北斗系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害影響下的橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張爽娜 張鳳珊 俞能杰 王琴（航天恒星科技有限公司）

橋梁的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為大型橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與事故預(yù)警的重要途徑。安裝橋梁 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就等于給橋梁裝配上一個(gè)“全天候”的醫(yī)生。尤其在災(zāi)害來(lái)臨前，當(dāng)監(jiān)測(cè)到橋梁的位移異常時(shí)，一方面可有效采取途徑，避免重大事故的發(fā)生；另一方面對(duì)災(zāi)害影響下橋梁的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到橋梁受災(zāi)情況下的變化過(guò)程，通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)及受力變化可以有效指導(dǎo)日后橋梁的設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)。

一、地質(zhì)災(zāi)害影響下的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

地質(zhì)災(zāi)害的種類(lèi)繁多，包括地震、火山爆發(fā)、崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地裂縫等。盡管大部分橋梁在建設(shè)前期已經(jīng)對(duì)所在地的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)，但地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生無(wú)法做到絕對(duì)避免，因此實(shí)時(shí)的橋梁健康監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。

由地質(zhì)災(zāi)害引起的橋梁形變一般屬于短期的不規(guī)則的橋梁運(yùn)動(dòng)，而橋梁的損壞往往都是由于短期的突然的載荷作用引起，而對(duì)于短期的形變信息的監(jiān)測(cè)要比長(zhǎng)期的形變信息監(jiān)測(cè)難。

目前橋梁位移經(jīng)典監(jiān)測(cè)方法有：全站儀測(cè)試法、加速度計(jì)積分測(cè)試法、位移傳感器測(cè)試法、激光測(cè)試法和GPS位移監(jiān)測(cè)法。各種方法的特點(diǎn)比較如 表1所示。

表1 橋梁監(jiān)測(cè)方式特點(diǎn)比較

由表1可知采用GPS橋梁位移監(jiān)測(cè)具有全天候、高精度、高效率、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、測(cè)站間無(wú)需通視、集平面與高程測(cè)量于一體等諸多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)用GPS進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)時(shí)，各種形變信息都可以被識(shí)別，因此GPS測(cè)量技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。如美國(guó)奧斯汀德克薩斯大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）自從1990年以來(lái)進(jìn)行的一系列建筑物監(jiān)測(cè)試驗(yàn)；日本明石海峽大橋以及廣東虎門(mén)大橋的GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋的GPS監(jiān)測(cè)試驗(yàn)；英國(guó)諾丁漢大學(xué)土木學(xué)院工程測(cè)量和空間大地測(cè)量研究所(IESSG)進(jìn)行的一系列GPS橋梁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)等。

我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前僅具備國(guó)內(nèi)區(qū)域?qū)Ш侥芰?，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)仍處在預(yù)研階段，尚未得到工程實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)部分橋梁健康監(jiān)測(cè)目前仍采用傳統(tǒng)方法及GPS橋梁位移監(jiān)測(cè)技術(shù)。

二、利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)的必要性

如前所述，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)成為橋梁健康監(jiān)測(cè)中的重要手段。在當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，我國(guó)北斗系統(tǒng)獨(dú)具有以下3方面優(yōu)勢(shì)。

1.自主產(chǎn)權(quán)保證了監(jiān)測(cè)的持續(xù)有效

我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗系統(tǒng)將不受?chē)?guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的限制，能夠進(jìn)行持續(xù)有效的橋梁健康監(jiān)測(cè)，尤其是在惡劣自然環(huán)境及政治環(huán)境下，不會(huì)造成監(jiān)測(cè)的中斷。

2.短報(bào)文功能保證了重大監(jiān)測(cè)結(jié)果的及時(shí)上報(bào)

北斗系統(tǒng)具備短報(bào)文通信功能，當(dāng)橋梁健康監(jiān)測(cè)結(jié)果表明橋梁遭遇重大威脅時(shí)，能夠立即將監(jiān)測(cè)結(jié)果以短報(bào)文形式發(fā)送給指揮控制端，便于及時(shí)有效地進(jìn)行指揮決策，從而避免重大災(zāi)害造成的人員傷亡等破壞。

3.合理的衛(wèi)星布設(shè)保證了橋梁監(jiān)測(cè)的可用性

北斗系統(tǒng)最終將建設(shè)成由35顆衛(wèi)星組成的全球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足我國(guó)及亞太地區(qū)用戶的使用。北斗系統(tǒng)獨(dú)有的GEO靜止軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)，使得我國(guó)及亞太地區(qū)用戶與GEO可見(jiàn)衛(wèi)星相對(duì)位置不變，因此不會(huì)出現(xiàn)GEO衛(wèi)星信號(hào)切換狀態(tài)，將能更加有效保證6顆可見(jiàn)衛(wèi)星才能完成的橋梁健康監(jiān)測(cè)RTK技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

三、北斗系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用原理

在橋梁健康監(jiān)測(cè)中，利用接收到的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航載波相位進(jìn)行實(shí)時(shí)相位差分，即RTK技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)定大橋位移。系統(tǒng)由北斗系統(tǒng)基準(zhǔn)站、北斗系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站和通信系統(tǒng)組成。基準(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星信號(hào)及北斗系統(tǒng)基準(zhǔn)站的信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后可實(shí)時(shí)測(cè)得站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。此結(jié)果將送到北斗系統(tǒng)監(jiān)控中心進(jìn)行分析。

