GPS自动化监测系统的研制及其应用

GPS自动化监测系统的研制及其运用1/8/2024武汉大学测绘学院郭际明/ise主要内容一、GPS自动化监测系统的研制二、GPS自动化监测系统的运用1、目的和意义安徽阜阳市内的桥梁忽然坍塌江苏省吴江市梅堰镇一座桥梁忽然坍塌意大利的瓦依昂大坝法国的马尔巴塞溃坝北京八达岭高速公路滑坡一、GPS自动化监测系统的研制广东佛山九江大桥的忽然坍塌3桥梁、大坝、滑坡等工程灾祸虽然不像地震、洪水、海啸那样一发生就呵斥宏大人员伤亡和财富损失，但地震、洪水、海啸普通都是十几年，乃至几十年一遇，而工程灾祸发生非常频繁，几乎每周一遇。从这个意义上讲，工程灾祸的危害比地震灾祸、洪水、海啸灾祸等有过之而无不及。因此为了准确预告工程灾祸，到达减灾防灾的目的，必需对有能够带来灾祸工程进展监测和预警。普通的方法是利用外观资料和引起外观位移的因变量等各种资料，进展综合分析，及时掌握其运营形状及变化趋势，在灾祸未发生之前进展预警并采取相应的对策，从而保证建筑物的运转平安和保证人民的财富不受损失。1、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制4灾祸监测的危害性和实时性，决议了需求一套在办公室就能自动获取各种变形监测数据，并实时对数据进展分析和预测预告。那么这样的系统对仪器或监测技术提出更高要求，主要概括下面三点——自动化程度高,在天气恶劣条件下也能监测——实时获取变形，尽量在数据观测完后，就可以得到变形量——价钱适宜，假设太高，不便于推行运用1、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制5测量仪器测量指标技术实用范围测量精度特点精密测尺Δ距离<30m0.5mm/30m人工、精度低引张线仪Δ距离<10－80m 0.3mm/30m自动化、远程化裂缝探测仪Δ距离<5m5mm人工水准仪ΔH不限制0.2-1mm/km经纬仪Δ角度不限制5〃倾斜仪Δ高度角±10º5-10mm+1－2ppm自动化、远程化测距仪Δ距离1～14公里1-5mm+1-5ppm人工全站仪Δ角度，Δ距离2〃-5〃；2-5mm测量机器人Δ角度，Δ距离<1000m1〃；2-5mm半自动化、远程化地面摄影仪ΔE，ΔN，ΔH距离<100m20mm～100mm人工航空摄影仪ΔE，ΔN，ΔH高度<500m100mmGPS设备ΔX，ΔY，ΔZ距离<20公里2-5mm+3ppm自动化、远程化1、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制6方式1：只用几台GPS接纳机，人工定期逐点采集数据，经过后处置获得各期之间的变形优点：简单、经济、本钱低，GPS接纳机可以与其他工程共享缺陷：不能实现自动化，不能延续获取工程变形方式2：在每个监测点上都安顿一台GPS接纳机，不延续地进展全天候自动监测优点：能延续自动地进展变形监测缺陷：监测本钱过高常规的变形监测方式全天候自动监测方式宝塔滑坡监测例如隔河岩大坝监测例如1、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制7automationcost多路GPS天线共享器GPS信号放大器——如何在提高自动化程度的同时降低和节约本钱GPS天线阵列接纳机GPS信号放大器课题组胜利研制了多路GPS天线共享器。用该共享器建立的GPS监测系统在每个监测点上只需安装天线，不需安装GPS接纳机，即一台接纳机控制多个天线，从而大幅度降低监测系统的本钱。专利号:ZL200420211261.21、目的和意义一、GPS自动化监测系统的研制8控制中心P1P3P4P5P6P7P2基准站1基准站2GPS天线阵列接纳机无线传输设备监测点GPS天线区域1天线阵列系统整体控制观测数据同步实时计算基线基线检核平差数据实时管理绘制变形过程输出成果报表专利号:ZL200420211260.82、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制92、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制GPS天线阵列共享器可以将多个天线衔接起来，分时段地进展切换，将各个不同天线的观测数据记录在同一个GPS接纳机中，大大降低GPS数据采集的本钱。在后面板上有220V三相电源接口，电源开关，保险丝，8个天线入口〔从IN1口到IN8口〕用于衔接GPS天线，一个天线输出端〔OUT口〕，将GPS接纳机接到OUT端口，即可进展分时段的数据采集。2.1GPS天线阵列共享器的研制102.1GPS天线阵列共享器的研制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制112.1GPS天线阵列共享器的研制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制122.1GPS天线阵列共享器的研制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制整个设备的任务原理为：经过ARM微处置器实时控制射频开关中各通道的开与闭，而射频开关的输出端那么接至GPS接纳机的输入端，如此以来，GPS接纳机上获取的数据恰为当前开启通道所对应的GPS天线数据，而GPS接纳机的输出端又与ARM微处置器控制的无线通讯模块的输入端相连，由无线通讯模块将设备运转参数(如当前开启通道号，各通道间切换时间，当前通道剩余时间，以及通道切换形状)和GPS数据远程发送至数据处置中心，而数据处置中心也可经过无线传输方式修正和设定整个设备的运转参数。132.1GPS天线阵列共享器的研制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制1、本设备具有双重开关〔射频开关以及天线电源开关〕，其中射频开关用于控制8路GPS天线信号之间的开与闭；天线电源开关控制8路GPS天线任务电源的开与闭，利用GPS天线得不到供电就不能正常任务的特性，处理了多路天线之间信号相互关扰的问题。2、本设备所用的微处置器内部集成TCP/IP协议，具有以太网控制功能，可将分时接纳到的GPS信号远程发送，并可远程设置该设备的运转参数。3、本设备集成度高，扩展功能极强，设备内可以按需求集成GPSOEM板接纳机、无线局域网〔WLAN〕模块、CDMA通讯模块等。4、数据传输手段多样化，可以运用无线局域网〔WLAN〕，以及CDMA、GPRS等手段，实现丈量数据的远程传输和对设备参数的远程设定。5、内置EEPROM，具有掉电保管运转参数的功能。