“能源故事”征文获奖作品⑧丨 大坝安全工程师的“千里眼”——北斗技术在大坝安全监督管理中的应用

来源：国家能源局 时间：2021-02-03 13:25

大坝安全工程师的“千里眼

——北斗技术在大坝安全监督管理中的应用

国家能源局大坝安全监察中心　李倩

　　“2020年6月23日9时43分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星，暨北斗三号最后一颗全球组网卫星，至此，北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成！我们国家终于拥有了属于自己的导航系统，可以实现全球快速精准定位，为全世界提供优质导航服务。”看着电视屏幕里，北斗三号收官之星以震耳欲聋之势冲向浩瀚天空，国家能源局大坝安全监察中心的工程师们心情激动。作为我国大坝安全监管领域的重要技术力量，“北斗”这两个字，早已与他们结下了不解之缘。

　　切实保障大坝运行安全是大坝中心矢志不渝的使命。大坝中心监管的大坝多为高坝大库，主要集中在我国西南地区，地震、泥石流等地质灾害及暴雨、洪水等气象灾害频发，对大坝运行安全造成威胁。加强对大坝异常情况的预警预报，提升风险早期识别能力和应急响应能力，对保障大坝运行安全尤为重要。大坝变形监测是了解、掌握水电站大坝运行安全性态最直接、最有效的手段之一。当前我国水电站大坝变形监测多采用传统人工方式，存在观测条件受气象因素限制多，观测工作量大、周期长，无法实现全天候、全自动化、连续观测等弊端，在极端工况下急需监测数据时难有作为。近年来，有少量水电站采用基于美国GPS技术进行大坝变形监测，其接收设备及解算软件主要采购国外产品，不但建设和维护费用因技术垄断而居高不下，且存在核心技术受制于人的不利局面。

　　大坝中心成立三十多年以来，一直以技术创新为驱动，不断探索大坝安全监督管理的新方法、新机制、新模式。专业的工程师们早已意识到GPS技术的巨大应用潜力及其存在的技术风险，并一直在寻求解决方法，直到北斗卫星导航系统的“横空出世”——工程师们觉得，是时候给我们的水电站大坝安装一套成熟、可靠、自主、经济的“千里眼”了。

　　说干就干！

　　2019年6月，大坝中心组建了“北斗监测检测技术在大坝安全监督管理中的应用研究”项目团队，成员包括水电工程、地质灾害、安全监测、北斗设备、解算算法等各方面的高级技术人员。

　　“千里眼”│全天候、不间断、高精度变形监测

　　利用北斗卫星导航系统，为大坝监测点与稳固基准站之间建立联系，基于载波相位差分技术，就可以全天候捕捉大坝监测点精确到毫米的微小位移，实时掌握大坝变形性态。北斗系统全天候、全天时的特点，不受阳光、雨雪、雾霾等因素影响，可以弥补传统技术不足，一旦发生险情可以及时发现，尽早应对处理。通过现场监测站子系统、数据处理及预警软件子系统分离设置的方案，还可以实现全自动远程值守。

　　拥有了这样一套系统，大坝安全监督管理的工作人员就有了“千里眼”，能够及时、准确、详细地了解大坝的整体变形情况。

　　选试点、定方案│攻坚克难完成首个试点项目

　　2019年7月，项目团队开始在全国范围内为北斗高精度变形监测技术寻找合适的试点应用场所，最终选定了浙江天荒坪抽水蓄能电站。经过对天荒坪电站已有监测成果的深入分析和多次现场探勘、方案比选，最终确定了北斗测试点的具体位置。同时，为了不影响电站日常观测工作，项目团队经过反复比对修改，研究设计和制作了“棱镜+GNSS天线”和“全站仪+GNSS天线”一体化装置。

　　研究团队广泛调研收集国内定型的接收设备，通过现场实际应用效果，优中选优，并对通信、供电、防雷系统进行针对性研发。

　　2019年12月初，所有测点和基准点支架制作完成，随后开展了各测点的初步信号测试。从取得的数据看，各台设备运行正常，现已进入试运行阶段，后续深入研究工作也正在推进中。

　　攻难关│牢牢将高精度设备的自主知识产权掌握在我们自己手中

　　高灵敏度是北斗接收机最为重要的性能指标，也是目前国产接收设备最需要解决的问题。为了使接收机达到变形监测精度所提出的灵敏度指标，需要攻克重重难关。研究团队成员发挥各自专业优势，通力合作，在上述难关面前，毫不退缩。

