水利工程建设质量监控超宽带技术应用

［摘要］本文阐述了超宽带技术在水利工程建设质量监控中的适应性，以及超宽带技术原理和基站建设要求的基础上，对超宽带技术在水利工程建设质量监控中的应用进行了探讨。以某地区新建小型水库大坝作为工程实例，对超宽带基站实时监测效果进行分析。以期推动水利工程现代化技术的应用。

［关键词］水利工程;质量监控;超宽带;技术应用

水利工程施工是一项琐碎的工程，其包含繁多的机械设备、物资及施工工种，同时在施工时还容易受到外界环境影响，对工程施工质量带来巨大的挑战，所以在水利工程施工时需要严格规范的施工控制，以保证各环节安排衔接得当。在施工控制环节中质量监控是其重要的一部分，传统水利工程作业时质量监控多采用相关技术监测人员人工测量，这种质量监测方式工作量较大，对技术人员技术水平依赖性较强，监测选点较随意，准确度参差不齐，且监测有一定滞后性，即使在监测过程中发现问题，后续补救措施比较繁琐，导致施工工期不容易控制，且全线施工质量不稳定。水利工程质量监控一直是施工控制的难点，在质量监控时要综合考虑多种制约因素，例如施工拌合料、运料、碾压等各个工序需要协调运作、相互配合，以满足工程施工需要。研究以往水利工程质量监控发现，在质量监控中多侧重于运料、拌和等施工环节的质量控制，对影响施工质量的碾压施工质量监控相对薄弱，有些工程在施工时还是按照传统施工经验进行碾压施工控制，在一定程度上给工程施工造成不良影响。在实际碾压施工中，振动碾的行走速度能够直接对碾压效果产生影响，振动碾碾压施工速度过快，碾压施工效果较差，碾压效率也不高，振动碾碾压施工速度过慢，容易碎碾。所以为了保证碾压施工质量，需要建立碾压施工实时动态监控系统，以保证碾压车高效稳定地进行碾压施工。超宽带技术简称UWB，是近几年施工较广泛的新型无线通讯技术，它可以直接调制冲击脉冲使产生的信号带宽具有GHz量级。超宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统较简单、定位精确度较高等优点。本文对超宽带技术应用到水利工程建设质量监控中效果进行分析探讨。

1UWB技术在水利工程建设质量监控中的适应性

水利工程建设质量监控中应用的GPS技术需要和卫星信号联系才能够达到精确定位效果，水利工程施工场地有很多干扰信号，例如电线、高山、树木等，会导致施工质量实时监控信号不稳定，从而对测量精度产生影响。同时GPS卫星定位精确度较低，需要采用一定设备才能提高定位精度。上文提高UWB技术具有定位精确度较高优点，它是采用时间间隔非常短的脉冲(小于1ns)进行通信，数据传输采用非常小的纳秒、微微秒非正弦波窄脉冲进行，可以在较宽的频谱上传送功率非常低的信号，信号截获能力较高。GPS终端通讯、测距模块的测距是点对点、精度为厘米的，这种测距方法精度高、基本不受环境影响、抗干扰能力强、系统容量大、发射功率小，对工程相关设备要求较低，所以在实际应用中应用面积较广。

1．1碾压施工时质量监控实时性要求

水利工程施工时需要施工质量和工期控制之间相互协调，以期在规定工期内圆满完成施工任务。在具体施工时会受到施工当地地质环境、天气因素、施工材料装卸施工等因素影响，所以在具体施工时要综合各种影响因素，对各种施工因素进行动态控制。从碾压施工来说，需要对碾压施工的碾压速度、碾压遍数、碾压轨迹、碾压厚度等进行实时动态监控，以保证碾压施工的稳定性。综合考虑各种质量监控技术，UWB技术具有较高的稳定性和精确度，能够满足碾压施工时质量监控实时性要求。

1．2质量控制成本要求

水利工程施工各项成本一般较高，在有限经费控制下，相应投入质量控制资金不会太高。上文提高碾压施工应是水利工程质量控制的重点之一，所以应保证施工质量。碾压施工控制重点是对碾压设备进行动态监控，获取碾压设备的运行轨迹。由于水利工程一般建设在峡谷地区，这些地区卫星信号较弱，利用GPS定位系统要想实现碾压施工的实时定位需要借助许多辅助设备(建设信号基站)才能捕获较稳定的数据信号，所以实时监测成本一般较高。UWB技术可以直接调制时间冲击脉冲，通信方式是数据发射端和接收端进行自组网，基本不受时间、空间、地域限制，还有一个重要优点是，此技术配套设备简单，运行时不需要借助第三方设备，使用范围较为广泛，运行成本较低，适用于水利工程建设质量监控。

1．3施工数据安全性要求

有些水利工程施工数据属于敏感数据，不能在网络上传输，所以在具体质量监控时要对监控数据进行加密。从数据安全性角度考虑，UWB技术具有利用自组网通信及超宽带频的特性，所以传输的数据本身具有较高的安全性及分辨率，将此技术应用到水利工程建设质量监控中能够保证数据的安全性。

2UWB技术原理和基站建设要求

2．1UWB技术原理

在三维立体空间中，球形定位需要建立四个以上参照节点坐标才能完成目标节点定位，一般情况下只有采用至少四个参照节点才能准确确定目标节点唯一坐标，然而在实际应用中，由于施工条件和经费限制，常选取3个参考节点进行目标节点坐标定位。固定一个已知节点，计算出其他两个位置坐标，然后对坐标值正、负进行限定，最后确定目标节点位置坐标。坐标系的建立常用方式有两种，分别是中心节点定位和相对定位。中心节点定位方法中任意节点均可作为中心节点，但是不同中心节点所依据参考系不同。相对定位参考节点之间拥有共同的参考系，可以就一中心节点形成稳定网络结构，还能根据统一的协议机制实现各节点信息交换。综上UWB技术采用相对定位方法进行坐标系的建立。

2．2基站建设要求

根据上文UWB技术坐标系分析，为了保证质量监控精度，基站的建设要符合以下要求:(1)3个基站坐标在条件允许情况下要保证在同一海拔下，使建立的坐标系的固定平面和海平面一致，另外相关测量仪器精度要高，误差要控制在厘米级别以内。(2)3个基站坐标形成的三角形为锐角三角形，此种建设方法可以提高目标位置计算的精确度。(3)3个基站坐标之间距离要尽量一致，在进行有效数据平均值分析时测距软件要和实际测量结果相结合，减小因信号不稳定产生的测距软件误差。(4)基站在建立时还要根据基站建立点设置一个外界干扰性较小的基准测量点，定时进行基准测量，然后根据基准测量结果对监测系统进行校对，保证系统信息监测的精确性。(5)增加系统对异常数据的剔除功能，减小因异常形成数据在系统数据库中造成的计算误差，提高系统数据采集精度。

3工程实例分析

某地区需要新建一座小型水库，设计总库容980万m3，主坝施工计划采用胶凝砂砾石坝，坝高61．6m，坝顶长度为354m。胶凝砂砾石坝施工工艺较简单，施工材料可以就地取材，施工进度较快，是小型水库施工的常用方式。由于此水坝施工方式较简单，所以设定工期时间较短，所以施工过程非常紧凑，给高峰期筑坝施工控制带来很大挑战。工程相关技术人员综合考虑各种因素后，决定利用UWB技术对大坝的填筑施工振动碾压设备进行实时监测，以保证大坝铺筑层碾压施工质量。

3．1超宽带基站和布网设置

地质勘测人员对此大坝施工区域进行现场查看，确定在施工现场架设4个超宽带基站，主要由3个固定基站和1个目标基站组成，固定基站是参考节点，目标基站设置在碾压机械设备上，碾压设备实时监测信息可以通过任一固定基站传输到监测控制中心。施工现场设置的4个基站均采用Puls410测距及通信模块，模块中采用的测距软件是RangeNetRET，此测距及通信模块测距精确度较高，测量误差可控制在2cm之内，能够满足此工程监测需求。基于4个基站设置情况，结合实际地质勘测及基站建设要求，固定基站和目标基站的设置示意图见图1，从图1显示可以看出，基站建设符合要求，能够保证大坝填筑施工振动碾压设备实时监测数据传输质量及精度。

3．2碾压机械逻辑关系及碾压轨迹分析

大坝在进行施工时，通过在碾压机械设备上设置的目标基站，对碾压机械设备运行情况进行实时监控，监控设置为每隔200ms传输一次位置计算数据，从而可以确定铺料厚度变化，在监控处理器上可以精确显示实时碾压施工状态，包括碾压车辆行走轨迹、碾压次数、碾压速度等数据，一旦碾压施工有异常情况，可以及时纠正，保证高效的碾压质量。碾压逻辑关系分析图见图2。

3．3碾压状态动态识别

对振动碾压设备进行实时监测，是为了保证大坝铺筑层碾压施工质量。按照水坝施工要求，对碾压机械设备的碾压速度、碾压次数等行驶轨迹、工作状况都有严格要求。碾压机械设备在不同工作状态下产生的振动频率有很大区别，设计在碾压机械设备上安装监测基站进行记录碾压机械设备的工作运行情况。结合具体施工特点，碾压设备在进行静碾状态下和动碾状态下行驶速度分别为1．1m/s、0．28～0．42m/s，通过超宽带基站监测的碾压机械设备运行情况确定其不同施工状态下的振动波形，见图3。

3．4质量监控效果分析

此小型水库大坝铺筑层碾压施工采用建立的4个超宽带基站对碾压机械设备进行实时监控，通过监控数据可以确定此工程采用超宽带技术有以下优点:1)能够实施监测大坝铺筑层碾压施工情况，一旦施工过程出现异常，能够及时报警，相应施工人员能迅速采取措施，保证碾压施工质量，提高施工效率。2)采用超宽带技术监控具有实时性，能够直接反映铺料厚度施工变化，能够根据施工进度合理控制工期。3)采用超宽带技术能够提高施工管理效率，保证施工人员施工质量。

4结语

综上所述，水利工程建设是我国建设规划的重点工程之一，信息化监测系统是水利工程施工未来发展的必然趋势，本文对超宽带技术进行探讨，并以某地区新建小型水库大坝作为工程实例，对超宽带基站实时监测效果进行分析，结果表明运用此技术能明显提高施工效率，保证碾压施工质量，提高管理效率，在推动水利工程现代化技术的应用方面有积极意义。

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作者：王菲菲 单位：甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司