142、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制2.2GPS天线阵列接纳机的研制GPS天线阵列接纳机是将GPS天线阵列共享器和GPS接纳机集成在一同的用来实现采集来自多个天线的观测数据，可以做到准实时和分时段采集，直接将各个天线衔接到天线衔接端口，不需求另外再衔接单独的接纳机，一切观测数据记录在本安装中，运用配套软件可以进展数据下载和数据处置，极大地节省本钱。本设备运用220V电源，可以进展扩展15GPS天线阵列接纳机一台接纳机控制的天线数不少于8个；为双频接纳机，基线精度不低于5+5ppm。2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制16双频GPS接纳机的天线要求能接纳L1(1575.42MHz)、L2(1227.6MHz)两个频带信号，且天线相位中心APC(AntennaPhaseCenter)的稳定性要求到达毫米级。常见的型式有:微带天线、四臂螺旋天线、角锥螺旋天线等。这些天线增益、方向图、驻波比及轴比等性能普通可满足变形监测要求，但天线相位中心稳定性有所不同。据相关文献阐明后两种天线相位中心稳定性较差,所以采用双频微带天线。RF滤波器预放下变频A/D转换器数字IF模拟IF射频RFGPS天线电路原理表示图自动增益控制2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制17GPS天线阵列接纳机的电路板主要有射频电路、继电电路、单片机、控制设备电路、显示器电路和GPS-OEM板接入电路组成。其主要功能是按照用户的设置要求，实时控制GPS天线设备输入的微波信号，从而到达分时接纳来自不同监测点的GPS天线传过来的GPS信号。GPS-OEM板暂时采用加拿大Novatel公司消费的双频OEMV-3。继电器及其控制电路射频电路(RF)●ANT1●ANT2●ANT3●ANT4●ANT5●ANT6●ANT7●IN●ANT8GPSOEM板J1J2J3J5J7J4J6J8单片机及其控制电路GPSCOM1GPSCOM2控制器COM电源供电及其控制电路液晶显示器电路天线阵列接纳机电路表示图接纳机数字原理图2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制1819在监测的区域比较广的地域，监测点之间的间隔能够很远，运用GPS天线阵列接纳机系统不可防止会遇到GPS信号远间隔传输的问题。当GPS信号传输间隔过远时，信号的损失相当大，会出现很多问题，如信号质量变低、锁定卫星不稳定、容易被干扰等，甚至不能收星。为了减少信号传输的损失，从信号处置的角度来说有三种方法:提高接纳天线内置放大器的增益，或者说是高增益的接纳天线运用低损耗的电缆传输电缆中采用高增益的中继放大器GPS信号放大器GPS信号放大器接纳机高增益天线加密封防水措施低损耗电缆可达1公里INOUT信号放大器衔接表示图2、硬件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制2.3GPS信号放大器的研制20数据处置流程表示图系统整体控制观测数据同步实时计算基线基线检核平差数据实时管理绘制变形过程输出成果报表功能模块表示图主界面3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制21数据采集系统是远程变形监测系统的操作对象，主要功能对GPS天线阵列接纳机的串口参数、控制天线数、各个天线的点名、切换时间、数据采样率、截止高度角等进展控制；对其它监测设备的串口参数、标识号、观丈量等进展控制。结合无线数据通讯系统可以实时将采集的数据发送回数据处置中心，另外可以将远程数据处置中心发过来的指令音讯进展转译并按照指令来控制监测设备。3.1数据采集系统3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制22数据采集监测站集线器温度传感器雨量传感器水位传感器…因变量等GPS天线阵列接纳机天线天线天线……倾斜计地裂痕位移计其它丈量设备天线电源供电系统组无线数据通讯系统数据采集系统组成图3.1数据采集系统3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制23天线阵列接纳机与传统接纳机的任务原理不同，这就需求一种特殊的数据处置软件。目前丈量型GPS接纳机，在开场丈量之后，它将会不断处于记录形状，而天线阵列接纳机要间隔一定时段进展天线切换时，GPSOEM板不能判别天线能否切换，因此必需在切换时，对观测数据的划分。根据这个特点，开发了天线阵列接纳机配置软件，在天线阵列接纳机切换后，就会按照设置好切换的点号，生成对应的Rinex观测数据文件。3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制24天线阵列接纳机数据采集界面3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制25由于该系统是实时处置系统，那么对基准站的GPS观测数据也要进展采集并把二进制式数据解码为规范的Rinex数据。基准站可以采用主流的双频接纳机如Trimble公司5700、ASHTECH公司Z12、JAVAD的OEM板、Navcom的OEM板、NavAtel的OEM板等。基准站接纳机采集界面3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制26管理处置系统的前台采用Browser/Server网络访问方式，这种方式具有无需在每台计算机上安装专门的软件，面向不特定的用户，客户机无需维护和晋级的优点。用户可以经过阅读器进展数据库的访问，阅读器与管理处置系统之间采用一致的http(s)协议进展数据的传输，并且用户界面一致在阅读器上。包括：原始观测数据管理模块基线计算模块〔实时、后处置〕基线检查模块〔网平差〕监测点变形数据管理模块3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制3.2数据处置与管理系统27对于实时变形监测系统，除了可以计算出监测点的变形来。另外一个任务就是采取一种什么样的方式将原始观测数据管理起来，方便以后进展检查和处置。目前大多数采用树文件夹管理方式，这种方式从技术角度来看，相对简单，但是假设采用大型数据库进展管理，那么可以随时提取和查询某个时段、某个监测站的卫星数据质量情况，方便获取观测数据过去某个时辰的卫星接纳的数据质量。其主要包括下面几个表：观测数据Rinex_Header表、观测数据Rinex_Obs表、观测数据Rinex_Nav表。3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制28观测数据Rinex_Header表构造字段名称含义类型备注﹡GpsWeekDayGPS周数+周的天数Int(####$)如1048表示，$(1-7)，周日为第一天﹡MonitorName监测点名CString(四个字母)同一个项目，前两个字母不相同*DayPeriod天的循环序号Int最小为1次循环观测AntType天线类型CString格式名称N:0.00E:0.00H:0.00AntHeight天线高Float(米为单位)真高四位小数，其它方式先转换DataInt数据采样率Float(秒)暂时设最小为0.5秒DateType数据类型Int(4||5)L1L2C1P2/L1L2C1P2P1Remark备注CString50个字符3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制29监测点数据管理系统是一个监测信息存储库，它是管理数据处置系统中的一个非常重要的信息库。它被定义为一种对象数据库，由系统内的许多监测对象及其属性组成。根据管理和拓展需求，构建监测站信息树。监测点数据管理系统是该系统的一个中心，基线检查后其平差结果和其它因变量数据都将按期数存放到数据库中，便于进展观测网图、成果报表、变形分析与预告等功能。3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制30PIMDMSta1MSta2MSta3MSta4Sation_InformSensor_TemperSensor_WaterSensor_RainGPS_AntAryInstru_InclineSat_NameSat_LocationInstru_NumIP_AddressSta_TelephoneSwitch_TimeStaAtenna_HeightData_IntervalCutoff_AngelPot_CorGAntAry_NumGAntAry_LocationGAntAry_Name监测点信息数据库的信息树构造的表示图数据管理界面3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制31采用我们课题组提出了一种单历元DC(DirectCalculation)算法，来进展解算基线向量的。这种算法的特点是数据处置简单化，不需求周跳的探测及修复，准确而快速确定模糊度。--基线计算模块

DC

算法程序流程图基线结果在限差内反算L1模糊度在限差内否是提取观测文件基准站观测文件广播星历文件精细星历文件轨道拟合卫星坐标同步观测文件准确测站坐标文件监测站观测文件是否反算宽巷模糊度是3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制32GPS天线阵列监测系统中，普通有两个基准站，同步基线可以构成的网形如三角形、大地四边形。所以利用知的图形条件，来检查基线网的闭合差，假设基线之间的闭合差，没有超限，还可以进展平差处置，获得监测点的三维坐标，提高系统的稳定性和可靠性。网平差界面3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制--基线检查模块33监测系统的义务是获取构筑物的位移变形信息，并对变形信息进展物了解释，讨论变形的成因，给出变形值与荷载〔引起变形的有关要素〕之间的函数关系，做出预告预警。--数据分析系统变形矢量图模块具有显示基准点和监测点点位、显示各个监测点的平面和高程方向的位移过程情况等图形，并具有一些根本的图形放大、减少、平移、查询、打印预览和打印等功能。系统的界面如下：形变预告是根据数据库中已有的观测数据，对未来的变形趋势进展预告，预告的模型比较多，如多元线性回归、神经网络、模糊神经网络。预告模块的操作界面如下：

变形矢量图

形变预告3、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制343、软件系统的研制一、GPS自动化监测系统的研制GPS天线阵列接纳机变形监测与预警系统自动演示35--DC算法实时动态GPS变形监测的数学处置模型中，大多数适用于快速变形或在缓慢变形中存在突变的变形，如最小二乘搜索法(LS)，基于坐标搜索的模糊度函数法(AMF)，降低模糊度之间相关性的最小二乘平差法(LAMBDA)等。这些方法普通都需求利用多个历元的观测数据，且在确定模糊度的过程中必需保证不断锁定卫星，没有周跳。但当监测环境较差，如对高层建筑，电视塔，矿区井筒进展监测时，GPS信号经常中断，给这些方法带来了一定的困难。为理处理这种问题，一些国内外学者研讨了很多单历元获取监测点变形的算法。基线向量的约束(陈永奇)变形特征信息的约束(熊永良)组合相位观测值获取变形信息(李征航邱卫宁)似单差法(余学祥)阻尼LAMBDA方法(刘根友)4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制36经过分析了基线向量约束和组合观测法,提出了一种全新的单历元解算法。该算法的中心是利用变形监测的特点和已有准确的WGS-84坐标，提出了一种既准确又快速的整周模糊度解算方法——DC〔DirectCalculation〕算法。该方法不需求组成和解算法方程，更不需求搜索和确认，而是直接计算整周模糊度。在5公里内，不思索电离层、对流层等影响，其双差整周模糊度用下式计算：当知卫星的位置和监测点的位置时，由该式可直接计算出的整周模糊度的浮点解。经推导，运用协方差传播律得：--DC算法4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制37假设要求:假设变形小于0.1648m时，位移对整周模糊度的影响小于等于半周,这种利用监测点的位移为约束条件直接解算单历元变形量。--DC算法4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制38当监测点的变形大于0.1648m时，直接解算L1载波的整周模糊度是不准确的。当位移值大到0.7m时，假设还希望对整周模糊度的影响小于等于半周，并运用DC算法计算整周模糊度，那么载波相位的波长应为：可以经过组合相位观测值来解算的模糊度。假设有两种组合观测值的模糊度，其之间的相互关系为：要使得组合观测值有较长的波长(大于0.8083m)，并坚持整数特性，上式变为--DC算法4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制39当任何组合一定可以保证组合观测值的整数特性上式的解不独一，思索到组合观测值的波长越长噪声越大，确定采用宽巷组合和超宽巷组合而且波长满足条件，放宽了监测点的变形位移范围。