и двух описанных ниже модулей, работающих в реальном масштабе времени.

Модуль "быстрого движения" (rapid motion engine, RME) пакета Trimble Integrity Manager обеспечивает решение на длинных базисах (до 1000 км) и выявляет изменения базисов в диапазоне единиц сантиметров за промежутки времени в единицы минут. Этот модуль используется в Индии для мониторинга островов в системе предупреждения о цунами, в Новой Гвинее – для слежения за активностью вулканов, а в Южно-китайском море – в качестве средства контроля стабильности буровых платформ.

Модуль RTK-Engine (RTKE) обеспечивает решение задачи кинематических определений в реальном времени программным обеспечением сервера сети с использованием данных от нескольких референцных станций. Фактически полученная точность определения координат с помощью этого модуля составила 5 мм. Дополнительный режим этого модуля, VRS, показал повторяемость определений на точке (её координаты получены априори обработкой недельного сеанса статических измерений) на уровне 3 мм по всем пространственным составляющим.

Тестирование реакции на резкие перемещения:

Основным побудительным моментом развертывания системы слежения реального времени на этом объекте является реализация возможности быстрого анализа состояния сооружения после землетрясения (вполне обычное явление в этом районе) и влияния прочих естественных факторов. В связи с этим принципиальным тестом системы было исследование реакции системы на перемещения, по порядку сопоставимые с влиянием указанных событий.

Рисунок 7 – Стенд исследования перемещений

Исследование производилось на стенде, показанном на рис. 7: антенна геодезического класса, подключенная к приёмнику ГНСС, была размещена на столе, поверхность которого была приведена в горизонт. На столе была закреплена разграфлённая ориентированная по сторонам света схема, вдоль которой производилось перемещение антенны.

Рисунок 819 – Стандартный отчёт программы Integrity Manager, показывающий один из приёмов теста на перемещения:

  1. Шумовая составляющая до начала эксперимента
  2. Сдвиг на 1 см в западном направлении
  3. Сдвиг на 4 см в западном направлении
  4. Сдвиг на 4 см в северном и 4 см западном направлениях
  5. Проверка перезапуска
  6. Возвращение в исходное положение.

Дополнительные уровни интервалов тревог показаны красной и желтой штриховыми линиями.

Повторяемость результатов во всех сериях измерений составила единицы миллиметров, а время реакции модуля RTK – единицы секунд, что превзошло наши ожидания. На следующем этапе исследований мы сопоставили многомесячные данные, полученные станциями-монитор, с измерениями, полученными водомерными постами, метеостанциями (температура воздуха и скорость ветра) и оценками тектонических движений (последние были получены анализом данных референцных станций, общих для разных сетей).

Обобщённые движения тектонических плит

Для отделения местных смещений от движений тектонических плит при работе алгоритмов референцные станции проекта были указаны как местная сеть (см. рис. А-2). При использовании алгоритма определения сдвигов сети (network motion engine, NME) фиксировались положения близлежащих референцных станций сети WSRN, а именно PFLD, NINT, ENUM и QMAR. Положение станции LSIG (см. пункт "A" рис. 6) в северо-восточной части плотины (используемой в качестве опорного пункта местной сети) также отслеживалось алгоритмом NME. Остальные станции-мониторы отслеживались независимыми модулями NME (см. пример на рис. A-1).

Скорости перемещения опорных станций были определены по результатам обработки, произведённой геодезическим факультетом университета Central Washington University (см. рис. A-7 - A-10), после чего были учтены в работе алгоритма NME.

Опорные станции – методика использования алгоритмами RME

Алгоритмы кинематического решения в реальном масштабе времени (Real-Time Kinematic Engines, RTKE) имеют ограничение по длине обрабатываемого базиса (не более 35 км), в связи с чем положения станций NINT и LSIG были зафиксированы.

Затем была произведена повторная обработка измерений алгоритмами RME, изначально фиксировались близлежащие станции NINT и LSIG, а затем – удалённые референцные станции сети.

