北斗在電力桿塔沉降監測系統中的應用

金福銘，段意，劉智慧，張鵬，欒俊清

( 內蒙古電力(集團)有限責任公司包頭供電分公司, 內蒙古自治區 包頭市 014000 )

0 引言

架空輸電線路是電力系統中的關鍵組成部分，它們承擔著將電能從生產地傳輸到消費者的重要角色，因此為確?？煽康碾娏?，其設計、建設和維護至關重要. 這些輸電線路主要組成部分包括桿塔、絕緣子、導地線和金具等，因長期暴露在大氣腐蝕環境中，需要面對各種惡劣氣候和環境條件，這些元件容易受到多種因素的損害，包括但不限于風雪、雷電、大氣污染、機械負荷以及電力負荷的變化[1]. 外在環境因素會加劇桿塔金屬結構的腐蝕減薄、焊縫開裂或斷裂，造成塔身傾斜或倒塔事故，嚴重影響電力系統安全穩定運行，會導致嚴重的財產損失和人員傷亡，對社會和經濟造成重大影響. 而電力桿塔地基的沉降程度，是判斷桿塔金屬結構是否完好的重要依據，因此對電力桿塔地基沉降程度的監測顯得尤為重要. 如何有效地監測電力桿塔地基沉降，第一時間發現并處理異?，F象，是我們亟待解決的問題.

1 監測方法、原理及方案

近年來，針對老舊鋼管桿(架)存在的問題，出現了許多管理監測方法. 其中大多數方法側重于傳感器的應用，通過部署硬件設備來監測，例如在鋼管桿(架)表面布置漆包線等方式來實施監測[2]. 然而，傳統方法存在一些顯著的局限性. 一是檢測中存在著很多現實問題，特別是涉及到人工操作的不穩定性，此外現場作業人員也會存在著一定的人身安全隱患問題. 二是精度問題. 在精度方面，電力桿塔地基沉降監測精度也受到多種因素的影響，其中主要因素包括測量設備的精度、安裝位置的合理性、監測時間和自然環境因素等. 常用的測量設備包括沉降儀、傾斜儀、變形計等，其精度與型號、品牌、使用壽命等有關. 一般情況下，測量設備的精度越高，監測精度也就越高.安裝位置的選擇應遵循桿塔地基的沉降規律，并考慮到測量設備的靈敏度，避免測量點受到外界影響[3].如果監測時間過短，將難以全面反映地基沉降的趨勢和變化情況，監測精度也會相應下降. 因此，需要根據實際情況，制定合理的監測方案，延長監測時間，提高監測精度. 此外，自然環境因素例如地震、風、雨等自然災害都可能對地基沉降監測產生干擾. 因此，在監測過程中需要加強現場管理，確保監測數據的準確性和可靠性.

塔基沉降監測是用于追蹤支撐結構塔基的垂直位移或沉降情況的重要工作. 如果塔基發生異常的沉降，可能會對整個結構的穩定性和安全性構成威脅.特別是在鋼管桿(架)受到腐蝕或損壞的情況下，它們可能失去承載能力，導致塔基的異常沉降或不穩定. 反之亦然，異常的塔基沉降也可能對支撐結構的鋼管桿(架)施加不正常的壓力，從而加速其腐蝕或破壞. 為解決以上難點問題，本文采取提高桿塔沉降監測精度的方式，降低現場檢測人員作業難度和作業風險，將鋼管桿(架)腐蝕導波檢測技術、基于磁致伸縮液位計的地基沉降監測技術和北斗載波相位動態實時差分沉降位移監測技術三者有機融合，并通過使用機器學習技術，利用神經網絡、支持向量機(support vector machine，SVM)和隨機森林，構建模型來預測結構可能的問題或未來的行為. 將腐蝕、沉降和位移數據整合到一個綜合的數據集中，以綜合分析結構狀態將最終的數據作為基礎構建塔桿沉降監測系統，在系統中設定閾值，當數據超過這些閾值時觸發警報. 首先，從腐蝕導波檢測、液位計和北斗實時差分定位(real-time kinematic，RTK)系統中收集數據，數據包括聲波信號的特征(如幅度、頻率等)、液位計讀數和北斗RTK定位結果坐標，對每個數據源進行特征提取，計算聲波信號的均值、液位計讀數的變化率和北斗RTK坐標變化的速度等，將來自不同數據源的特征組合成一個特征向量，可以為不同數據源的特征分配權重，以便更重要的特征對模型有更大的影響. 我們使用線性回歸模型，如式(1)所示：

式中：w1、w2、w3是權重；b是偏置項. 這個線性回歸模型將綜合特征與結構狀態的相關性建模，使用歷史數據來訓練線性回歸模型，找到最佳的權重值w1、w2、w3和偏置項b，以最小化預測誤差. 同時采用沉降監測的精度比對分析，彌補監測系統當中存在的不足之處.

