水利工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)控中的超寬帶技術(shù)研究與應(yīng)用

江新蘭，陳 煜，繆 綸，劉 穎，羅兆坤

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 信息中心，北京 100038；2.北京普天通達(dá)科技有限公司，北京 102218）

水利工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)控中的超寬帶技術(shù)研究與應(yīng)用

江新蘭1，陳 煜1，繆 綸1，劉 穎1，羅兆坤2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 信息中心，北京 100038；2.北京普天通達(dá)科技有限公司，北京 102218）

現(xiàn)有的水利工程施工質(zhì)量監(jiān)控成果主要側(cè)重于在運(yùn)料、拌合等環(huán)節(jié)的控制，而對(duì)施工質(zhì)量影響最重要的壩面碾壓環(huán)節(jié)在質(zhì)量控制時(shí)進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化處理，一定程度上給工程的安全帶來(lái)隱患。超寬帶技術(shù)具有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自組網(wǎng)通信和超寬帶頻的特點(diǎn)，特別適用于實(shí)時(shí)性要求較高的水利工程建設(shè)中的壩面碾壓質(zhì)量監(jiān)控。本文首先從實(shí)時(shí)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面，對(duì)超寬帶技術(shù)在水利工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)控中的適用性進(jìn)行了分析，然后介紹了超寬帶技術(shù)原理及其基站建設(shè)原則。最后，以山西守口堡膠凝砂礫石壩建設(shè)施工質(zhì)量監(jiān)控為例，闡述了在大壩填筑施工現(xiàn)場(chǎng)搭建的超寬帶基站及組網(wǎng)布設(shè)情況，采用超寬帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)作業(yè)區(qū)碾壓車的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)控，獲取壩面碾壓過(guò)程中碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、碾壓方式等關(guān)鍵施工工況信息，為工程質(zhì)量管理者提供準(zhǔn)確判斷依據(jù)，從而達(dá)到施工質(zhì)量控制的基本目標(biāo)。

超寬帶技術(shù)；水利工程；施工質(zhì)量；膠凝砂礫石壩

1 研究背景

水利工程施工不僅包含復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備、種類繁多的物資、眾多的人力資源，而且還容易受外界氣候、水文氣象、水文地質(zhì)、地形地貌、甚至外部經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境等因素的影響。若在建設(shè)過(guò)程中措施不當(dāng)或控制不嚴(yán)，容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題和缺陷，給工程安全帶來(lái)一定程度上的隱患［1］。因此，如何有效地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是保證水利工程建設(shè)質(zhì)量的重中之重。然而，傳統(tǒng)水利工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)控多采用人工觀測(cè)的方式，這種方式存在工作量大、選點(diǎn)隨意性大、準(zhǔn)確度低、施工干擾大等不足，很難在當(dāng)前施工實(shí)際情況的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)未來(lái)施工進(jìn)度和質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題后難以及時(shí)進(jìn)行處理，導(dǎo)致質(zhì)量控制缺乏實(shí)時(shí)性［2］。

水利工程施工的復(fù)雜性決定了質(zhì)量管理的難度之大，需要充分考慮運(yùn)料、儲(chǔ)料、拌合、入倉(cāng)、平倉(cāng)、碾壓等各個(gè)工序的組織協(xié)調(diào)以及內(nèi)外約束的動(dòng)態(tài)性，做好整個(gè)施工工藝流程的組織和相互協(xié)作，在保證施工質(zhì)量的前提下降低成本、優(yōu)化工期［3］。然而，現(xiàn)有的水利工程施工質(zhì)量監(jiān)控成果主要側(cè)重于在運(yùn)料、拌合等環(huán)節(jié)的控制，而對(duì)施工質(zhì)量影響最重要的壩面碾壓環(huán)節(jié)在質(zhì)量控制時(shí)進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化處理，這種經(jīng)驗(yàn)性的、不精確的簡(jiǎn)單記錄方式，一定程度上也給工程的安全帶來(lái)隱患。實(shí)際上，碾壓施工時(shí)振動(dòng)碾的行走速度直接影響碾壓效率及壓實(shí)質(zhì)量，行走速度過(guò)快壓實(shí)效果差，振動(dòng)碾過(guò)慢容易陷碾，并降低施工強(qiáng)度。同時(shí)在實(shí)際施工中，各條帶之間由于平倉(cāng)所帶來(lái)的骨料分離等現(xiàn)象需要人工加以處理，卸料后應(yīng)及時(shí)平倉(cāng)［4］、碾壓，導(dǎo)致實(shí)際情況往往是碾壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于平倉(cāng)。此外，在施工過(guò)程的可視化表達(dá)與基于施工進(jìn)度偏差的實(shí)時(shí)糾正等方面，需要進(jìn)行更加深入的研究［5］。