北斗信號(hào)接收單元將測(cè)量得到的偽距值、載波相位及廣播星歷數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)單元中。利用嵌入式的數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)進(jìn)行差分運(yùn)算，得到此時(shí)刻橋梁各個(gè)關(guān)鍵部位的相對(duì)位移數(shù)據(jù)。同時(shí)也將上述信息定期傳給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，利用中心計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)后處理軟件，得到更高精度的相對(duì)位移測(cè)量數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù) 都可以通過(guò)無(wú)線傳輸模塊接口傳輸。北斗系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 北斗系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

北斗相對(duì)位移監(jiān)測(cè)單元（沉降或位移）使用無(wú)線通信模塊與監(jiān)控中心技術(shù)間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，不需要使用本地控制器。在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)單元中需要配備具有無(wú)線通信功能的嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，已完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送的功能。不同斷面之間采樣的實(shí)時(shí)性也將由開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)保證，嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)定時(shí)的發(fā)送時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)。確保相對(duì)位移的采樣數(shù)據(jù)來(lái)自統(tǒng)一時(shí)刻橋梁的不同部位。

采用北斗系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大橋位移有如下特點(diǎn)：

1）大橋上各點(diǎn)只要能夠接收到6顆以上的北斗衛(wèi)星及基準(zhǔn)站傳來(lái)的北斗差分信號(hào)，即可進(jìn)行北斗RTK差分定位。各監(jiān)測(cè)站之間無(wú)需通視，是相互獨(dú)立的觀測(cè)值。

2）北斗系統(tǒng)定位受外界大氣影響小，可以在惡劣天氣中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3）北斗系統(tǒng)測(cè)定位移自動(dòng)化程度高。從接收信號(hào)、捕獲信號(hào)到RTK差分位移都可以由儀器自動(dòng)完成。

4）根據(jù)北斗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)分析，北斗—RTK最快可達(dá)10～20Hz速率輸出定位結(jié)果，定位精度將能夠達(dá)到水平10mm、高程20mm。

5）北斗系統(tǒng)具備短報(bào)文通信能力，能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)到的重大橋梁形變信息以短報(bào)文形式上報(bào)指揮中心。

北斗系統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)數(shù)目由被測(cè)橋梁的具體情況來(lái)確定。北斗系統(tǒng)測(cè)量站點(diǎn)間不要求通視，圖形結(jié)構(gòu)也較靈活，因此點(diǎn)位選擇比較方便，但考慮北斗系統(tǒng)測(cè)量的特殊性，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮：

1）點(diǎn)周?chē)叨冉?5度以上不能有障礙物，否則存在信號(hào)遮擋；

2）點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)干擾；

3）點(diǎn)位應(yīng)選在視野開(kāi)闊、有利擴(kuò)展、易于維護(hù)的地方；

4）點(diǎn)選擇結(jié)束后，要按要求埋設(shè)標(biāo)石，填寫(xiě)記錄。

四、北斗系統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用方案

北斗系統(tǒng)橋梁健康監(jiān) 測(cè)應(yīng)用方案中包括北斗衛(wèi)星星座、橋梁健康監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)、橋梁健康監(jiān)測(cè)服務(wù)站、橋梁健康監(jiān)測(cè)指揮中心4個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 北斗系統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用方案示意圖

橋梁健康監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)主要包含在橋梁上布設(shè)的北斗基準(zhǔn)站及北斗監(jiān)測(cè)站。其中北斗基準(zhǔn)站用來(lái)為北斗監(jiān)測(cè)站發(fā)送差分信息，從而實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)的RTK處理，實(shí)現(xiàn)高精度定位，而北斗監(jiān)測(cè)站則是測(cè)量橋梁不同點(diǎn)位的位置信息及位置變化信息。

橋梁健康監(jiān)測(cè)服務(wù)站主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理中心及北斗終端組成。其中數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)采集到得北斗基準(zhǔn)站及北斗監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，而后通過(guò)數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測(cè)分析，并對(duì)變形監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行管理。對(duì)于重大變形，直接通過(guò)北斗終端的短報(bào)文通訊發(fā)送報(bào)警信息給橋梁健康監(jiān)測(cè)指揮中心。此外，數(shù)據(jù)處理中心還支持橋梁健康監(jiān)測(cè)指揮中心隨時(shí)遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

橋梁健康監(jiān)測(cè)指揮中心負(fù)責(zé)橋梁健康情況的定期匯報(bào)、重大橋梁形變情況下的應(yīng)急指揮等。主要配備有可遠(yuǎn)程訪問(wèn)的PC機(jī)及專家和技術(shù)人員。

五、結(jié)論

本文結(jié)合我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)給出了應(yīng)用北斗系統(tǒng)進(jìn)行橋梁健康狀況監(jiān)測(cè)的概要設(shè)計(jì)方案，為北斗系統(tǒng)在該領(lǐng)域的業(yè)務(wù)拓展提供了基本依據(jù)，為日后的工程實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。