輸電線路鋼管桿損傷檢測系統，依托磁致伸縮超聲導波無損檢測技術、導波B掃描成像技術，為架空輸電線路鋼管桿結構健康安全保駕護航. 本文提出的方案主要利用磁致伸縮效應和磁致扭轉效應、嵌入式自動化模塊、遠程控制模塊、激勵信號源、控制中心模塊、信號放大器、噪聲信號濾波、服務器數據采集等設備，實現對架空輸電線路鋼管桿缺陷實時高效地檢測，對架空輸電線路潛在危險進行預警預報. 方案的具體實現步驟如下：激勵信號源發出超聲波信號，傳播到鋼管桿內，然后通過磁致伸縮和磁致扭轉效應產生回波信號. 這些信號經過信號放大和噪聲濾波后，由嵌入式模塊進行處理，并通過遠程控制模塊上傳至控制中心. 控制中心可以實時監控線路桿的狀態，并根據數據進行健康安全評估.

方案中采用北斗衛星導航系統(BeiDou Satellite Navigation System, BDS)設備、TPS測量機器人、溫度氣壓儀、測斜儀、雨量計、滲壓計、裂縫計、傾角儀、靜力水準儀、有害氣體檢測儀、斷面儀、環境監測儀等進行數據分析處理，旨在實現大數據變形監測信息的自動采集、存儲、網絡分發、綜合化實時預警預報、在線評估等多項任務，實現大數據監測的信息化、多維化、實時化、網絡化，使生產、安全管理，可以及時、直觀地掌握監測物安全數據的實時動態. 特別需要強調BDS設備在該方案中的關鍵作用，它用于提供輸電線路各個桿塔的精確位置信息，同時各傳感器收集到的數據也會通過北斗衛星的短報文功能傳輸給系統服務器，形成空中通信鏈路，確保數據的完整與穩定. 具體而言，BDS用于提供輸電線路桿塔的經度、緯度、高度等準確的位置數據，這些位置信息是整個系統的基礎，與損傷檢測傳感器的數據融合后，幫助系統精確判斷每個桿塔的狀態，識別異常情況，并在需要時發出預警通知，以便及時采取行動，確保輸電線路的安全性和穩定性. 而在數據傳輸方面北斗短報文具有快速響應、抗干擾強、設備要求低等優點，適用于野外、海上等沒有網絡通信信號的場景.因此，BDS在該方案中的角色是提供準確的空間定位信息，也兼顧在移動通信無法覆蓋或中斷的情況下，實現桿塔的遠程智能監測，提高電力系統的安全性和可靠性. 它為綜合分析和預警提供必要的數據支持.

該方案由模型算法和損傷檢測系統兩部分組成.損傷檢測系統為模型算法提供基礎數據，然后基于這些數據進行預測，再將預測數據與基礎數據進行比對，以檢測當前塔桿是否存在異常情況. 這一循環閉合的過程構建了一個完整的電力桿塔沉降監測系統.該系統的核心目標是協助進行塔桿檢測工作，降低人工操作可能引發的精度誤差，從而提高整體監測的精度. 通過有效的方式實現了對塔桿的實時形變監測與監管，同時降低了操作人員的工作難度和風險.

2 監測系統

監測系統組成如圖1所示，主要由鋼管桿(架)腐蝕導波檢測分系統、北斗載波相位動態實時差分降位移[4]和基于磁致伸縮液位計的地基沉降監測分系統組成，北斗監測分系統則作為獨立的比對監測系統.

圖1 監測系統組成框圖

在當前塔桿沉降監測系統設計中，采用了鋼管桿(架)腐蝕導波檢測技術和基于磁致伸縮液位計的地基沉降監測技術，前者的技術路線，對超聲導波在鋼管桿上的傳播特性進行理論分析，是對鋼管桿上局部加載產生超聲導波的波場特性進行模擬仿真，深入了解局部加載是超聲導波在鋼管桿上的振動能量分布情況. 根據超聲導波局部加載時的位移分布規律，設計專用的磁致伸縮超聲導波換能器，實現超聲導波的局部激勵與接收. 利用改進的頻域合成孔徑聚焦算法，對超聲導波信號進行分析與成像，得到分辨率更高的腐蝕成像信號[5]. 結合超聲導波激勵、接收的時序、能量要求，設計開發滿足局部加載與信號接收的周向掃查超聲導波電子儀器系統. 最后利用周向掃查超聲導波電子儀器系統樣機，對鋼管桿的內外腐蝕進行掃查成像試驗研究.

