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［摘要］本文闡述了超寬帶技術在水利工程建設質量監控中的適應性，以及超寬帶技術原理和基站建設要求的基礎上，對超寬帶技術在水利工程建設質量監控中的應用進行了探討。以某地區新建小型水庫大壩作為工程實例，對超寬帶基站實時監測效果進行分析。以期推動水利工程現代化技術的應用。

［關鍵詞］水利工程;質量監控;超寬帶;技術應用

水利工程施工是一項瑣碎的工程，其包含繁多的機械設備、物資及施工工種，同時在施工時還容易受到外界環境影響，對工程施工質量帶來巨大的挑戰，所以在水利工程施工時需要嚴格規范的施工控制，以保證各環節安排銜接得當。在施工控制環節中質量監控是其重要的一部分，傳統水利工程作業時質量監控多采用相關技術監測人員人工測量，這種質量監測方式工作量較大，對技術人員技術水平依賴性較強，監測選點較隨意，準確度參差不齊，且監測有一定滯后性，即使在監測過程中發現問題，后續補救措施比較繁瑣，導致施工工期不容易控制，且全線施工質量不穩定。水利工程質量監控一直是施工控制的難點，在質量監控時要綜合考慮多種制約因素，例如施工拌合料、運料、碾壓等各個工序需要協調運作、相互配合，以滿足工程施工需要。研究以往水利工程質量監控發現，在質量監控中多側重于運料、拌和等施工環節的質量控制，對影響施工質量的碾壓施工質量監控相對薄弱，有些工程在施工時還是按照傳統施工經驗進行碾壓施工控制，在一定程度上給工程施工造成不良影響。在實際碾壓施工中，振動碾的行走速度能夠直接對碾壓效果產生影響，振動碾碾壓施工速度過快，碾壓施工效果較差，碾壓效率也不高，振動碾碾壓施工速度過慢，容易碎碾。所以為了保證碾壓施工質量，需要建立碾壓施工實時動態監控系統，以保證碾壓車高效穩定地進行碾壓施工。超寬帶技術簡稱UWB，是近幾年施工較廣泛的新型無線通訊技術，它可以直接調制沖擊脈沖使產生的信號帶寬具有GHz量級。超寬帶技術具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統較簡單、定位精確度較高等優點。本文對超寬帶技術應用到水利工程建設質量監控中效果進行分析探討。

1UWB技術在水利工程建設質量監控中的適應性

水利工程建設質量監控中應用的GPS技術需要和衛星信號聯系才能夠達到精確定位效果，水利工程施工場地有很多干擾信號，例如電線、高山、樹木等，會導致施工質量實時監控信號不穩定，從而對測量精度產生影響。同時GPS衛星定位精確度較低，需要采用一定設備才能提高定位精度。上文提高UWB技術具有定位精確度較高優點，它是采用時間間隔非常短的脈沖(小于1ns)進行通信，數據傳輸采用非常小的納秒、微微秒非正弦波窄脈沖進行，可以在較寬的頻譜上傳送功率非常低的信號，信號截獲能力較高。GPS終端通訊、測距模塊的測距是點對點、精度為厘米的，這種測距方法精度高、基本不受環境影響、抗干擾能力強、系統容量大、發射功率小，對工程相關設備要求較低，所以在實際應用中應用面積較廣。

1．1碾壓施工時質量監控實時性要求

水利工程施工時需要施工質量和工期控制之間相互協調，以期在規定工期內圓滿完成施工任務。在具體施工時會受到施工當地地質環境、天氣因素、施工材料裝卸施工等因素影響，所以在具體施工時要綜合各種影響因素，對各種施工因素進行動態控制。從碾壓施工來說，需要對碾壓施工的碾壓速度、碾壓遍數、碾壓軌跡、碾壓厚度等進行實時動態監控，以保證碾壓施工的穩定性。綜合考慮各種質量監控技術，UWB技術具有較高的穩定性和精確度，能夠滿足碾壓施工時質量監控實時性要求。

1．2質量控制成本要求

水利工程施工各項成本一般較高，在有限經費控制下，相應投入質量控制資金不會太高。上文提高碾壓施工應是水利工程質量控制的重點之一，所以應保證施工質量。碾壓施工控制重點是對碾壓設備進行動態監控，獲取碾壓設備的運行軌跡。由于水利工程一般建設在峽谷地區，這些地區衛星信號較弱，利用GPS定位系統要想實現碾壓施工的實時定位需要借助許多輔助設備(建設信號基站)才能捕獲較穩定的數據信號，所以實時監測成本一般較高。UWB技術可以直接調制時間沖擊脈沖，通信方式是數據發射端和接收端進行自組網，基本不受時間、空間、地域限制，還有一個重要優點是，此技術配套設備簡單，運行時不需要借助第三方設備，使用范圍較為廣泛，運行成本較低，適用于水利工程建設質量監控。

1．3施工數據安全性要求

有些水利工程施工數據屬于敏感數據，不能在網絡上傳輸，所以在具體質量監控時要對監控數據進行加密。從數據安全性角度考慮，UWB技術具有利用自組網通信及超寬帶頻的特性，所以傳輸的數據本身具有較高的安全性及分辨率，將此技術應用到水利工程建設質量監控中能夠保證數據的安全性。