面向工程建設(shè)全過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控是水利工程質(zhì)量監(jiān)控發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了填補(bǔ)當(dāng)前對(duì)壩面碾壓環(huán)節(jié)質(zhì)量監(jiān)控的簡(jiǎn)化處理，更好地對(duì)實(shí)際筑壩的碾壓施工過(guò)程進(jìn)行全天候、高精度、高效益的質(zhì)量監(jiān)控，對(duì)施工作業(yè)區(qū)的碾壓車找到一種滿足施工設(shè)計(jì)精度、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)是必不可少的。超寬帶技術(shù)（Ultra Wideband，UWB）自被FFC（國(guó)際聯(lián)邦通信委員會(huì)）允許通過(guò)以來(lái)一直備受關(guān)注，現(xiàn)已成為無(wú)線通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并被視為下一代無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。UWB從美國(guó)引進(jìn)國(guó)內(nèi)時(shí)間很短，其有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于中小型水壩等建設(shè)施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。因此，研究如何利用該新技術(shù)對(duì)水利工程建設(shè)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有一定的理論和實(shí)際意義。

2 超寬帶技術(shù)在水利工程質(zhì)量監(jiān)控中的適用性

傳統(tǒng)GPS技術(shù)是利用圍繞地球的24顆衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)進(jìn)行經(jīng)緯度和高度的定位。GPS利用4顆衛(wèi)星即可對(duì)物體進(jìn)行經(jīng)緯度和高度X，Y，Z的三維定位，其中3顆進(jìn)行坐標(biāo)定位，1顆衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)鐘矯正。GPS除了具備測(cè)量經(jīng)緯度和高度的作用以外，GPS還具有其他一些功能，比如利用上一次定位的坐標(biāo)和這次定位的坐標(biāo)差進(jìn)行測(cè)速，利用兩次坐標(biāo)差進(jìn)行方向的定位，利用行進(jìn)軌跡進(jìn)行里程的計(jì)算和面積的計(jì)算等等。然而，GPS是需要和衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)系才能夠定位的，城市里的水泥混凝土、高架橋、天線、電線，以及野外的山、樹木等都是干擾信號(hào)，時(shí)常會(huì)有信號(hào)接受不到的情況發(fā)生，從而影響定位精度。而且，在動(dòng)態(tài)定位的短時(shí)間觀測(cè)內(nèi)，衛(wèi)星位置相對(duì)于接收機(jī)變化非常小，需要進(jìn)行一定的技術(shù)處理才能保證一定的精度，難以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位。GPS衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射兩種碼，一種為細(xì)碼（P碼）和一種粗碼（C/A碼）。P碼的精度非常高，通常可以控制在誤差3 m以內(nèi)，但只為軍方服務(wù)。而民用的為C/A碼，精度在14 m以內(nèi)。由上述可知，傳統(tǒng)GPS技術(shù)無(wú)法很好地滿足高精度動(dòng)態(tài)跟蹤定位的實(shí)際應(yīng)用。

UWB是一種不用載波而采用時(shí)間間隔極短（小于1ns）的脈沖進(jìn)行通信的方式，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號(hào)。它能在10 m左右的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。終端設(shè)備測(cè)距和通訊模塊提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的、精度為厘米級(jí)的測(cè)距，抗干擾性能強(qiáng)，傳輸速率高，系統(tǒng)容量大，發(fā)送功率非常小，通信設(shè)備可以用小于1mW的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)通信，低發(fā)射功率大大延長(zhǎng)系統(tǒng)電源工作時(shí)間，而且其電磁波輻射對(duì)人體的影響也會(huì)很小，符合綠色節(jié)能環(huán)保原則，應(yīng)用面很廣。