在電力桿塔地基沉降監測中，北斗/GNSS主要應用于高精度的位置測量，以獲取桿塔位置的變化情況，進而判斷地基沉降情況. 通過在桿塔上安裝北斗/GNSS接收器，可以獲取電力桿塔的位置信息，并實時監測位置的變化情況. 當地基沉降發生時，電力桿塔的位置會發生變化，通過對北斗/GNSS測量數據的處理分析，可以得出電力桿塔的沉降趨勢和變化情況. 相比傳統的監測方法(沉降儀、傾斜儀等)，北斗/GNSS具有無需接觸測量、數據精度高、監測范圍廣等優點. 因此，它在電力桿塔地基沉降監測中具有較為廣泛的應用前景. 由于北斗/GNSS測量精度受到多種因素的影響，在使用北斗/GNSS進行電力桿塔地基沉降監測時，需要根據實際情況選取合適的接收機和天線，并合理設置測量參數，以提高監測精度和可靠性[6].

電力桿塔地基沉降北斗/GNSS監測的精度主要取決于北斗載波相位實時動態差分沉降位移監測系統. 北斗載波相位實時動態差分沉降位移監測分系統通過測量北斗衛星導航信號的載波相位，并利用基準站和監測終端載波相位觀測數據的雙差解算，實現高精度的定位和測量. 在本文的實驗中，使用了載波相位觀測數據，運用RTK算法，通過實時校正衛星信號的傳播延遲和大氣影響，首先計算出監測終端相對于基準站的三維坐標偏差，然后再計算出監測終端精確的三維定位結果[7]. 結合實際工程需求，我們使用MATLAB構建了一種數字化輸電塔架形變模型[8]，并且再結合三維坐標數據的特點，提出一種核心思想是將測量數據視為隨機變量，使用概率統計方法來獲得形變數據的平均分布的算法. 該算法以三維坐標數據集合，形變傳感器數據集合和模型參數為輸入，輸出得到形變數據的平均分布模型. 算法的第一步則是對于每個測點，將三維坐標數據與形變傳感器數據關聯，確保時間同步，其后使用三維坐標數據集合構建數字化輸電塔架的三維模型. 考慮塔架的結構和幾何特性，將形變傳感器的位置與三維模型中的相應位置關聯，以模擬實際測量位置. 考慮形變傳感器的靈敏度和方向，將形變傳感器的測量值轉化為實際形變量，對于每個測點經過處理，利用形變傳感器數據集合進行概率統計分析，將形變數據視為隨機變量，估計每個測點形變數據的概率分布，將每個測點形變數據的概率分布模型整合到一個綜合的數字化輸電塔架形變模型中，最后綜合模型將提供數字化輸電塔架的形變數據的平均分布，計算各測點形變數據分布的均值、方差等統計量來實現，將該算法結合到系統中得以持續監測輸電塔架上的形變數據，使用綜合模型來評估當前形變數據是否偏離平均分布. 這種方法通過有效的數據處理和實時監測機制，使輸電塔塔架的形變監測能夠更加及時、準確，并且適用于大規模復雜系統，從而提高了監測的有效性和實時性. 及早發現問題、采取必要的維護和修復措施，以確保輸電系統的可靠性和安全性. 但是在實際檢測中，檢測存在很多現實困難：

1)檢測效率低：由于鋼管桿是一種大范圍結構的被檢測物，超聲檢測是一種 “踩點式”[9]，即檢測時探頭所覆蓋的區域只能反映檢測所在點的情況. 而要實現鋼管桿30%探傷檢測需要耗費的人力、物力和時間是難以估計的，對人員的技術要求專業執照，工作強度很大，工作效率較低，任務看似簡單但是實際卻難以實現.

2)檢測不完整：由于超聲檢測為“踩點式”檢測方式，使得檢測結果置信度往往比較依賴于檢測人員的操作水平和職業素養，存在極大的漏檢可能性.

3)需登高作業：由于鋼管桿的高度較高，一般都是10 m以上，在高度高于操作人員高度采用超聲檢測需要登高作業，而且往往是在線檢測，故登高檢測不僅會帶來人力、物力和時間資源的巨大消耗，更會帶來更多的人員安全隱患. 而且如果不檢測高處的鋼管桿，更會發生漏檢情況[10].

3 數據比對

針對于當前監測系統中存在的不足之處，本文提出了沉降監測的精度比對分析. 根據實地需求進行模擬沉降監測的分析，采用以靜力水準儀為標準與北斗/GNSS設備為偵測的方式，兩者有機結合的地基沉降監測手段[11].

靜力水準儀是一種高精度的測量工具，常用于土地測繪、建筑工程、水利工程等領域，以確定地面高程差異，它的原理是基于液體的自動水平，因此不受光線的影響，可以在各種天氣條件下進行測量[12]. 通常，靜力水準儀是直接安裝在測試物體上，或者并立于測試物體旁的模擬立樁上，利用模塊化的傳感自動測量單元比較自身設定的標準值來采集比對數據，這些數據可以通過網絡與計算機連接，從而實現數據采集與模型模擬. 靜力水準測量具有測量精度高(通?？蛇_亞毫米級)、自動化監測、性能穩定，實時傳輸等優點. 靜力水準自動化監測系統通常包含多個靜力水準儀、安裝支架、液體聯通管、數據采集系統、通信系統、后臺管理軟件等組成，軟件可根據觀測值生成相應的變化曲線，并根據工程設計值進行報警.

使用北斗對地基沉降進行監測時，必須選擇一個固定(或相對固定)的基準點[13]，基準點的選擇對于確保測量的準確性和一致性非常重要，根據具體測量任務的要求和精度標準來進行. 地基沉降監測的高程是以基準點為參照點得到的數據，基準點應該是穩定的，不容易受到地質變化、地震、土壤沉降或其他環境因素的影響. 如果基準點發生變化，將會影響到后續測量的準確性，但不保證后期未發生沉降，所以一些基準點需要依賴于國家或地區的正式基準點，例如測繪和地理信息系統(geographic information system,GIS)應用. 這些正式基準點通常由政府或授權機構維護，并具有法律地位[14]. 在實際的沉降監測中，我們常常遇到這樣一種情況，即基準點和沉降監測點位于同一區域，并且同時經歷了沉降現象. 特別是在復雜的地下工程或隧道等項目中，這種情況更為普遍.然而，傳統的靜力水準測量數據可能無法準確反映這種情況，因為它無法區分基準點和監測點之間的沉降. 為了提高地基沉降監測的準確性，我們采用了北斗/GNSS設備安裝點作為靜力水準系統的基準點. 通過這種方法，能夠更有效地獲取地基沉降基準點的大地高程變化數據，并用這些數據來結合多種數學模型，綜合得出校正靜力水準測量的沉降數據. 這種方法使我們能夠更好地理解基準點的沉降規律，并對監測點的沉降數據進行修正，從而提高監測數據的可靠性和準確性.

數據采集部分通常由兩個關鍵組件組成，分別是基準站和移動站. 基準站通常被放置在測量區域內的已知位置，而移動站則被布置在需要監測的具體測點上. 這兩個站點協同工作，通過差分技術進行數據處理，可以實現高精度的位置測量和形變監測. 因為BDS采用的坐標系通常是地心地固坐標系，在地心地固坐標系中，地球的中心被定義為原點，坐標軸與地球自轉軸平行. 其中三維坐標系中包含有緯度B，橢球上某點的經度與相應中央子午線的差值L，作為公式中的(B,L)，所以首先需要使用簡化后的轉換公式，將三維坐標轉換為二維坐標系下的平面坐標(x,y)，如式(2)所示:

式中：從赤道到緯度B的本初子午線弧長在公式中以X進行表表示，也可以用公式S=R*θ表示，S表示赤道到緯度B的弧長，R是地球的平均半徑，θ 是緯度B的弧度值，可以通過緯度B與赤道的夾角計算得到；卯酉圈曲率半徑是N；輔助變量是η和t，其中η2=e′2cos2B,t=tanB，e′為第二偏心率，a、b分別是橢球參考系的長短軸半徑[15].

在監測模型中，Z代表該點相對于當地水平面的高程. 一旦實時數據采集完成，數據處理部分將執行坐標系轉化. 轉換后的數據將會作為參數輸入到監測模型中，經過模型演變計算得到結果，再以結果繪畫數據比對圖表[16].

基準點大地高程變化量分布如圖2所示，基準點的高程變化量在±1.5 mm上下波動，基準點的穩定性是比較高的，表面實驗期間的塔桿是處于穩定良好的狀態. 數據在真實值附近波動，是受到無法排除的環境誤差影響[17]，這些誤差導致了偶然因素，為實驗帶來了一些不可靠的數據，本文已經對誤差數據進行了濾波.