--DC算法4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制40位移变化量m设计的三个方向上的位移值计算的三个方向上的位移值位移差值dX(m)dY(m)dZ(m)dX(m)dY(m)dZ(m)dX(m)dY(m)dZ(m)0.16080.1150-0.1050-0.04000.1150-0.1050-0.04000.00000.00000.00000.17780.14000.0450-0.10000.14000.0450-0.10000.00000.00000.00000.19900.1400-0.10000.10000.1400-0.10000.10000.00000.00000.00000.30000.2000-0.2000-0.10000.1985-0.1981-0.0985-0.00150.00190.00150.36740.3000-0.1500-0.15000.2991-0.1496-0.1497-0.00090.00040.00030.40110.3000-0.2200-0.15000.2991-0.2197-0.1497-0.00090.00030.00030.45000.3000-0.1500-0.30000.2991-0.1497-0.2997-0.00090.00030.00030.50000.40000.00000.30000.39910.00050.3004-0.00090.00050.00040.51960.5000-0.1000-0.10000.4991-0.0996-0.0997-0.00090.00040.00030.61600.5500-0.1200-0.25000.5490-0.1196-0.2497-0.00100.00040.0003DC算法单历元解算的变形量与实践变形量比较--DC算法4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制41设计位移量由小到大逐渐进展变化，然后用DC组合宽巷法单历元进展解算。由上表可以看出在变形量小于0.7m以内，计算位移量在三个方向上与实践变形量最大差值仅在1.9mm，最小的差值在0.3mm，到达毫米级精度。DC算法不仅能很好地运用于GPS变形监测，获得高精度的变形量,而且可以运用于普通的GPS短基线定位问题，当近似坐标的精度不低于0.6m时，可用准确确定短基线得整周模糊度。--DC算法4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制42神经网络是建立在人类神经网络解剖的根底上的，它描画的是人类神经网络传送、处置信息的微观过程，并期望从这种微观过程来模拟人的智能，探求人的智慧构成和表现方式。模糊逻辑那么基于人类模糊思想这一笼统机理，用人类的言语来表述问题。它描画的是与人类模糊思想方式方法相关的宏观过程，同时，期望在这个宏观过程中发掘人的智能形状，模拟人的智能作用，模糊数学为模糊逻辑的研讨和开发提供了数学根底。神经网络的内部知识表达是不清楚的，但它具有学习才干。模糊逻辑虽然长于表达近似与定性知识，但通常又没有学习才干。--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制43由于神经网络的内部知识表达是不清楚，使得神经网络在每次学习时都只能从恣意初始条件开场，不能利用必要的初始阅历和知识，收敛速度慢，易于堕入部分极值。相反，由于模糊逻辑缺乏学习才干，那么只能客观地依赖先验知识确定隶属函数和模糊规那么，不能根据积累的阅历自动改善模糊系统的性能。因此，神经网络与模糊逻辑的结合就显得非常必要。--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制44模糊推理神经网络以以下模糊规那么为根底：设计如下图多输入多输出构造的模糊推理神经网络。其正向计算为:第一层是输入层,输入向量的各分量第二层是计算各输入分量属于各言语变量模糊集合的隶属度函数。该层的节点总数第三层的每个节点代表一条模糊规那么,该层的一切节点组成一个模糊规那么库。采用sum操作进展规那么适用度的计算。该层的节点总数为--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制45第五层是输出层,采用重心法运用sum_product模糊推理和解模糊化方法实现明晰化计算输出第四层所实现的是归一化计算，接点数与第三层一致--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制46FNN目前的学习算法有梯度下降算法、遗传算法、混合学习算法、TPH算法、挪动小论域法等。由于各个输入之间存在潜在相关性及每个输入序列前后存在潜在自相关性,极能够使得基于各输入建立的Hessian矩阵为病态矩阵。因此,将LM算法引入FNN,从而构成了FNN-LM学习算法。迭代公式为搜索方向dk由下式确定--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制47当H秩亏或病态时,增大其主对角线元素,其增大量λk为阻尼因子引入步长因子η(k)λk和η(k)确实定很重要,直接影响网络学习的收敛速度、迭代振荡和预告精度。--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制根据搜集整理东江大坝平安监测的位移、气温、库水位等资料，以12个坝体垂线观测点的径切向位移序列为预告对象，共有时间范围从1999年1月至2003年12月期间245个周期的样本数据，在此根底上分别建立了统计模型和FNN模型。--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制测点名统计模型FNN模型RMSMAEMSEMAENληL1H291R1.10170.67680.77170.5572504.5e-50.20L3H291R1.27250.91901.07450.7201504.5e-50.20L5H291R2.51702.06201.82601.1473504.5e-50.20L7H291R1.53731.00001.20430.8943504.5e-50.30L9H291R0.72170.50390.57530.4569504.5e-50.22L3H291L0.42550.33140.30810.2570504.5e-50.20L7H291L0.29410.23370.27590.1975164.5e-50.20L3H205R0.58500.49380.47670.3628284.5e-50.10L5H205R1.35571.24951.27541.0261504.5e-50.20MSE为均方根误差MAE平均绝对误差N为训练次数λ为阻尼因子η为步长因子--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制50在预告精度上，FNN预告模型的均方根误差和平均绝对误差都比统计模型的相应误差要小；在迭代次数上，均未超越50次，远远低于其它神经网络所建模型的迭代次数，优势明显。