В качестве дополнительного средства контроля все серии измерений были обработаны алгоритмов камеральной обработки (Post-Processing Engine, PPE). Различия между результатами работы алгоритмов PPE и NME несущественны.

Изучение периодических и сезонных изменений:

После продолжительного накопления данных (несколько месяцев) появилась возможность дополнительной обработки с учётом движения тектонических плит для изучения влияния других факторов, потенциально оказывающих влияние на сдвиги сооружения. Программное обеспечение Trimble Integrity Manager хранит данные в СУБД Microsoft SQL, что значительно упрощает проведение такого анализа.

Относительные смещения станций-монитор, размещенных на гребне плотины, и станций-монитор, размещенных на склонах, использовались для выделения влияния факторов, оказывающих влияние на собственно плотину.

Сезонные смещения рассчитывались с помощью модуля Network Motion Engine (NME), который выполнялся для каждой из станций-монитор отдельно. В качестве опорной точки использовалась референцная станция LSIG (северо-восточная часть плотины). На рис. А-1 приведёны графики приращений координат (в плане N-смещение на север, E – в восточном направлении, и Z - по высоте) в период с 14 сентября 2008 г. по 21 января 2009 г.

Для исключения перекрытия графиков по разным компонентам они смещены на произвольные величины. На графиках рис. А-1 приводится положение центральной станции-монитор на гребне плотины. Относительное смещение станций на склонах было мало (что и ожидалось), и выяснилось, что две оставшихся станции-монитор (северная и южная) на гребне плотины сдвигались меньше, чем центральная, но схожим образом.

Как и ожидалось, уровень воды (см. рис. А-3) напрямую связан с количеством осадков (рис. А-5), и, по-видимому, уровень воды является единственным значимым фактором, оказывающим влияние на деформацию плотины. Следует отметить то, что собственно величины сдвигов можно признать небольшими (максимум – несколько сантиметров), но их невозможно было выявить обычными ежегодными измерениями (поскольку последние проводились в схожие календарные сроки).

Мы не выявили заметного влияния ветровой нагрузки на тело плотины, хотя следует отметить то, что результаты работы алгоритма RTKE при обработке измерений, выполненных в особо ветреные дни, отличаются повышенным уровнем шума. Возможная причина этого явления – деформация антенных постаментов. Мы планируем провести дополнительные исследования с привлечением показаний датчиков угла наклона.

Влияния температуры на тело плотины не выявлено.

Следует провести дополнительное исследование возможного влияния суточных перепадов температуры, хотя механизм этого влияния, скорее всего, - деформация антенных постаментов. Предполагаем, что изменения температуры не оказывают влияния на сезонные перемещения, а проявляются лишь в виде краткосрочных местных сдвигов.

Анализ сезонных изменений выявил то, что каждый из датчиков перемещался вокруг среднего положения которое, в свою очередь, не было подвержено дрейфу.

Краткосрочные и резкие сдвиги

Чувствительность датчиков при применении соответствующих алгоритмов обработки весьма высока – уровень собственного шума не превосходит 3 мм (для алгоритма RTKE на коротком базисе). Поскольку сооружение достаточно массивное и не подвержено существенным деформациям, объяснить отдельные выбросы на графиках действиями конкретных факторов было весьма затруднительно.

Датчики реагируют на вибрации от проезжающего по плотине служебного автотранспорта и сейсмические явления, в том числе и удалённые (землетрясение в Южной Калифорнии). Моменты региональных сейсмических явлений отлично выделяются на графиках, полученных алгоритмом Rapid Motion Engine, а местные возмущения (влияние небольшого оползня на прилегающем подъездном пути) отчётливо проявляются на графиках, полученных алгоритмом Real-Time Kinematic Engine (RTKE) на коротком базисе.

В качестве примера реального явления, на котором апробировалась возможность мониторинга в реальном времени, хотелось бы привести описание события, произошедшего при максимальном уровне воды (8 января 2009 г.).

Рисунок 9 – Положение водосброса относительно станции TC

Рисунок 10 – Водосброс – "Morning Glory"

В конце дня 7 января 2009 г. был зарегистрирован рекордный объем сброса воды, который производится через водосброс плотины (см. рис. 9 и 10), превысивший величину 1000 куб. футов в секунду (более 28 м3/с), см. рис. 11.

Рисунок 1120 – Величина сброса воды по данным ближайшего водомерного поста, размещённого ниже по течению

Около 4:00 утра 8-го января сброс составлял более 3000 куб. футов в секунду (более 85 м3/с), после чего резко упал до объема 1000, и в течение часа снова вернулся на 3000. При объеме сброса выше 1000 система мониторинга регистрировала сдвиг датчиков, размещённых на гребне плотины, и при сбросе 3000 величина смещения достигала 3 см.

Рисунок 1221 – Результаты применения алгоритма RTKE для центральной станции на гребне плотины (TC)

Резкие изменения объема сброса (по некоторым версиям они были вызваны временной закупоркой водосброса инородными телами или льдом) были отчётливо зарегистрированы системой мониторинга. Величина сдвига изменялась в течение следующих 24 часов, но, как и ожидалось, вернулась в исходное состояние после уменьшения объема сброса до 1000 куб. футов в секунду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спутниковые методы определения координат могут использоваться в качестве мощного инструмента мониторинга состояния сооружений, экономически выгодного и великолепно дополняющего традиционные методы.

В прошлом ГНСС методы мониторинга были дорогостоящими или не обеспечивали достаточного уровня точности при решении задач в реальном масштабе времени. Использование уже развёрнутых сетей референцных станций существенно удешевляет создание систем мониторинга.

Необходимым для системы мониторинга является наличие собственных вычислительных средств. При вводе систем в эксплуатацию SPU планирует установить на объекте выделенные серверы, работающие под управлением программы мониторинга, и будет осуществлять дистанционный контроль. При необходимости выдачи тревожных предупреждений недопустимы перерывы в работе канала связи, соединяющего сервер и приёмники, поэтому дополнительно к локальному размещению сервера на объекте, указанные каналы связи будут дублированы.

Для обеспечения связи с традиционными (оптическими) способами определения места под ГНСС антеннами будут установлены призменные отражатели.

Как правило, мониторинг состояния сооружений требуется решать на ограниченной территории, но вместе с тем приходится учитывать смещения, вызванные общими геофизическими эффектами и, в частности, движением тектонических плит. Иерархическое построение сети референцных станций (от масштаба всего штата до локальных подсистем) помогает решить эту задачу.

Исходя из результатов опытной эксплуатации системы мониторинга плотины Tolt, государственное предприятие SPU планирует расширить систему, включив в неё как объекты, обслуживаемые собственно предприятием, так и сооружения, находящиеся под управлением организаций-партнеров по сети ГНСС WSRN. Среди планируемых к оборудованию объектов находятся принадлежащие городу объекты гидроэнергетики, мостовые сооружения, зоны оползней и критических уклонов и планируемые к установке водомерные буи.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] City of Seattle ordinance #121291 October 9th, 2003 - http://clerk.ci.seattle.wa.us/~scripts/nph brs.exe?d=CBOR&s1=121291.ordn.&Sect6=HITOFF&l=20&p=1&u=/~public/cbor2.htm&r=1&f=G

[2] Principals of Asset Management Review, PDP Quick Start Guide – Tim Skeel et al (http://www.deq.state.va.us/export/sites/default/watersupplyplanning/documents/Quickstartguide.pdf)

[3] Height Modernization Study – A Report to Congress _June 1998. Prepared for the National Geodetic Survey by Dewberry & Davis and Psomas & Associates. NGS/NOS/NOAA U.S. Department of Commerce