2UWB技術原理和基站建設要求

2．1UWB技術原理

在三維立體空間中，球形定位需要建立四個以上參照節點坐標才能完成目標節點定位，一般情況下只有采用至少四個參照節點才能準確確定目標節點唯一坐標，然而在實際應用中，由于施工條件和經費限制，常選取3個參考節點進行目標節點坐標定位。固定一個已知節點，計算出其他兩個位置坐標，然后對坐標值正、負進行限定，最后確定目標節點位置坐標。坐標系的建立常用方式有兩種，分別是中心節點定位和相對定位。中心節點定位方法中任意節點均可作為中心節點，但是不同中心節點所依據參考系不同。相對定位參考節點之間擁有共同的參考系，可以就一中心節點形成穩定網絡結構，還能根據統一的協議機制實現各節點信息交換。綜上UWB技術采用相對定位方法進行坐標系的建立。

2．2基站建設要求

根據上文UWB技術坐標系分析，為了保證質量監控精度，基站的建設要符合以下要求:(1)3個基站坐標在條件允許情況下要保證在同一海拔下，使建立的坐標系的固定平面和海平面一致，另外相關測量儀器精度要高，誤差要控制在厘米級別以內。(2)3個基站坐標形成的三角形為銳角三角形，此種建設方法可以提高目標位置計算的精確度。(3)3個基站坐標之間距離要盡量一致，在進行有效數據平均值分析時測距軟件要和實際測量結果相結合，減小因信號不穩定產生的測距軟件誤差。(4)基站在建立時還要根據基站建立點設置一個外界干擾性較小的基準測量點，定時進行基準測量，然后根據基準測量結果對監測系統進行校對，保證系統信息監測的精確性。(5)增加系統對異常數據的剔除功能，減小因異常形成數據在系統數據庫中造成的計算誤差，提高系統數據采集精度。

3工程實例分析

某地區需要新建一座小型水庫，設計總庫容980萬m3，主壩施工計劃采用膠凝砂礫石壩，壩高61．6m，壩頂長度為354m。膠凝砂礫石壩施工工藝較簡單，施工材料可以就地取材，施工進度較快，是小型水庫施工的常用方式。由于此水壩施工方式較簡單，所以設定工期時間較短，所以施工過程非常緊湊，給高峰期筑壩施工控制帶來很大挑戰。工程相關技術人員綜合考慮各種因素后，決定利用UWB技術對大壩的填筑施工振動碾壓設備進行實時監測，以保證大壩鋪筑層碾壓施工質量。

3．1超寬帶基站和布網設置

地質勘測人員對此大壩施工區域進行現場查看，確定在施工現場架設4個超寬帶基站，主要由3個固定基站和1個目標基站組成，固定基站是參考節點，目標基站設置在碾壓機械設備上，碾壓設備實時監測信息可以通過任一固定基站傳輸到監測控制中心。施工現場設置的4個基站均采用Puls410測距及通信模塊，模塊中采用的測距軟件是RangeNetRET，此測距及通信模塊測距精確度較高，測量誤差可控制在2cm之內，能夠滿足此工程監測需求。基于4個基站設置情況，結合實際地質勘測及基站建設要求，固定基站和目標基站的設置示意圖見圖1，從圖1顯示可以看出，基站建設符合要求，能夠保證大壩填筑施工振動碾壓設備實時監測數據傳輸質量及精度。

3．2碾壓機械邏輯關系及碾壓軌跡分析

大壩在進行施工時，通過在碾壓機械設備上設置的目標基站，對碾壓機械設備運行情況進行實時監控，監控設置為每隔200ms傳輸一次位置計算數據，從而可以確定鋪料厚度變化，在監控處理器上可以精確顯示實時碾壓施工狀態，包括碾壓車輛行走軌跡、碾壓次數、碾壓速度等數據，一旦碾壓施工有異常情況，可以及時糾正，保證高效的碾壓質量。碾壓邏輯關系分析圖見圖2。

3．3碾壓狀態動態識別

對振動碾壓設備進行實時監測，是為了保證大壩鋪筑層碾壓施工質量。按照水壩施工要求，對碾壓機械設備的碾壓速度、碾壓次數等行駛軌跡、工作狀況都有嚴格要求。碾壓機械設備在不同工作狀態下產生的振動頻率有很大區別，設計在碾壓機械設備上安裝監測基站進行記錄碾壓機械設備的工作運行情況。結合具體施工特點，碾壓設備在進行靜碾狀態下和動碾狀態下行駛速度分別為1．1m/s、0．28～0．42m/s，通過超寬帶基站監測的碾壓機械設備運行情況確定其不同施工狀態下的振動波形，見圖3。

3．4質量監控效果分析

此小型水庫大壩鋪筑層碾壓施工采用建立的4個超寬帶基站對碾壓機械設備進行實時監控，通過監控數據可以確定此工程采用超寬帶技術有以下優點:1)能夠實施監測大壩鋪筑層碾壓施工情況，一旦施工過程出現異常，能夠及時報警，相應施工人員能迅速采取措施，保證碾壓施工質量，提高施工效率。2)采用超寬帶技術監控具有實時性，能夠直接反映鋪料厚度施工變化，能夠根據施工進度合理控制工期。3)采用超寬帶技術能夠提高施工管理效率，保證施工人員施工質量。

4結語

綜上所述，水利工程建設是我國建設規劃的重點工程之一，信息化監測系統是水利工程施工未來發展的必然趨勢，本文對超寬帶技術進行探討，并以某地區新建小型水庫大壩作為工程實例，對超寬帶基站實時監測效果進行分析，結果表明運用此技術能明顯提高施工效率，保證碾壓施工質量，提高管理效率，在推動水利工程現代化技術的應用方面有積極意義。

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作者：王菲菲 單位：甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司