位移预告值与观测值对比情况和预告误差以L7H205L测点为例，测点位移预告值与观测值在60个观测周期中根本吻合;93%的预告误差在±0.5mm范围内,阐明该FNN变形预告模型具有较高的预告精度测点位移预告值与观测值对比测点位移预告误差--模糊神经网络预告4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制51支持向量机SVM是一种基于统计学习实际的方式识别方法，它是由Boser，Guyon，Vapnik在COLT-92〔ComputationalLearningTheory〕上初次提出，从此迅速的开展起来，如今曾经在许多领域都获得了胜利的运用。支持向量机的目的是寻觅一个超平面，使得它可以尽能够多的将两类数据点正确的分开，同时使分开的两类数据点间隔分类面最远。其处理方法是构造一个在约束条件下的优化问题，详细的说是一个受限二次规划问题(constrainedquadraticprograming)，求解该问题，得到分类器。--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制52ρH2H支持向量如图，H为分类线，H1、H2分别为过各类中离分类线最近的样本且平行于分类线的直线，它们之间的间隔叫做分别边缘。所谓最优分类线，就是要求分类线不但能将两类正确分开〔训练错误率为0〕，而且使分别边缘ρ最大。--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制53对于支持向量来说，上面不等号改为等号。那么分别边缘为：wTxi+b≥1ifyi=1wTxi+b≤-1ifyi=-1假设一切数据点间隔最优分类平面的间隔都大于1，即可以实现正确分类，那么对于数据{(xi,yi)}，满足下式对于每一数据点，间隔分类平面的间隔为：--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制54由于要求最正确分类平面的ρ最大，那么问题可转化为：上式还可表达为：wTxi+b≥1ifyi=1;wTxi+b≤-1ifyi=-1寻觅w和b使得：最大；并对一切数据点{(xi,yi)}有Min½wTw;St.yi(wTxi+b)≥1--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制55当因噪声等缘由，会出现分类错误。此时，引入松弛变量ξi；从而可以实现有噪情况下的分类。ξiξi松弛变量ξi可以看作是错误分类产生的误差原来表达式为：Min½wTw;St.yi(wTxi+b)≥1引入松弛变量后变为：参数C用来调理正那么化和阅历风险部分之间的平衡，还可以看作是对错误分类点的惩罚参数。Min½wTw+CΣξiSt.yi(wTxi+b)≥1-ξiξi≥0--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制56引入Lagrange乘子得到Lagrange方程：该Lagrange方程的鞍点就是上面二次规划问题的解，转换为下面对偶问题：Min目的函数st.--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制57预测预告本质是一个函数回归问题,为此引入不敏感损失函数,那么目的函数变为:采用序列最小化算法求解此回归问题--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制支持向量机的变形预告模型的建模过程：对训练样本数据和检验样本数据进展预处置；利用交叉验证法确定惩罚系数C和核参数，并给定不敏感损失函数的允许误差；用预处置过的训练样本建立对应的目的函数；利用序列最小优化算法进求解；将求解所得到的参数和代入到回归函数中去，并利用回归函数对预处置后的检验样本进展预测；对预测数据进展反预处置，得到最终的预测结果。--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制5859以东江大坝程度垂线位移观测数据为根据，测值样本取L3H291垂线测点径向位移1999年1月至2003年12月之间的数值，输入的个数为8个，即以前8次观测的位移作为自变量，第9次的观测位移作为因变量，以此类推。拟合或训练样本数150个，检验样本数为87个。对该测点的的245期变形观测数据进展建模分析。将87个检验样本输入到经过学习的支持向量机中，进展预测效果检验。测点位移预告值与观测值对比测点位移预告误差--支持向量机4、系统新实际运用一、GPS自动化监测系统的研制60串口效力器又叫通讯效力器，一个带有CPU和嵌入式OS及完好TCP/IP协议栈的独立智能设备。它能衔接多个串口设备并能将串口数据流进展选择和处置，把现有的RS232接口的数据转化成IP端口的数据，然后进展IP化的管理，IP化的数据存取。它提供TCPServerMode、TCPClientMode、UDPMode和RealCOMMode任务方式。串口效力器任务方式--串口效力器5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制61--串口效力器5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制62串口效力器任务方式--串口效力器5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制63远端路由器切割栅状抛物面天线中心路由器目前处理无线数据传输的方法：铺设光纤、租用专线、租用卫星、架设微波、GPRS〔CDMA1X〕无线传输。铺设光纤费用太高，租用专线租金太贵得难以接受，租用卫星价钱昂贵又存在带宽不够的问题，而微波却能提供性价比最高的处理方案。