[4] Network RTK versus Single Base RTK - Understanding the Error Characteristics. Ulrich Vollath, Herbert Landau, Xiaoming Chen, Ken Doucet, Christian Pagels. Trimble Terrasat GmbH, Hoehenkirchen, Germany - Institute of Navigation Conference September 2002, Portland, OR

[5] RTN101 – Fundamentals of Real-Time Networks – Ongoing series in The American Surveyor, Part 1 Sept. 2006, - Gavin Schrock PLS www.amerisurv.com/content/view/3812/150/

[6] Periodic Slow Earthquakes from the Cascadia Subduction Zone. - M. Meghan Miller, Tim Melbourne, Daniel J. Johnson, William Q. Sumner. Central Washington University. www.sciencemag.org SCIENCE VOL 295 29 MARCH 2002

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок A-122 – Результаты обработки модулем Network Motion Engine – станция-монитор в середине гребня плотины (TC)

Рисунок A-2 – Схема эксперимента. Фиксируется положение окружающих референцных станций сети WRSN: ENUM, QMAR, PFLD, LSIG и NINT. Станция LSIG размещена в северо-восточной части плотины

Рисунок A-323 – Уровень воды в водохранилище (среднее в течение суток

Рисунок A-424 – Температура (предельные величины за сутки)

Рисунок A-525 – Количество осадков (суммарное значение в течение дня)

Рисунок A-626 – Скорость ветра (среднее значение за сутки)

Рисунок A-727 – Положение станции LSIG сети WSRN (северо-восточная часть плотины)

Источник: Подразделение Pacific Northwest Geodetic Array геодезического факультета университета Central Washington University. Скорость движения (мм/год) получена камеральной обработкой GPS измерений.

Рисунок A-828 – Положение станции ENUM сети WSRN (возле г. Enumclaw, WA)

Источник: Подразделение Pacific Northwest Geodetic Array геодезического факультета университета Central Washington University. Скорость движения (мм/год) получена камеральной обработкой GPS измерений.

Рисунок A-929 – Положение станции PFLD сети WSRN (возле г. Everett, WA)

Источник: Подразделение Pacific Northwest Geodetic Array геодезического факультета университета Central Washington University. Скорость движения (мм/год) получена камеральной обработкой GPS измерений.

Рисунок A-1030 – Положение станции QMAR сети WSRN (возле г. Stevens Pass, WA)

Источник: Подразделение Pacific Northwest Geodetic Array геодезического факультета университета Central Washington University. Скорость движения (мм/год) получена камеральной обработкой GPS измерений.

ПРИМЕЧАНИЯ

  1. Администратор Washington State Reference Network, Seattle Public Utilities, Seattle WA 98124 gavin.schrock@seattle.gov
  2. GPS – Global Positioning System – спутниковая навигационная система США.
  3. ГНСС – Глобальные Навигационные Спутниковые Системы – термин, обозначающий все спутниковые навигационные системы (GPS, российская ГЛОНАСС, в перспективе европейская Галилео и китайская COMPASS).
  4. Washington State Reference Network – www.wsrn.org
  5. North American Vertical Datum of 1988 – (североамериканская система высот 1988 г) устанавливает систему счёта высот США.
  6. North American Datum of 1983 – (североамериканская система координат 1983 г) – национальная система координат США. Одна из первых, при построении которой использовались методы космической геодезии.
  7. Hunter Water Australia, Broadmeadow NSW www.hwa.com
  8. Real Time Network – сеть референцных приёмников ГНСС, функционирующая в режиме реального времени.
  9. Continuously operating reference station – приёмник ГНСС с антенной, размещённой на долговременной опоре, производящий непрерывные измерения параметров спутниковых сигналов.
  10. VRS является торговой маркой компании Trimble Navigation Ltd
  11. OPUS – Online Positioning User System, () National Geodetic Survey - www.ngs.noaa.gov/OPUS/.
  12. SBAS – Space Based Augmentation – коммерческие и общедоступные спутники дополнения.
  13. WAAS – Система космического дополнения, управляемая U.S. Federal Aviation Administration.
  14. (Прим. перев.) На графике ось абсцисс – даты измерений (производятся раз в год), ось ординат – смещение вдоль меридиана (положительное направление счёта - на север) в футах. Международный фут равен 0.3048 м. Легенда показывает обозначения закреплённых на плотине пунктов.
  15. Геоид: эквипотенциальная поверхность силы тяжести Земли. Начало счёта ортометрических высот.
  16. Эллипсоид вращения – тело, полученное вращением эллипса вокруг его малой оси. Размеры подбирают так, чтобы среднеквадратичное отклонение от поверхности геоида было минимально либо по всей поверхности Земли, либо для заданной территории. ГНСС определения отнесены к эллипсоиду, приписанному к рабочей системе координат приёмника.
  17. Оптический прибор - усовершенствованный теодолит с лазерным дальномером и моторизованным приводом.
  18. PANGA – Pacific Northwest Geodetic Array. Сеть референцных станций ГНСС геодезического факультета университета Central University of Washington (CWU) – Ellensburg WA.
  19. (Прим. перев.) На графике ось абсцисс – время [сек], ось ординат – смещение вдоль осей топоцентрической системы координат [м]. Синяя кривая – смещение по направлению север-юг, зелёная – запад-восток.
  20. (Прим. перев.) На графике ось абсцисс – время [сут], ось ординат – объем водосброса [куб. фут/сек]. 1 куб. фут/сек ~ 0,0283 м3/сек.
  21. (Прим. перев) На графике ось абсцисс – время [сек], ось ординат – смещение вдоль осей топоцентрической системы координат [м]. Синяя кривая – смещение по направлению север-юг, зелёная – запад-восток, коричневая – по высоте.
  22. (Прим. перев) На графике ось абсцисс – время [сут], ось ординат – смещение вдоль осей топоцентрической системы координат [м]. Синяя кривая – смещение по направлению север-юг, зелёная – запад-восток, коричневая – по высоте.
  23. (Прим. перев.) На графике ось абсцисс – время [сут], ось ординат – уровень воды в водохранилище [фут]. Международный фут равен 0.3048 м.
  24. (Прим. перев.) На графике ось абсцисс – время [сут], ось ординат – максимальная (зелёный график) и минимальная (красный) температура воздуха в течение суток [градусы Фаренгейта]. Перевод из градусов Фаренгейта в градусы Цельсия производится по формуле TC = (TF-32)*5/9.
  25. (Прим. перев.) На графике ось абсцисс – время [сут], ось ординат – количество осадков [дюймы]. Международный дюйм равен 0,0254 м.
  26. (Прим. перев.) На графике ось абсцисс – время [сут], ось ординат – скорость ветра [миль/час]. Миля в час примерно равна 0,447 м/с.
  27. (Прим. перев.) На графиках ось абсцисс – время [год] ось ординат – смещение положения станции в направлении север-юг (верхний график) и запад-восток (нижний график) в мм. В заголовке показана годовая скорость перемещения пункта в соответствующем направлении и оценка её с.к.о.
  28. (Прим. перев.) На графиках ось абсцисс – время [год] ось ординат – смещение положения станции в направлении север-юг (верхний график) и запад-восток (нижний график) в мм. В заголовке показана годовая скорость перемещения пункта в соответствующем направлении и оценка её с.к.о.
  29. (Прим. перев.) На графиках ось абсцисс – время [год] ось ординат – смещение положения станции в направлении север-юг (верхний график) и запад-восток (нижний график) в мм. В заголовке показана годовая скорость перемещения пункта в соответствующем направлении и оценка её с.к.о.
  30. (Прим. перев.) На графиках ось абсцисс – время [год] ось ординат – смещение положения станции в направлении север-юг (верхний график) и запад-восток (нижний график) в мм. В заголовке показана годовая скорость перемещения пункта в соответствующем направлении и оценка её с.к.о.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ



Все СТАТЬИ