克服万难 携手并进

2023-11-01

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——记中晋公司勘测技术服务项目部技术研发团队

来源:勘测技术服务项目部

 

2023年9月27日11点35分,勘测技术服务项目部技术研发团队正用两台顶配工作站对卫星Insar测得的数据进行高速解缠,两个小时后该结果与新型MEMS测斜传感器数据的比对,将受到中科院力学所、太原理工大学、晋能控股集团以及监测领域多家机构的高度关注。这是地灾监测技术革新迈出的第一步,所有项目成员都屏住呼吸,等待着最终结果的产生.......

时针拨回2019年,彼时以上海华测导航为代表的数家技术公司完成了监测设备的集成,开始在市面上以销售各类传感器见长;同时一向在地灾监测领域颇负盛名的成都理工团队,刚刚利用激光点云成功解决了植被覆盖灾害区域的识别难题,在监测赛道上再次拉大优势;除此之外,多个自动化监测技术相继涌现,地灾监测迎来自己的“工业革命”只是时间问题。而另一边,技术人员赵之星正在古交阳光小区滑坡上操作着徕卡TS30全站仪,他将花费两个小时来完成32个点的观测工作,而下一次的监测至少在半个月后。“明明看见监测的建筑物存在肉眼可见的变形,但每一个点的结果都巧妙避开了形变区,但不到十期的记录却连一条完整的曲线都无法绘制。”赵之星无奈地描述着这些弊端,同时也深刻意识到:传统人工监测对于如今大面积、多地形、高精度的测区早已不再适用;而面对以矿山为主的山西市场,以及公司制定的“以监测为主攻方向”的技术战略,中晋急需另辟蹊径,找到更先进的技术手段,才能迎头赶上甚至实现反超。

研发团队经过几个项目的实践,很快发现了传统技术和现场条件的排异现象,因为以天甚至以月为计时单位的监测周期跨度太大,高梯度形变随时会在两次监测间隙内一触即发。于是从2020年起,研发团队依托太钢终了边坡和平定尚怡水库大坝稳定性评价两个项目,开始尝试自动化设备的投入应用。之后,在第一次统计数据时,技术人员就发现,每隔1小时的采集频率使得短短几天形成的曲线已经可以铺满4张A3纸,技术人员甚至可以通过已有数据预测下一步动向。事实证明,数据采集的实时性大幅度降低了时间间隙发生意外的概率,设备的投入卓有成效!

悬着的心刚刚放下,技术人员随即在尚怡水库又发现了新的问题:“坝体中部隆起了,就像受到某种应力挤压所致,具体原因尚未查清,但距离该点最近的传感器显示只变化了7mm。太不可思议了,肉眼可见的形变,数据却没有体现出来!”项目负责赵之星听到技术人员的汇报后,马上去现场查看,发现隆起的部位刚好在两个传感器之间。尽管实时性问题得到了解决,但点位捕捉精度的短板在此时旧病复发。面对层出不穷的问题,团队士气明显低落,赵之星调整了情绪,鼓励大家:“这并不能否认我们的专业性。在大面积监测区域内找到正在变化的点位本来就无异于大海捞针,即使有一些先验性理论和参数辅助,复杂的地质构成依然会不可避免地误导我们的决策。我们是时候为测区找一个‘CT’设备了。”

干涉合成孔径雷达(Insar)在2003年就已声名鹊起,它不仅能大幅度减少精度损失,还能在广域范围的条件下实现面状识别。研发团队翻阅大量资料并请示领导后,决定进行初步测试。当最终在广阔的测区内反演出一个个高亮度的沉降漏斗(沉降漏斗表示形变,亮度越高,形变越大),并和实地调查吻合时,他们确信这个“CT”找到了。在实施过程中,他们不仅将Insar技术和煤矿采空区有机结合,同时在噪声滤波、相位解缠、地理编码等环节上进行了优化,保证处理成果的稳定性。使用Insar后,研发团队再也无需根据经验或者暴力增加数量来提高准确率,并且还能够实现针对性布设,项目成本也预估将因此至少节约50%。

当然,Insar也并不是万能的,当植被覆盖、雨量增多的时候,则容易出现数据失准、失相干等现象;而且它很大程度上依赖多星定位技术,而大气层情况多变,卫星到地面数万米的距离又太远,数据信号被干扰几乎是意料之中的事情。目前最主流的监测传感器正是靠这个原理运行,它抗干扰性差,抵御异常情况的能力比较脆弱,导致其难堪大用。

还没等团队着手采取措施,负责数据统计的技术人员再次发现了问题:数据在两个方向上急剧波动,幅度近乎2m。但现场检查并没有问题。很显然信号出了状况。“我们做了‘CT’,却发现穿刺设备坏了!”赵之星无奈地说到。

此时,由于工期限制,已经没有时间再从硬件上下手了。在这紧要关头,同样需要数据验证的中科院力学所施以援手,带来了MEMS测斜计。MEMS测斜计安置空间只需1.5m长、0.5m深,方便至极;它屏蔽了一切地球以外的信号,主要通过感知重力场来累计倾角和位移,就像“豌豆公主”一样敏感,哪怕垫一张纸,都能捕捉到,是监测不均匀沉降的行家里手;而且该设备在桥梁、大坝上的有效作用已经被充分证实。团队士气再次被点燃。

MEMS芯片的感知精度取决于安置方向和三轴的角度,而采空区不同于桥梁、大坝,其自身特点使得安置方向与角度参数与之前都有所不同,这成为能否应用成功的关键。今年8月8日,Insar测出了第一期数据,按照24天的周期计算,再次监测将在9月1日;8月24日,MEMS测斜计安装完毕,经过混凝土硬化、规避温度效应等过程,再排除强降雨影响,距离9月1日仅能正式运行5天,因此只能用这5天的形变量进行比对。结果显示,两者的测量结果仅仅相差14%,初步吻合!尽管时间很短,比对条件尚不充分,但却有着很重要的参考价值。

9月开始,星载Insar和MEMS测斜计在时空维度上已完全重合,两种数据的契合度成为大家的关注焦点。9月27日13点40分,Insar数据计算完成,MEMS结果随即紧跟弹出:整个开采过程曲线趋势吻合,Insar最高值4.6mm、MEMS最高值4.1mm,最小值更是只差0.1mm,两种数据契合度达到95%!“我们成功了!”看到监测结果再次向着有利的方向发展,项目成员不约而同地大声喊了出来。

截至目前,中晋公司还凭借卫星Insar和MEMS测斜计空地协同监测技术相继拿下荫营煤业有限责任公司隐蔽致灾因素监测和超前预警云SASS服务平台(二期)、程庄煤矿监测等项目,相信在不久的将来,传统人工监测方式将被全面取代。

回顾的感觉总让人刀过竹解,但过程却棘地荆天。研发团队耗时3年零8个月,收集处理了514景卫星数据、比对了10年42个场地的监测数据,调试了103个不同类型的传感器,跑崩了3台高配工作站,推演了7次改进算法,编写了16317行代码,共产生成果2.3TB。

当然,团队目前完成的数据采集、统计和部分管理工作仅仅是冰山一角,激光点云、深部应力等手段的融合以及基于数据挖掘深层次信息才是我们秉轴持钧的关键,而最终形成一套天-空-地-深立体化监测技术体系,则是实现领域超越、提高市场竞争力的核心。

  三年来,研发团队面对接踵而至的困难,始终没有放弃,没有退缩。如今虽取得了一定的成绩,但并没有骄傲自满、裹足不前,他们将继续与中科院力学所深入合作,在卫星Insar和MEMS测斜计监测数据的矫正权重分配、转化耦合、关联性分析预测,以及进一步结合影像、激光LIDAR等多源数据的综合梯度式互补方面完成优化,在完成目标任务、推动公司转型升级的道路上焚膏继晷、再接再厉。

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