全向天线第一种方案:无线微波扩频通讯5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制--无线局域网64第二种方案:GPRS〔CDMA1X〕无线数据传输任务原理:监测站的传输软件终端发出包括有APN号码的GPRS登录恳求，登陆到GPRS网络；位于挪动的SGSN根据登陆恳求中的APN，找到登记的Radius效力器，并将用户认证信息送至Radius效力器；Radius效力器向GGSN发送携带用户地址确实认信息；终端得到了IP地址，就可以根据配置(作为效力器端或客户端)与效力器建立起TCP衔接；衔接建立后，终端采集到的各种数据就会经过建立的TCP数据衔接透明地传输到效力器；当效力器有控制命令或其它数据要向下发送时，可以经过TCP衔接传送到监测站终端。5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制--GPRS(CDMA〕传输65第二种方案:GPRS〔CDMA1X〕无线数据传输工控机〔PDA〕监测设备GPRS拨号设备野外数据采集监测站传输软件通讯效力商信号基站SGSN效力支持节点GPRS骨干网GGSN网关支持节点信号基站Internet效力器具有公网IP数据管理处置中心5、数据传输方案一、GPS自动化监测系统的研制--GPRS(CDMA〕传输666、电源处理方案一、GPS自动化监测系统的研制野外长期监测，经常是没有通电的地方，为此采用太阳能电池板+蓄电池+交流电的结合供电方式，根据详细的情况自动启动相应的供电方案。二、GPS自动化监测系统的运用1、在大坝监测中的运用3、在滑坡监测中的运用2、在桥梁监测中的运用4、在沉井监测中的运用5、在机械防撞中的运用676、在填筑碾压中的运用技术目的:GPS天线阵列技术和其他传感器为根底的大坝变形监测新方法、设计一套相应的实施方案，并符合相应的国家规范；对数据进展现场处置或经过GPRS技术将数据发送到控制中心。系统可以自动处置各种数据并给出计算结果。建立一套完好的数据库，保证数据的一致性、完全性；根据此大坝变形信息建立灾祸预告模型，即用多元线性回归分析与预测模型、基于灰色实际的预测模型、基于模糊数学的预测模型和数据发掘等技术的综合运用与编程实现预告；二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用68二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用69二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用现场安装70GPS天线阵列灾祸监测系统总体设计特点:实时监测、自动传输、远程处置、本钱较低二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用71本系统是基于VisualC++言语编制的GPS天线阵列变形监测综合数据处置系统，系统具有用户管理、数据采集、数据处置、数据库管理、生成报表、变形分析与预告、变形矢量图绘制等功能。软件系统简介〔1〕数据文件的组织接纳机在开场丈量之后，将会不断处于记录形状，假设需求长期的、延续的监测，有限的接纳机存储空间显然不能满足要求。因此，需求将数据直接实时传输到控制中心进展存储和处置，以保证长期延续监测的数据存储空间要求。由于在数据采集的过程中利用了GPS多天线阵列，因此在数据处置时需求思索不同的天线观测数据如何在数据文件中进展区分，经过分析和比较，我们决议在天线切换的过程中重新创建接纳机文件，将每个天线的观测数据实时传输到控制中心进展计算和分析处置。软件系统二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用72〔2〕系统整体控制中心GPS多天线阵列接纳机变形监测综合数据处置系统是根据大坝变形监测的原理，并结合当前测绘现代化开展的需求而开发的。整个系统采用工程化的管理思想，用VisualC++6.0作为主要的开发工具，ACCESS作为数据库，整个系统运用方便，模型完善，界面美观。为了更好地实现对各个模块的管理，设计了整体控制中心，它可以很好地将数据处置、数据库管理、分析与预告集成在一同，保证数据库中数据的实时更新，将数据与图形显示有机的结合起来，做到直观、简便。保证各个模块既可以独立的任务，又可以协调任务。二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用73(3)数据采集该模块主要担任将基准点和监测点的数据接纳到计算机上，在数据接纳的过程中，不需求在GPS接纳机上进展记录，一切数据自动记录到计算机上，同时进展解码，生成Rinex文件，供后面的数据处置运用。我们将数据采集部分进展了的集成化与系统化处置，做到了实时化和自动化。数据采集时会根据系统日期自动创建文件夹〔如GpsRawData\\JZ02\\20040808〕，并将丈量数据存储在该目录下。假设需求进展手工操作，在主控制程序中点击数据采集按扭即可启动数据采集程序，程序界面如以下图所示。二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用74二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用75(4)基线解算本基线解算采用我们提出的单历元解算法解算。根据变形监测的特点，我们提出了单历元直接解算整周模糊度的实际和算法，并用C++编程实现。其界面如下：二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用76(5)平差计算在基线解算完成后可以进展平差计算，得到各个监测点的平差坐标和精度情况。平差计算模块的界面如以下图所示。二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用77(6)数据库管理数据库管理是本系统的一个中心，平差计算的处置结果将放到数据库中，以便进展成果报表、变形分析与预告以及变形矢量图的绘制。数据库管理主要具有添加记录、修正记录、删除记录、查询记录和导出记录等功能。数据库管理的界面如以下图所示。二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用78(7)成果报表本系统具有成果报表生成模块。该模块可根据数据库中的数据自动生成变形量统计表。(8)变形矢量图变形矢量图模块具有显示基准点和监测点点位、显示各个监测点的平面和高程方向的位移过程情况等图形，并具有一些根本的图形放大、减少、平移、查询、打印预览和打印等功能。该模块的界面如以下图所示。二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用79二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用80(9)变形分析与预告变形分析与预告模块的界面如以下图所示。二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用81(10)GPS天线阵列接纳机的监测结果及精度对25期一个小时和70期二个小时的观测数据，运用本系统进展了处置，一切点的过程线如以下图〔上图为一个小时〕。二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用82二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用83二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用84二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用85二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用86二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用87由上图知，各个方向的平均精度为：满足高精度变形监测的要求。二、GPS自动化监测系统的运用1、GPS天线阵列在大坝监测中的运用88〔一〕、东海大桥概略及变形监测的必要性〔二〕、GPS用于东海大桥变形监测的可行性分析〔三〕、东海大桥GPS多天线阵列变形监测方案〔四〕、结论与建议二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案89〔1〕东海大桥的特点桥梁长桥面宽构造复杂本身荷载宏大，受风、温度、潮汐等自然要素的影响很大建成后车载量大要保证东海大桥的平安，必需对其进展变形监测。〔一〕、东海大桥概略及变形监测的必要性二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案90要求监测系统应该具有:精度高实时全天候数据采集处置、分析自动化,一体化〔2〕东海大桥对变形监测系统的要求二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案91〔3〕传统的变形监测方法的不顺应性经纬仪监测程度位移和水准仪监测垂直位移的常规方法激光准直仪监测程度位移各种传感器监测位移近景摄影丈量的方法监测大桥变形丈量机器人监测大桥变形结论：各种传统方法在各自的运用领域中都具有各自的特点,但都不适用于东海大桥上进展变形监测。因此，必需研讨新的适用系统。二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案92〔二〕、GPS用于东海大桥变形监测的可行性分析GPS具有精度高、速度快、全天候、自动化的特点现有GPS变形监测的方式多样,数据采集,处置,信息分析技术成熟,普通方式:只用几台GPS接纳机，人工定期逐点采集数据隔河岩方式:每个监测点上都安顿一台GPS接纳机，实现全天候、全自动化监测RTK方式:采用GPSRTK技术,普通难以到达3mm的监测精度建议不用这种方式进展变形监测GPS技术已被广泛运用于各种变形监测中,并获得了显著的成果二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案93GPS接纳机坝面GPS天线 坝面工控机至总控室

隔河岩大坝自动监测系统二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案94GPS的普通方式精度虽然很高,但不能实现自动化监测,影响了其在东海大桥变形监测中的适用性.隔河岩方式的监测系统显然是一种适用,可靠的系统,但似乎系统造价过于昂贵,对于有600个左右监测点的东海大桥,用隔河岩方式的造价耗资将近一个亿。能否找到一种既经济又能全天候,全自动化对东海大桥进展变形监测的系统呢?-----为此我们提出了GPS天线阵列接纳机监测系统。该系统的原理如下：二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案95至总控室工控机多天线阵列接纳机GPS天线GPS天线阵列接纳机任务原理二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案96〔三〕、东海大桥GPS多天线阵列变形监测方案〔1〕监测站布设原那么:鉴于东海大桥桥体长,桥面宽,以及分段构造建造等特点,在变形监测时采用两级布网、分段监测、分段解算的原那么。〔2〕基准点的布设:在大桥两岸适当位置布设两个基准点，这两个基准点的布设方法，布点规范与IGS站的布设方法一样。基准点要与我国其他IGS联测.布点时思索地质条件,交通情况,以便于维护.基准点布设如图:二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案97

〔3〕任务基点的布设在东海大桥的桥面上建筑5个永久观测墩，每个观测墩上安顿天线，接纳机，串口设备效力器，远程室外路由器以及切割栅状抛物面天线作为任务基点。任务基点上的GPS接纳机坚持24小时延续观测，并与两岸的基准点联测.全桥分做6段,分段情况如图:〔4〕任务基点上仪器配置二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案98〔5〕监测点的布设方案方案一:在大桥每一跨的中间设置GPS天线。在主通航孔处和颗株山大桥处由于比较跨度大,位置居中,可添加监测点.两座桥需求对它们主桥塔的摆动进展监测，需求求解主桥塔顶端的振幅和周期。分别在两座斜拉索桥桥塔顶端安顿GPS天线，用两台共享器来控制桥塔顶端的天线，使它们分别与两台GPS接纳机衔接。方案二:为了节省本钱，在方案一的根底上减少监测点。对两座斜拉索桥的处置方法与方案一一样。跨海的24km桥段，每百米布设一个监测点，其他6km桥段每150米布设一个监测点.二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案99〔6〕系统建成后任务表示图二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案1007、系统本钱比较:设备GPS天线阵列变形监测系统隔河岩模式方案一方案二方案一方案二数量金额（万元）数量金额（万元）数量金额（万元）数量金额（万元）接收机72936.0039507.005156695.002983874.00天线5151030.00259518.005151030.00298596.00控制器65195.0037111.600000电缆92000184.0080000160.000000通信72129.603970.20515927.00298536.40观测墩51551.5029829.8051551.5029829.80仪器柜727.20373.7051551.5029829.80调试80.0080.0060.0060.00软件180.00180.00180.00180.00税费335.20199.241079.40636.72合计3128.501859.5410074.405942.72二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案101可见，对于东海大桥变形监测，采用GPS多天线阵列变形监测系统的本钱仅为隔河岩方式变形监测系统的31%。