2.1施工碾壓過(guò)程監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求為了滿足水利工程建設(shè)質(zhì)量和工期要求，在快速施工和施工質(zhì)量之間取得最佳平衡，同時(shí)施工過(guò)程中的氣溫、日照、風(fēng)速、裝卸機(jī)械運(yùn)力等都會(huì)對(duì)筑壩材料有一定影響，所以必須根據(jù)水利工程所處的位置、氣溫因素、原材料等實(shí)際情況，對(duì)筑壩材料實(shí)行動(dòng)態(tài)控制。從實(shí)際碾壓施工工藝質(zhì)量控制角度考慮，對(duì)施工作業(yè)區(qū)的碾壓遍數(shù)、碾壓厚度、碾壓軌跡及是否振動(dòng)碾壓等關(guān)鍵的施工工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。從實(shí)際工程使用情況看，UWB的三維定位技術(shù)具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠滿足這一實(shí)時(shí)要求。

2.2施工質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的安全性要求由于水利工程中的一些地形地貌等數(shù)據(jù)屬于敏感數(shù)據(jù)，不宜在公網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，而且建設(shè)單位也往往希望對(duì)工程質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)具有一定的保密安全要求。因此，從水利工程施工質(zhì)量監(jiān)控的數(shù)據(jù)安全性角度考慮，由于UWB具有自組網(wǎng)通信和超寬帶頻的特性，具有較高的安全性和空間分辨率，特別適用于此類具有保密及安全要求的水利工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)控。

2.3工程施工質(zhì)量監(jiān)控的經(jīng)濟(jì)性要求若想要對(duì)壩面碾壓環(huán)節(jié)進(jìn)行更為細(xì)致的質(zhì)量控制，則首先要對(duì)碾壓車進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位監(jiān)測(cè)，其目的是通過(guò)對(duì)碾壓車的跟蹤定位來(lái)監(jiān)測(cè)碾壓車工況和繪制相關(guān)運(yùn)動(dòng)軌跡。傳統(tǒng)GPS技術(shù)在水利工程數(shù)字化填筑監(jiān)控方面也取得了一定的成果，在水布埡、瀑布溝水電站、糯扎渡水電站成功應(yīng)用［6-8］。GPS全球定位系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置，若要精確定位接收機(jī)所處位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。然而，實(shí)際上，大量水利工程都選址在峽谷地區(qū)建設(shè)，由于地形地貌的復(fù)雜性和特殊性，信號(hào)穩(wěn)定性無(wú)法保證，需要增加架設(shè)基站增強(qiáng)信號(hào)接收的精度。超寬帶技術(shù)作為一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)時(shí)間沖擊脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)射端與接收端以自組網(wǎng)的方式進(jìn)行通信，不受特殊地域限制，無(wú)需借助第三方設(shè)備，使用成本低，適用范圍廣。因此，從工程施工質(zhì)量監(jiān)控成本和適應(yīng)范圍角度考慮，超寬帶設(shè)備具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 超寬帶技術(shù)原理及基站建設(shè)原則

3.1技術(shù)原理在三維空間中，球形定位是通過(guò)多個(gè)參照節(jié)點(diǎn)（N≥4）的坐標(biāo)對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距的定位方法。一般地，選取4個(gè)及以上參考節(jié)點(diǎn)則可唯一確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，限于施工條件和經(jīng)濟(jì)等因素的考慮，往往選取3個(gè)參考點(diǎn)采用球形定位算法進(jìn)行計(jì)算，由此可計(jì)算得出2個(gè)位置坐標(biāo)，這時(shí)則需要根據(jù)坐標(biāo)系設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)坐標(biāo)值的正、負(fù)值進(jìn)行限定后，方可得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

