Irene FELDMETH, Reiner JÄGER und Rupert ZISCHINSKY

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1 GPS-based Online Control and Alarmsystem (GOCA) - Leistungsstandards des GOCA-Systems, praktischer Einsatz am Beispiel Staumauer Kops (Vorarlberger Illwerke AG, Österreich) und Weiterentwicklungen Irene FELDMETH, Reiner JÄGER und Rupert ZISCHINSKY 1 Leistungsstandards des GOCA-Systems 1.1 GOCA-Software und Systemkomponenten Das GNSS/GPS-basierte Online Control und Alarmssystem GOCA befasst sich mit dem Einsatz von GNSS/GPS zur Echtzeitüberwachung von Bewegungen der Erdoberfläche (FELDMETH, JÄGER UND KÄLBER, 2002). Neben dem Einsatz im Naturkatastrophenschutz ist das fernwartungsfähige GOCA-System auch in der online Überwachung und Alarmierung bei sicherheitsempfindlichen Bauwerken und geotechnischen Anlagen wie z.b. Talsperren einsetzbar. Die in der fernwartungsfähigen GOCA-Zentrale situierte GOCA-Deformationsanalysesoftware besteht aus einem Satz zentral steuerbarer GPS-Empfänger, die über Sensorsteuerungs- und Kommunikationssoftware von der sog. GOCA-Zentrale aus, oder in dezentraler Kommunikation in einem vorzugebenden Zeittakt abgetastet werden. Derzeit stehen zwei verschiedene Sensorsteuerungs- und Kommunikationssoftwarepakete (MONITOR/Fa. GeoNav und GOCA-DC3/Fa. Dr. Bertges) zur Verfügung, welche die GPS-Daten in Form der Baselinevektoren und deren Ko varianzmatrizen im hardwareneutralen sogenannten GKA-Dateiformat als Schnittstelle zur Weiterverarbeitung mit der GOCA-Deformationsanalysesoftware bereitstellen. Die GOCA-Deformationsanalysesoftware realisiert auf Basis der GKA-Dateien die statistisch fundierte Weiterverarbeitung der GPS-Daten in Form einer online Netzausgleichung und einer darauf aufbauenden Deformationsanalyse und Alarmierung. 1.2 GOCA Ausgleichungs- und Deformationsanalysekonzept Die konzeptionelle Stärke des GOCA-Konzepts beruht darauf, unter Anwendung einer strengen 3-stufigen Netzausgleichung mit dem Input von GNSS/GPS-Baselines und deren Kovarianzmatrizen eine statistisch gesicherte klassische Deformationsanalyse online oder auch im Postprocessing Modus bereitzustellen (JÄGER AND KÄLBER, 2001). Die Weiterverarbeitung dieser GPS-Daten mit der GOCA-Deformationsanalysesoftware erfolgt - auf der Basis der o.g. GKA-Daten - im nachfolgenden 3-stufigen Ausgleichungskonzept. Stufe 1: Online Initialisierung des dreidimensionalen Referenzpunktrahmens x R und der zugehörigen Kovarianzmatrix C xr (zu Beginn des GOCA-Monitorings und bei einer Stabilpunktüberprüfung) in strenger freier Netzausgleichung der GPS-Baselines im Datum der Referenzpunkte. Stufe 2: Fortlaufende online Ausgleichung der GPS-Baselines oder auch Sessions im GOCA-Array unter dreidimensionaler Georeferenzierung der Objektpunkt-