方案一比隔河岩方式节省本钱6946万元，方案二比隔河岩方式节省本钱4083万元。显然该系统在经费方面的优越性非常明显的。二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案102〔四〕结论与建议传统的变形监测方法普通不适宜东海大桥的变形监测。GPS天线阵列变形监测系统是不仅非常适宜东海大桥的变形监测，而且相对隔河岩方式可节省本钱高达69%，即方案一可节省本钱6946万元，方案二可节省本钱4083万元。在方案一和方案二中，建议采用方案二。由于方案二不仅可满足东海大桥变形监测的要求，而且总本钱可控制在2000万元人民币以内。二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案103二、GPS自动化监测系统的运用2、东海大桥GPS天线阵列监测方案104二、GPS自动化监测系统的运用3、GPS天线在滑坡监测中的运用编号xyh点间斜距TM3317175035438842863.9[3-2]60.009TM2317181035438843864.2[2-8]187.778TM8317199735438826865.8[8-1]267.956TM1317182135438624861.3在一个山峰TM4317144135438750800.9[4-5]208.233TM5317150735438947814.9[5-6]217.3865TM6317167635439082836.6[6-7]122.069TM7317169835439200858.8另一个山峰105二、GPS自动化监测系统的运用3、GPS天线阵列在滑坡监测中的运用106二、GPS自动化监测系统的运用3、GPS天线阵列在滑坡监测中的运用107二、GPS自动化监测系统的运用3、GPS天线阵列在滑坡监测中的运用108二、GPS自动化监测系统的运用3、GPS天线阵列在滑坡监测中的运用109

泰州大桥沉井的根底规模宏大，工程地质条件复杂，这些要素使得沉井在下沉过程中容易出现不均匀沉降，从而引起的沉井的下沉偏斜或较大的程度移位，添加了根底施工的风险。因此，就需求对沉井进展实时监测，获取构造形状的重要参数，为平安施工提供预警信息。4.1研制监测系统的目的1〕沉井施工监测方案，包括沉井的平面位移监测、侧阻力、端阻力、倾斜监测、锚缆力、水流速度的监测和显示、沉井隔仓进水量的的监测和显示、沉井内外的水下地形丈量等。对监测数据自动化采集系统的开发提出建议性方案。对于沉井的轴线、平面位置、高程、倾斜等几何姿态的控制提出建议的测控方案；对于隔仓进水量的显示和控制提出方案；对于井内和井周水下地形自动化监测提出方案,编制沉井数据库管理及三维、二维和一维显示模块。二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用110

4.1研制监测系统的目的2〕数据自动化处置、显示软件包的开发。数据自动化采集后的信息化处置，及时获取和处置沉井施工过程的动态数据，实时进展沉井三维几何姿态显示，为施工提供及时有效的预警和指点。二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用1114.2丈量监控系统的布设1)监控系统位置基准的布设为了运用方便,在原控制网的根底上加密了一个监测基准点.

2)GPS丈量仪器配置采用徕卡530双频GPS接纳机,精度目的5mm+2ppm.二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用1124.2丈量监控系统的布设3)监测点的配置二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用1134.2丈量监控系统的布设4)控制中心二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用1144.3监测数据自动化采集本工程在施工监测系统设计阶段就明确采用自动监测系统来进展数据的延续采集。自动监测系统能在短暂的数秒钟之内，对接入其中的一切传感器进展数据的自动采集和保管。为处理数据实时传输的问题，系统组建后24h自动采集，采用GPRS和无线扩频通讯的远程数据传输系统，经过该系统可以对自动采集系统发出指令，下载其中恣意时段的监测数据进展实时分析。二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用1152〕钢沉井的几何姿态监测在沉井顶的周围布设4个轴线监测点，经过本系统组网，监控中心设置在上下游的边锚墩上。由于采用的是GPS载波相位差分技术，所以，其几何信息的平面精度可以到达±1～2cm，高程精度为±2～3cm，完全可以满足沉井施工质量控制的需求。〔1〕钢沉井下沉GPS基准站建立为确保中塔钢沉井的顺利下沉，实时反响钢沉井的下沉动态，建立实时监控系统，在栈桥处建立一个监控基站，用于沉井的实时监控。加密点按照<公路全球定位系统〔GPS〕丈量规范>二级控制网要求进展施测。沉井顶GPS测点布置表示图二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用116〔2〕沉井施工平面位置丈量经过GPSRTK实时获取沉井周边四个监测点的平面位置。〔3〕沉井位移监测经过四个监测点的实测位置与实际位置的比较，可计算出沉井的位移。〔4〕沉井高程丈量沉井监测点高程采用全站仪进展丈量，GPSRTK高程做参考。

沉井GPS观测表示图二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用117〔5〕沉井倾斜值控制丈量经过沉井轴线上的监测点计算出轴线方向的倾斜度。〔6〕沉井改动度计算经过轴线上监测点坐标计算方位，和设计方位进行比较，得到沉井的改动角度。

沉井改动丈量表示图二、GPS自动化监测系统的运用4、在沉井施工定位中的运用118本系统的研制是以VisualC++作为开发平台，以ACCESS作为根本的数据库系统，结合沉井下沉的详细特点和规范的Windows编程风格进展的。沉井监测模型