坐標(biāo)系的建立可分為中心節(jié)點(diǎn)定位和相對(duì)定位兩種方式。中心節(jié)點(diǎn)定位是指依據(jù)已知的中心節(jié)點(diǎn)計(jì)算一系列目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。在這個(gè)系統(tǒng)中，任意節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)中心參考節(jié)點(diǎn)，需保證各節(jié)點(diǎn)之間有可靠的端到端連接，進(jìn)而得到中心節(jié)點(diǎn)與各個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離和角度信息，并測(cè)算出其他節(jié)點(diǎn)的位置，但是每個(gè)中心節(jié)點(diǎn)對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)所依據(jù)的協(xié)調(diào)參考系卻往往是不同的。相對(duì)定位則是指通過(guò)某一個(gè)共同的協(xié)調(diào)參考系來(lái)測(cè)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置（如GPS中的24顆地球同步衛(wèi)星就可以組成一個(gè)共同的參考系），這種擁有共同參考系的定位方式，可以使得在整個(gè)參考系中節(jié)點(diǎn)形成某一網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)依據(jù)一定的協(xié)議機(jī)制彼此可以交換各自的信息。參考系在最初的時(shí)候可以任意選擇節(jié)點(diǎn)來(lái)組成，在很多情況下也可以由中心節(jié)點(diǎn)的參考系轉(zhuǎn)化得到，參考系的選擇可由相應(yīng)的定位協(xié)議來(lái)完成。相對(duì)定位與中心節(jié)點(diǎn)定位的最大不同就是它擁有一個(gè)共同固定的參考系，而后者則依據(jù)不同的中心點(diǎn)就有不同的參考系。雖然相對(duì)坐標(biāo)系不能直觀對(duì)照現(xiàn)實(shí)環(huán)境確定移動(dòng)點(diǎn)的位置，需要通過(guò)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或換算坐標(biāo)系值才能計(jì)算出移動(dòng)點(diǎn)的位置，但是它具有以下優(yōu)點(diǎn)：一、直接通過(guò)3個(gè)固定點(diǎn)建立空間三維坐標(biāo)系，并且誤差范圍能夠保持在測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍的10 cm以內(nèi)；二、計(jì)算過(guò)程沒(méi)有復(fù)數(shù)的結(jié)果，可以比較準(zhǔn)確的得到移動(dòng)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值。

因此，超寬帶基站選取3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)采用相對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，組成一個(gè)自組網(wǎng)的共同參考系。如圖1所示，建立超寬帶基站坐標(biāo)系，由1個(gè)移動(dòng)基站100和作為參考節(jié)點(diǎn)的3個(gè)固定基站101、102、103組成，組成了一個(gè)以100，101，102，103為頂點(diǎn)的四面體，其中A，B，C，D，E，F(xiàn)表示其6條線段，考慮到D，E，F(xiàn)這3個(gè)線段理論上是固定值，因此由D，E，F(xiàn)的3邊組成的三角形為XOY平面，并且以101點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以垂直于XOY平面的線為Z軸，以101到102方向?yàn)閄軸正方向。

其中，坐標(biāo)如下：101（0，0，0）；102（F，0，0）；103（（D2+F2-E2）/2F，，0）；100（X，Y，Z）。在此坐標(biāo)系中，101的坐標(biāo)是（0，0，0），102的坐標(biāo)是（F，0，0），103的坐標(biāo)為（X103，Y103，0），根據(jù)DEF計(jì)算X103和Y103的坐標(biāo)值，需要求解如下的二元二次方程組：

圖1 超寬帶基站坐標(biāo)系

根據(jù)上面計(jì)算公式，依次計(jì)算出點(diǎn)101，102，103在整個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)后，根據(jù)移動(dòng)基站100到3個(gè)固定坐標(biāo)之間的距離，在三維空間中根據(jù)ABC的值計(jì)算移動(dòng)基站100點(diǎn)的X100、Y100、Z100的坐標(biāo)值，需要求解如下的三元二次方程組：

對(duì)計(jì)算的X，Y，Z進(jìn)行取正值處理，不同的100點(diǎn)坐標(biāo)就是移動(dòng)基站100的變化軌跡，從而則可根據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)基站100的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤定位，由此可計(jì)算出其行駛速度、行駛軌跡等信息。

3.2基站建設(shè)原則根據(jù)上述對(duì)定位原理和坐標(biāo)系的分析，為保證定位算法能夠達(dá)到測(cè)量的精度范圍，并且能夠直觀地了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，必須對(duì)以上兩種方法進(jìn)行綜合考慮，確保計(jì)算前進(jìn)行多種方法驗(yàn)證，并且在建立基站前進(jìn)行詳細(xì)勘察和設(shè)計(jì)，具體原則如下：①建立3個(gè)固定點(diǎn)基站盡可能的保持在同一海拔，保證建立坐標(biāo)系的固定平面和海平面平行，且測(cè)量?jī)x器誤差選定在厘米級(jí)別，避免增大誤差；②建立3個(gè)固定點(diǎn)基站連接組成三角形盡可能的保持銳角三角形，提高算法中球體交集的取值精度；③3個(gè)固定基站之間的距離保持固定值，使用自帶的測(cè)距軟件進(jìn)行階段性有效數(shù)據(jù)的平均值結(jié)合實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行綜合考慮，避免由于信號(hào)不穩(wěn)定增大誤差；④建立基站的同時(shí)，在測(cè)量環(huán)境中建立一個(gè)不易被毀壞的基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)，階段性的進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)量，用來(lái)階段性的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；⑤建立對(duì)異常數(shù)據(jù)的剔除規(guī)則，保證計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)浮動(dòng)在要求的期望精度范圍之內(nèi)。

4 守口堡膠凝砂礫石壩建設(shè)施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)實(shí)例

守口堡水庫(kù)位于山西省大同市陽(yáng)高縣境內(nèi)海河流域黑水河上游段，屬小型水庫(kù)，主壩采用膠凝砂礫石壩型，最大壩高61.6 m，壩頂長(zhǎng)354 m，總庫(kù)容為980萬(wàn)m3。

“你一個(gè)呀！我一個(gè)！我一個(gè)呀！我一個(gè)！我一個(gè)呀我一個(gè)！……”他嘴里念念有詞地舞動(dòng)起筷子來(lái)，夾著蝦在易非和他的碗之間穿梭著，忙活得可帶勁了，看到他碗里的蝦都漫出來(lái)了，易非準(zhǔn)備動(dòng)筷子吃了，可低頭一看，自己碗里還是只有一個(gè)。

由于膠凝砂礫石壩在壩基、施工工藝和筑壩材料方面要求較低，導(dǎo)致其適用范圍廣，非常受一些峽谷地區(qū)等特殊地理環(huán)境的中小型水庫(kù)及圍堰等中小型水利工程青睞。與常規(guī)壩型相比，膠凝砂礫石壩在適用性和經(jīng)濟(jì)性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以就地、就近取材，無(wú)需設(shè)置集料篩分，施工進(jìn)度快，施工工序簡(jiǎn)單高效，因而要求施工過(guò)程緊湊，高峰期筑壩效率要求高，實(shí)際壩面碾壓工期很短，這給施工質(zhì)量控制帶來(lái)了一定的困難和風(fēng)險(xiǎn)，需要綜合考慮影響施工質(zhì)量的各方面因素，盡量采用自動(dòng)化監(jiān)控手段，加強(qiáng)施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控力度。本文以山西守口堡膠凝砂礫石壩為例，采用超寬帶技術(shù)對(duì)大壩填筑施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)作業(yè)區(qū)振動(dòng)碾壓車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供大壩鋪筑層表面的實(shí)時(shí)碾壓信息。

4.1超寬帶基站及布網(wǎng)設(shè)置

4.1.1 基站設(shè)置 根據(jù)守口堡大壩的實(shí)際勘測(cè)情況，施工現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)的超寬帶高精度定位網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)基站組成，選取了3個(gè)根據(jù)實(shí)際勘測(cè)選取的固定基站作為參考節(jié)點(diǎn)和1個(gè)移動(dòng)基站安裝在碾壓車上實(shí)現(xiàn)跟蹤動(dòng)態(tài)定位，定位數(shù)據(jù)可以通過(guò)任何1個(gè)基站設(shè)備傳回監(jiān)測(cè)中心。上述4個(gè)基站模塊選用PulsON?410測(cè)距與通信模塊，測(cè)距軟件選用產(chǎn)品廠家提供的RangeNet RET。該模塊是一個(gè)微型的超寬帶模塊，采用獨(dú)特的超寬帶脈沖射頻信號(hào)機(jī)制進(jìn)行雙向飛行時(shí)間測(cè)距和通信，即使在高度多徑和高度反射的環(huán)境下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距精度也可控制在2 cm之內(nèi)，滿足碾壓車三維高精度跟蹤定位的實(shí)際需求。

4.1.2 布網(wǎng)設(shè)置 根據(jù)上述守口堡大壩的基站設(shè)置情況，將4個(gè)基站的位置布設(shè)示意圖如圖2所示。其中，根據(jù)上述分析的基站建立原則，基站1、基站2和基站3在現(xiàn)場(chǎng)選點(diǎn)和布設(shè)時(shí)，采用了以下3個(gè)原則：（1）這3個(gè)基站構(gòu)成的三角形保持銳角三角形，并且盡可能的使大壩包含在這個(gè)三角形內(nèi)，方可對(duì)行駛在大壩上任意位置的碾壓車進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤定位，實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)監(jiān)測(cè)；（2）3個(gè)基站在同一個(gè)水平面上，保證建立相對(duì)坐標(biāo)系的固定平面和海平面平行，避免增大誤差；（3）建立基站的同時(shí)在測(cè)量環(huán)境中建立一個(gè)不易被毀壞的基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)，階段性的進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)量，用來(lái)階段性的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

圖2 基站位置布設(shè)

4.2碾壓車監(jiān)測(cè)類型邏輯關(guān)系分析膠凝砂礫石壩的施工工藝控制中，通過(guò)對(duì)碾壓車的定位，監(jiān)控碾壓車行駛軌跡、工作狀況，如碾壓遍數(shù)、碾壓速度、碾壓軌跡、倉(cāng)面厚度、倉(cāng)面面積、壓實(shí)度、起止和推鋪時(shí)間等，是控制填筑作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵。將有關(guān)監(jiān)控內(nèi)容的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 碾壓車監(jiān)測(cè)類型邏輯關(guān)系

4.3碾壓軌跡和碾壓遍數(shù)實(shí)時(shí)繪制通過(guò)對(duì)碾壓車的定位，監(jiān)控系統(tǒng)每間隔200 ms提供一次位置計(jì)算結(jié)果，可以有效監(jiān)控鋪料厚度變化，各碾壓機(jī)械的監(jiān)控系統(tǒng)顯示屏上可以反映出其自身的碾壓狀況（行駛軌跡、行走速度、碾壓遍數(shù)），而且在監(jiān)控中心也可以對(duì)各移動(dòng)端監(jiān)控系統(tǒng)的碾壓狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，如圖4所示。

圖4 碾壓行駛軌跡和碾壓遍數(shù)

圖5 不同振動(dòng)狀態(tài)下的波形

4.5施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)效果分析判別超寬帶技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)施工質(zhì)量監(jiān)控效果，既要看其對(duì)大壩施工作業(yè)質(zhì)量目標(biāo)的監(jiān)控精度和采樣密度能否滿足要求，同時(shí)也要看其監(jiān)控實(shí)時(shí)性。（1）超寬帶實(shí)時(shí)監(jiān)控很重要的一點(diǎn)在于移動(dòng)基站設(shè)備與振動(dòng)碾壓車綁定，能夠準(zhǔn)確直觀反映振動(dòng)碾壓車的行動(dòng)軌跡、行動(dòng)速度、碾壓遍數(shù)，并對(duì)異常情況采取報(bào)警措施。特別是在大倉(cāng)面填筑施工作業(yè)監(jiān)控中，對(duì)于這3個(gè)重要碾壓參數(shù)的監(jiān)控密度可達(dá)到100%，一定程度上消除了質(zhì)量控制的盲區(qū)。對(duì)于規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)和強(qiáng)化振動(dòng)碾壓車駕駛員及相關(guān)施工人員質(zhì)量責(zé)任意識(shí)，可起到重要作用。（2）超寬帶實(shí)時(shí)監(jiān)控借助人機(jī)可視化技術(shù)，從施工質(zhì)量管理角度，拓寬了管理者的視角，建立了質(zhì)量控制與施工調(diào)度間相關(guān)聯(lián)的運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)，能夠更加直觀掌控大體積堆石體填筑整體碾壓施工質(zhì)量狀況，全面提高了質(zhì)量管理效率和管理水平。（3）超寬帶實(shí)時(shí)監(jiān)控具有實(shí)時(shí)性，能夠?qū)崟r(shí)反映鋪料厚度基本變化情況。（4）超寬帶實(shí)時(shí)監(jiān)控中檢測(cè)者與管理者可為同一人，提高了施工過(guò)程效率。由于常規(guī)壓實(shí)度檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，需人工現(xiàn)場(chǎng)操作，且管理者與檢測(cè)者通常不是同一個(gè)人，相對(duì)而言多了個(gè)環(huán)節(jié)，由此增加了一定的工作量。在高強(qiáng)度的大體積填筑碾壓施工中，效率就顯得更為突出。（5）超寬帶實(shí)時(shí)監(jiān)控雖可測(cè)定鋪料碾壓前后厚度基本變化，但精度并不足以直觀反映最重要參數(shù)值——堆石體壓實(shí)率，超寬帶采樣解算的高程數(shù)值和堆石體的壓實(shí)度值之間尚不能快速地建立高精度的推定關(guān)系曲線。因而，超寬帶技術(shù)本身只能作為監(jiān)控壓實(shí)率的輔助手段。

5 結(jié)語(yǔ)

面向工程建設(shè)全過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控是水利工程質(zhì)量將發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了填補(bǔ)當(dāng)前對(duì)壩面碾壓環(huán)節(jié)質(zhì)量監(jiān)控的簡(jiǎn)化處理，更好地對(duì)實(shí)際筑壩的碾壓施工過(guò)程進(jìn)行全天候、高精度、高效益的質(zhì)量監(jiān)控，有必要對(duì)施工作業(yè)區(qū)的碾壓車工況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。UWB技術(shù)具有成本低、自組網(wǎng)通信、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適用于中小型水電站建設(shè)施工中的壩面碾壓質(zhì)量監(jiān)控。本文以山西守口堡膠凝砂礫石壩施工過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控為例，采用超寬帶技術(shù)對(duì)大壩填筑施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)作業(yè)區(qū)振動(dòng)碾壓車行駛軌跡、行走速度、碾壓遍數(shù)、碾壓的鋪層厚度變化、碾壓方式等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供大壩鋪筑層表面的實(shí)時(shí)碾壓狀況等信息，為質(zhì)量管理者提供準(zhǔn)確的判別依據(jù)，從而達(dá)到施工工程質(zhì)量控制的基本目標(biāo)。由于超寬帶技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢(shì)，可以拓展到任何需要實(shí)時(shí)定位監(jiān)控、振動(dòng)碾壓施工方式、數(shù)據(jù)要求安全和保密的應(yīng)用場(chǎng)景中，如提防、公路鋪設(shè)、建筑地基等，具有一定的研究及推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 司志明，秦根泉.碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)施工技術(shù)發(fā)展與工程實(shí)例研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

［2］ 張秀芝，劉志清.GPS在水布埡大壩施工質(zhì)量監(jiān)控中的運(yùn)用［J］.人民長(zhǎng)江，2006，37（7）：65-67.

［3］ 田育功.碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［4］ 趙春菊，周宜紅.碾壓混凝土壩施工智能仿真原理與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［5］ 鐘登華，常昊天，劉寧等.高堆石壩施工過(guò)程的仿真與優(yōu)化［J］.水利學(xué)報(bào)，2013，44（7）：863-871.

［6］ 吳曉銘.水布婭大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.湖北水力發(fā)電，2002，（1）：27-28.

［7］ 趙川，吳敏，沈嗣元，等.堆石壩填筑質(zhì)量GPS監(jiān)控及附加質(zhì)量法檢測(cè)密度技術(shù)［J］.云南水力發(fā)電，2009，25（6）：101-105.

［8］ 鐘登華，常昊天，劉寧，等.高堆石壩施工過(guò)程的仿真與優(yōu)化［J］.水利學(xué)報(bào)，2013，44（7）：863-872.

Research and aplication of UWB technologyin quality control of water resources project construction

JIANG Xinlan1，2，CHEN Yu2，MIAO Lun2，LIU Ying2，LUO Zhaokun3
（1.Information Network Center，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Beijing Putian Tongda Technology Co.，Ltd.，Beijing 102218，China）

s：The existing achievements of water resources project construction quality monitoring control fo?cus mainly on transport，mixing etc.However，in the process of quality control，a lot of simplified treat?ment on the quality control of roller compaction is carried out.To a certain extent，this situation has brought hidden dangers to the safety of the project.Ultra wideband technology has the characteristics of low cost，strong real-time performance，self-networking communication and ultra wideband frequency，especial?ly suitable for the quality control of dam surface rolling in the construction of water projects with high realtime performance requirements.Firstly，the applicability of UWB technology in the water project construction quality control is analyzed from three aspects of real-time，safety and economy，and then its principle and base station construction principle are introduced.Finally，taking the construction quality control of the ShouKouPu CSG dam in Shanxi as an example，this paper describes the UWB base station and network layout built at the dam filling construction site，using UWB technology to realize real-time dynamic track?ing and monitoring of rolling vehicle in dynamic working area，obtain the information of the key construc?tion conditions，such as the number of rolling passes，the track and the rolling method，and provide the accurate judgment basis for the project quality management，in order to achieve the basic goal of construc?tion quality control.

UWB；water conservancy project；construction quality；CSG dam

TP929.53

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.008

1672-3031（2017）01-0054-07

（責(zé)任編輯：楊 虹）

2016-01-14

江新蘭（1983-），女，江西萬(wàn)年人，博士，工程師，主要從事軟件開發(fā)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和水利信息化技術(shù)研究。E-mail：jxl@iwhr.com