圖2 基準點大地高程變化量分布

在本次實驗中，我們采用了北斗/GNSS設備進行工程監測，監測的時間范圍為20 d，從2022年10月20日至2022年11月8日，監測頻率設置為每60 s進行一次監測. 在連續20 d的監測過程中，北斗/GNSS設備與靜力水準儀同時對數據進行采集，北斗/GNSS設備運行穩定，數據在傳輸過程中也得到了良好的轉發和保存，得以保障模型算法的正確運行，保證了數據結果的穩定和正確，證明北斗/GNSS設備的可靠和穩定性. 從實驗數據的分布來看，由于環境因素等誤差的存在，在信號不好的時候噪點較多，這期間得到的數據結果有較大地波動，但從整體的高程數據分布來看，高程在325286.6±2 mm的范圍內波動，表示該基準點未發生顯著的沉降現象，處于一個較為穩定的狀態.

地基沉降的主要表現是高程的緩慢變化. 判斷地基沉降的問題在于沉降區域與非沉降區域之間存在緩慢的過渡區間，沒有統一的標準能夠給出判斷，甚至在特定的情況下，兩者會出現轉換的可能，沉降區變成了非沉降區. 我們使用靜力水準的累積值分析曲線來表現這一過程，其中監測點的累積值等于監測點當前值減去基準站的初始值，而基準站的累積值等于基準站當前值減去基準站的初始值. 這一信息揭示了地基沉降的復雜性，因為地基沉降不僅僅是一種持續的下沉過程. 相反，它可以表現為沉降區域中某些地點的沉降停止，同時在其他地點可能會在某些時刻開始發生沉降. 這可能受到地下水位、土壤類型和負荷分布等因素的影響.

因此，嚴格追求基準點的穩定性并不能完全準確地反映地基監測點的沉降情況. 在進行沉降監測時，我們必須深入分析每個傳感器的數據，包括實時位移、監測點的速度、加速度以及監測點的離散數據等.更具體地說，我們需要仔細審查和分析這些數據，以確定監測點是否發生了沉降現象. 有時，監測點所觀測到的沉降可能是由于基準點的高程變化所導致的.但在一些特殊情況下，例如基準點和監測點所在的整個平臺同時發生沉降，監測點所計算出的相對高程，是沒辦法判斷出整體下沉的結果，也是在這種情況下，監測數據是沒有出現變化的. 因此，對于地基沉降監測，我們必須綜合分析來自不同傳感器的數據，以獲取準確的沉降情況，而不僅僅依賴于基準點的穩定性. 綜合數據分析如下：使用不同類型的傳感器(例如位移傳感器、壓力傳感器、傾斜傳感器等)來采集監測點和基準點的數據. 確保傳感器的精確度和穩定性，對采集到的數據進行預處理，包括去除噪音、校正誤差、數據對齊等. 確保數據的準確性和一致性，將來自不同傳感器的數據進行時間同步和空間對齊，確保數據在時間和空間上的一致性，這通常涉及到時間戳的校準和空間坐標的轉換，將對齊后的數據進行融合，可以使用數據融合算法(例如加權平均、卡爾曼濾波等)將不同傳感器的數據整合為一個統一的數據集[18]. 然后，利用統計方法、機器學習算法或人工智能技術來分析數據，探測數據中的模式、趨勢或異常. 這種綜合分析有助于更全面地理解地基沉降的復雜性，從而采取適當的措施來維護和管理工程項目.

4 總 結

該系統基于BDS和傾斜監測預警技術，具有高度的可靠性. 以BDS的原始觀測數據為核心，通過4G無線網絡、北斗短報文傳輸到控制中心，實時解算出各監測點的三維坐標，為電力桿塔沉降的監測提供了精確的數據支持. 系統能夠實時監測不同環境下的實時差異數據，對電力桿塔沉降區域變形情況進行差異補正. 這有助于及早發現潛在的問題，采取相應的措施，確保輸電線路的穩定性和安全性. 提供全生命周期的服務，從設計、建設到運維，為電力公司提供了全面的解決方案. 考慮到時代的進步與發展，還應在未來進一步優化數據分析算法，實現更精準的預測和預警，提前應對潛在的風險. 結合人工智能技術，實現對電力桿塔沉降的智能化管理，提高效率和減少人力成本. 本文提出的監測系統可推廣應用到其他領域，如橋梁、建筑物等，提高城市基礎設施的安全性.

致謝：本論文得到內蒙古電力(集團)有限責任公司科技項目“輸電線路鋼管桿(架)損傷檢測及其地基沉降監測技術”資助(發文號：內電科信[2021]3號).