2 2 I. Feldmeth, R. Jäger und R. Zischinsky Einzelpositionen x O im Datum der Stabil- bzw. Referenzpunkte x R. Basis für die an Stufe 2 anknüpfende Stufe 3, der eigentlichen Deformationsanalyse, bilden die zu jedem Abtastzeitpunkt georeferenzierten Objektpunktpositionen x O und ihre Kovarianzmatrizen C xo. Stufe 3: Deformationsanalyse basierend auf ausgeglichenen Objektpunktpositionen mittels Trendschätzungen und Filterungen und Alarm-Management. Dabei werden wahlweise Kleinste Quadrate oder robuste L1-Norm Schätzungen eingesetzt, um aus den mit GPS bestimmten ungenauen Einzelpositionen x O die eigentliche Schätzung der aktuellen genauen Zustandsgrößen der Objektpunktverschiebung u O, -Geschwindigkeitu& O und -Beschleunigung u& & O durchzuführen. Die Deformationsanalyse bzw. Stufe 3 umfasst die Algorithmen Gleitender Mittelwert zur Deformationsanalyse der Objektpunktverschiebungen, Polynom-basierte Trendschätzungen, Spline-Schätzungen und Kalmanfilterung von Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung, (JÄGER AND KÄLBER, 2001), welche jeweils sowohl als Kleinste Quadrate Schätzung (L2- Norm) als auch robuste L1-Norm implementiert sind. Bei einem im online Betrieb laufenden Kalman-Filter wird nach jedem Filterschritt die Wahrscheinlichkeit für den vom Anwender vorgegebenen kritischen Zustand der betreffenden Zustandsgrößen berechnet. Alternativ kann der Alarmzustand auch auf die Online-Filterung der Objektpunktverschiebung mittels gleitendem Mittelwert unter Vorgabe einer kritischen dreidimensionalen Verschiebung erfolgen. Wird die angegebene Wahrscheinlichkeit für einen kritischen Zustand überschritten, so erfolgt von GOCA aus die entsprechende nutzerseitig definierte Alarmierung, z.b. als Meldung per SMS, als Versenden einer an einen Empfänger etc.. 2. GOCA - Erweiterung auf Totalstationssensorik Die gegenwärtige Weiterentwicklung des GOCA-Systems besteht in der Implementierung von Totalstationssensorik. Das hardwareneutrale GKA-Format wurde entsprechend bzgl. Totalstationsbeobachtungen (Schrägstrecken, Zenitdistanzen, Richtungen) erweitert. Darüber hinaus sind die Erweiterung der Hardwarekommunikations- und Steuerungssoftware zur Ansteuerung von Totalstationen sowie der GOCA-Deformationsanalyse-Software in Bezug auf die gemeinsame sowie die getrennte Ausgleichung von GPS und terrestrischen Beobachtungen in o. g. Stufen 1 und 2 erforderlich. 3. Überwachung der Staumauer Kops 3.1 Das Bauwerk und bisherige Überwachungsmethoden Der Speicher Kops liegt etwa 5 km westlich von Galtür (Österreich). Die Staumauer Kops wurde in den Jahren errichtet. Bei der Staumauer handelt es sich um eine weitgespannte, relativ stark gekrümmte Bogenstaumauer, wobei der Felsrücken an der

3 GPS-based Online Control and Alarmsystem (GOCA) - Leistungsstandards des GOCA-Systems,... 3 Südflanke durch ein künstliches Widerlager erhöht wurde (Abb. 1). Eine Gewichtsmauer, die südlich etwa im rechten Winkel an das künstliche Widerlager anschließt, riegelt das Staubecken im Bereich der seichteren Mulde ab. Die Kronenlänge der Bogenmauer beträgt 400 m, ihre größte Höhe 122 m, größte Basisbreite 30 m. Die Talsperrenüberwachung beruht im wesentlichen auf zwei Säulen: die laufende Erfassung, Übertragung und Überprüfung der Messwerte des in der Staumauer Kops installierten permanent registrierenden Standardinstrumentariums sowie die in regelmäßigen Abständen erfolgenden klassisch geodätischen Kontrollmessungen. die regelmäßig durchgeführte Begehung durch die Sperrenwärter, welche eine visuelle Kontrolle der Sperre durchführen und darüber hinaus Kontrollmessungen bzgl. des Standardinstrumentariums vornehmen. Die permanent registrierten Daten werden an die zentrale Datensammelstelle des Betreibers weitergeleitet und graphisch und statistisch verarbeitet. Zu den eingebauten fortlaufend registrierenden Messinstrumenten gehören die hochgenauen Schwimmlote, welche die Bewegungen der Staumauer in der kritischen West-Ost-Richtung im künstlichen Widerlager und im Bereich der Mauermitte überwachen. Die Messdatenerfassung erfolgt vollautomatisch. 3.2 GOCA - Monitoring Ende Mai 2001 wurde das System GOCA für die Dauer von 1 Jahr in Kops installiert. Dabei befanden sich 3 L1-Empfänger im Einsatz (Abb. 1, 2). Abb. 1: Staumauer Kops mit GPS-Sensoren im Objektbereich (links: GPS-Rover, rechts: GPS-Basisstation) ( s. auch Farbtafel #, S. # ) Abb. 2: Einrichtung des zweiten GPS-Rovers als Stabil- bzw. Referenzpunkt( s. auch Farbtafel #, S. # )