　　第一重：由于北斗信号属于弱信号，射频通道内任何一级引进的干扰都有可能极大地影响系统的接收信噪比。因此，工程师团队需要从电路设计上做到抗干扰和隔离，尤其是地线的设计，提高系统的信噪比，这不仅需要极强的专业能力，还需要不断地进行尝试和对方案的逐步改进。

　　第二重：为了实现接收机噪声最小化，需要尽量降低前级噪声系数、增加前级增益。为了达到这个目的，必须使接收设备具备优秀的基带算法，包括对信噪比要求极低的捕捉、跟踪算法，并实现高稳定度的本振。为此，内算法工程师参阅国内外前沿成果，不断更新迭代，力求保证基带算法的最优性。

　　第三重：高精度设备既要满足技术参数要求，还要同时实现性能和成本的平衡，即设备在满足性能指标的前提下，尽可能降低成本。研究团队在全国范围内充分调研，深入比选，对使用的材料、组合工艺、算法尽可能采用最优性价比方案。

　　提精度│研制高精度变形解算平台

　　除了接收设备，想要实现高精度的变形测量，还需研制一套高精度变形解算平台。解算平台不仅可以对北斗系统卫星的观测数据质量进行评估和监视，还可以在复杂条件下对北斗卫星的定位误差进行消除，并能提供一套可靠的粗差识别技术。

　　研发这样一套解算平台，不仅需要考虑在复杂场景下如何依靠有效的实时预处理功能，迅速掌握待处理参数的质量情况和数据特征，并依托经验模型，自适应调整和优化解算参数配置，提取本场景下最优化解算参数配置，还需要研究多路径误差和对流层误差消除方法的适用性。多路径误差的消除主要从卫星信号原始残差序列的提取、单差卫星残差序列中提取多路径信息序列、多径误差的补偿等方面进行研究；对流层误差消除主要考虑从精细化建模与修正等方面入手进行改进。此外，项目组研究了均值漂移法、部分最小二乘法、Score检验、余差分析等多种数据统计分析方法，综合运用，进一步消除或减弱粗差对实测值的干扰。

　　高融合│助力高效监管

　　研发的系统拥有适用于水电工程的变形分析和预报算法单元，针对大坝变形的时空特性，针对性设计了北斗数据分析方法，并可以对位移和变形进行预报预警。同时，北斗变形监测系统可与国家能源局大坝安全监察平台对接，实现实时预警与信息上报，最大程度为应急工作提供可靠、及时的信息支撑，提升大坝应急响应能力和安全监管效能。

　　国家能源局注册和备案的水电站大坝数量已超过600座，其中不乏高坝大库，实现大坝安全在线监控是提高预警预报及应急响应的重要手段。当前，注册和备案大坝均已开展了大坝安全监测，但与实现在线监控仍有差距，其制约因素一方面是土石坝及工程边坡、近坝库岸的表面变形监测实现自动化观测的较少；另一方面是在遇地震、洪水、暴雨等紧急情况下，人工观测难于实现，且常规通讯在极端工况下易中断，即使有数据也无法传输，存在应急和监管的“盲区”。北斗高精度变形监测技术，利用卫星天地定位技术实现大坝及边坡等部位变形监测，可以在地震、洪水、暴雨等地面恶劣情况下，全自动化、实时监测，同时北斗“短报文”可以保证通讯不中断，有利于应急响应和决策，这对于提高水电站大坝运行安全预报预警及应急响应能力具有重要意义。

　　实现大坝变形全天候、全自动化监测，可使水电站工作人员从繁重的日常监测工作中解放出来，有利于优化人员配置；通过在线监控后，大坝安全监管工作将会变得更加高效和智能化。这些技术在水电行业上普遍推广，对于提升整个行业大坝安全管理水平和监管效能都有积极的作用。

　　雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。在技术领域，面对的挑战和困难还有很多，大坝中心研究团队将发扬传统、继往开来，坚定不移地以“保障水电站大坝运行安全，促进水电事业和谐安全发展”为使命，以科技创新为核心能力，用一流的技术，执着的工匠精神，让北斗技术切实服务于大坝运行安全监督管理，为保障人民群众生命安全和能源基础设施安全作出扎实的贡献！

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