4 4 I. Feldmeth, R. Jäger und R. Zischinsky Die GPS-Basisstation wurde im Bereich des künstlichen Widerlagers errichtet, ein GPS- Rover im Bereich der Mauermitte (Abb. 1). Der zweite GPS-Rover erfüllte die Funktion eines Stabilpunktes (Abb. 2). Die Länge der resultierenden Baselines betrug ca. 198 m und 500 m. Alle zwei Minuten wurden die GPS-Baselinevektoren zwischen Basisstation und Rovern per Funk von den Empfängern zur GOCA-Zentrale übertragen, die in einem ca. 1 km von der Staumauer entfernten Unterkunftshaus untergebracht wurde. Von dort aus konnte über Telefonleitung die Fernwartung des GOCA-Systems erfolgen. Die GPS- Empfänger wurden unzugänglich für den Touristikbetrieb in den Bunkern untergebracht. 3.3 Ergebnisse der GOCA-Deformationsanalyse und Vergleich Die resultierenden Berechnungen wurden mit den Ergebnissen der Lotungsmessungen verglichen. Abb. 3 zeigt (rot) die aus der GOCA Spline-Trendschätzung hervorgehenden Bewegungen senkrecht zur Staumauer im Objektpunkt Mauermitte (Abb. 1) mit einer Übereinstimmung zwischen Lotung und GPS im Submillimeterbereich. Diese Ergebnisqualität resultiert auch unter Verwendung des GOCA Kalmanfilters (FELDMETH, JÄGER UND ZISCHINSKY, 2002). Das Leistungsspektrum von GOCA deckt somit in vollem Umfang das Anforderungsprofil an eine online 3D-Überwachung sicherheitskritischer Bauwerke ab. Abb. 3: Vergleich klassische Lotungsmessungen (grün) und GOCA-Spline-Auswertung (rot) August September 2000 in Millimeterskala. Wasserstand blau Dabei kommt der weiteren Flexibilisierung in der GOCA-Systementwicklung auch die gegenwärtige Einbindung von Totalstationen als zusätzliche Komponente in den netzausgleichungsbasierten Zustands- und Trendschätzungen der GOCA-Software zugute.

5 GPS-based Online Control and Alarmsystem (GOCA) - Leistungsstandards des GOCA-Systems, Literatur Jäger, R. und S. Kälber (2001): GPS-based Online Control and Alarm System (GOCA). Proceedings Orange, 10 th FIG International Symposium on Deformation Measurements. Kalifornien, USA, März CD-Rom-Publikation der FIG. Feldmeth, I., Jäger, R. und R. Zischinsky (2002): GPS-based Online Control and Alarmsystem (GOCA) - Leistungsstandards des GOCA-Systems und praktischer Einsatz am Beispiel Kops-Staumauer (Illwerke, Österreich). III. Mittweidaer Talsperrentag. Journal of the University of Applied Sciences Mittweida (1), ISSN Feldmeth, I., Jäger, R. und S. Kälber (2002): GOCA-Homepage. URL: