基于GNSS和傳感技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

安慶,江博,吳樹森

(1.武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司,武漢 430206;2.華中科技大學(xué),武漢 430074)

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基于GNSS和傳感技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

安慶1,江博1,吳樹森2

(1.武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司,武漢 430206;2.華中科技大學(xué),武漢 430074)

基于高精度GNSS和傳感集成技術(shù), 設(shè)計了一套橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng),以武漢知音橋?yàn)閼?yīng)用示范,通過接收GNSS衛(wèi)星定位信號及參考站的差分信號,以及各種傳感器實(shí)時采集的各種數(shù)據(jù)和信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和精密解算,實(shí)現(xiàn)了對橋梁的實(shí)時形變監(jiān)測、綜合分析、預(yù)警預(yù)測及健康評估等功能。其中,橋梁形變定位精度達(dá)到了實(shí)時厘米級,事后毫米級,該系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高了橋梁安全監(jiān)測的準(zhǔn)確性和預(yù)測評估的可靠性。

橋梁安全監(jiān)測;GNSS;傳感技術(shù);監(jiān)測站

0 引 言

近年來,我國在修路筑橋方面增加了大量的人力、物力和財力投入,加快橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),各種斜拉橋、懸索橋等大跨度的橋梁相繼出現(xiàn),使我國一躍成為世界橋梁大國[1]。由于橋體在運(yùn)行期間會受到行車荷載、風(fēng)力、溫度以及突發(fā)的自然災(zāi)害等外界因素的影響,以及混凝土收縮徐變、老化、碳化、鋼筋松弛、銹蝕、墩臺基礎(chǔ)沉降等內(nèi)在因素的影響[2]。在內(nèi)外因素的影響之下,橋梁將會產(chǎn)生幾何、內(nèi)力和索力變化等[3]。如果這些變化過大,超過了橋梁能夠承受的安全范圍, 將會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此,對橋梁采用安全監(jiān)測,及早發(fā)現(xiàn)安全隱患十分必要。

傳統(tǒng)的監(jiān)測方法通常是利用全站儀和水準(zhǔn)儀對橋梁關(guān)鍵點(diǎn)分別進(jìn)行水平和垂直位移的測定,然后對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[4]。這種測量的方式不僅工作量大,過程復(fù)雜,并且具有一定的局限性,很難滿足橋梁預(yù)警管理的要求[5]。隨著地球空間信息技術(shù)的發(fā)展,以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)與地理信息系統(tǒng)(GIS)為代表的集成技術(shù)[6],為橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了有力的支持。本項(xiàng)目以武漢知音橋?yàn)閼?yīng)用示范,設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了一套基于GNSS和傳感技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng),它具有全天候、全自動、高精度、高可靠的特性,為橋梁的健康評估和預(yù)測提供了可視化數(shù)據(jù),同時也為橋梁管理者提供了決策依據(jù)[7]。

1 監(jiān)測站布點(diǎn)方案

GNSS橋梁監(jiān)測站分布于知音橋橋體上的各個監(jiān)測位置,本項(xiàng)目設(shè)計分別在橋墩墩頂和跨中位置布設(shè)GNSS監(jiān)測站,用于完成知音橋橋體位移、橋面傾斜、橋墩沉降/傾斜和撓度的監(jiān)測。

知音橋主橋?yàn)門構(gòu)+掛梁橋,跨徑布置為4×32.9+(83.95+135+83.95)+4×32.9=566.2 m,引橋?yàn)楹喼梁,全部為外部靜定體系,如圖1所示。

1) 引橋

引橋監(jiān)測范圍為P0-P4號墩臺、P7-P11號墩臺。引橋監(jiān)測斷面為11個,其中墩頂10個,監(jiān)測橋墩的地基沉降,為靜態(tài)測點(diǎn);在P2-P3跨跨中布置1個測點(diǎn),監(jiān)測主梁變形,為動態(tài)測點(diǎn)。

2) 主橋

主橋監(jiān)測范圍P4-P7墩。主墩P5、P6墩頂各布置2個測點(diǎn),監(jiān)測橋墩的沉降,共4個測點(diǎn),為靜態(tài)測點(diǎn);在T構(gòu)懸臂端各布置1個斷面、每斷面2個測點(diǎn),全橋共8個測點(diǎn),為動態(tài)測點(diǎn);在T構(gòu)中點(diǎn)各布置1個斷面,每斷面布置2個測點(diǎn),全橋共8個測點(diǎn),為動態(tài)測點(diǎn)。

圖1 知音橋GNSS測點(diǎn)布置立面圖

3) 測點(diǎn)匯總

全橋共31個測點(diǎn),其中主橋共20個,引橋共11個,如表1所示。

表1 知音橋測點(diǎn)匯總表

2 傳感器布點(diǎn)方案

2.1 撓度監(jiān)測布點(diǎn)

知音橋監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)撓度監(jiān)測點(diǎn)46個,采用壓差式變形測量傳感器進(jìn)行監(jiān)測。其中,主橋測點(diǎn)22個,引橋測點(diǎn)24個。測點(diǎn)具體分布情況:5號墩往漢口方向在剛構(gòu)懸臂的1/2處布設(shè)一個測點(diǎn),牛腿處布設(shè)一個測點(diǎn),邊掛梁1/2處布設(shè)一個測點(diǎn)。6號墩往漢陽方向在剛構(gòu)懸臂的1/2處布設(shè)一個測點(diǎn),牛腿處布設(shè)一個測點(diǎn),邊掛梁1/2處布設(shè)一個測點(diǎn);測點(diǎn)均布設(shè)在箱梁內(nèi)室外側(cè),兩幅主橋?qū)ΨQ布設(shè),共12個測點(diǎn)。5號墩與6號墩之間在1/4跨、跨中、3/4跨各布設(shè)一個測點(diǎn),共6個測點(diǎn)。另外4個基點(diǎn)布設(shè)在5號和6號墩頂,上、下流橋幅對稱分布。

引橋每跨跨中布設(shè)一個測點(diǎn),共計16個測點(diǎn);在1、2號墩跨中和8、9號墩跨中布設(shè)轉(zhuǎn)點(diǎn),上、下流橋幅對稱分布,共計4個;0號墩臺和11號墩臺各設(shè)一個基點(diǎn),上、下流橋幅對稱分布,共計4個基點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集儀配置:數(shù)據(jù)采集儀選用多通道綜合數(shù)據(jù)采集儀,配置8和16通道數(shù)據(jù)采集儀各2個,其中上、下流側(cè)各配置1個8通道和1個16通道數(shù)據(jù)采集儀。

撓度監(jiān)測傳感器具體布點(diǎn)位置如圖2所示.

圖2 知音橋撓度監(jiān)測立面圖

2.2 上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變布點(diǎn)

上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測主要針對橋梁各個受力構(gòu)件的受力大小及分布變化,能夠最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況。

知音橋監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)158個,采用FS-BM15型表面式應(yīng)變計進(jìn)行。其中,主橋測點(diǎn)78個、引橋測點(diǎn)80個,上、下流橋幅對稱分布,各79個測點(diǎn)。測點(diǎn)具體分布情況:主橋單幅5號墩往漢口方向在剛構(gòu)懸臂的1/2處,箱梁每個室內(nèi)布設(shè)3個測點(diǎn),上面2個,下面1個,共6個;邊掛梁1/2處布設(shè)5個測點(diǎn)。6號墩往漢陽方向在剛構(gòu)懸臂的1/2處每個室內(nèi)布設(shè)3個測點(diǎn),上面2個,下面1個,共6個;邊掛梁1/2處布設(shè)5個測點(diǎn)。5號墩與6號墩之間在1/4跨、3/4跨各布設(shè)6個測點(diǎn);跨中布設(shè)5個測點(diǎn);單幅39個測點(diǎn),主橋共78個測點(diǎn)。引橋每跨跨中單幅布設(shè)5個測點(diǎn),單幅40個測點(diǎn),引橋共80個測點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集儀配置:數(shù)據(jù)采集儀選用多通道振弦采集儀,配置10臺16通道振弦采集儀,上、下流橋幅各均勻布置5臺。

上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)具體布點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 知音橋應(yīng)變應(yīng)力監(jiān)測立面圖

2.3 環(huán)境溫濕度監(jiān)測布點(diǎn)方案

知音橋監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)環(huán)境溫濕度監(jiān)測點(diǎn)2個,分別監(jiān)測主橋箱梁內(nèi)外的溫濕度,采用FS-WSD-01型溫濕度計進(jìn)行監(jiān)測。溫濕度監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置:主橋跨中截面的箱梁及箱梁外各一個測點(diǎn)。

撓度監(jiān)測傳感器接入的2臺16通道綜合數(shù)據(jù)采集儀各有1個通道,2個溫濕度傳感器分別接入該預(yù)留通道。

環(huán)境溫濕度監(jiān)測點(diǎn)具體布點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 知音橋溫濕度監(jiān)測立面圖

2.4 裂縫監(jiān)測布點(diǎn)方案

知音橋監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)裂縫監(jiān)測點(diǎn)12個,采用FS-LF200型裂縫計進(jìn)行監(jiān)測。裂縫監(jiān)測位置為主橋箱梁根部布置一個,共8個測點(diǎn);另外根據(jù)橋梁實(shí)際裂縫情況布設(shè)4個測點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集儀配置:數(shù)據(jù)采集儀選用多通道綜合數(shù)據(jù)采集儀,配置4通道和8通道綜合數(shù)據(jù)采集儀各1個。裂縫監(jiān)測點(diǎn)布點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 知音橋裂縫監(jiān)測立面圖

2.5 支座位移監(jiān)測布點(diǎn)方案

支座位移監(jiān)測主要是對架設(shè)于墩臺上支座進(jìn)行位移監(jiān)測。

知音橋監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)支座位移監(jiān)測點(diǎn)8個,采用線性電位計式位移計進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)位置:橋梁每個牛腿處布設(shè)1個測點(diǎn),共8個測點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集儀配置:數(shù)據(jù)采集儀選用多通道綜合數(shù)據(jù)采集儀,配置8通道綜合數(shù)據(jù)采集儀各1個。

支座位移監(jiān)測具體布點(diǎn)位置如圖6所示。

圖6 知音橋支座位移監(jiān)測立面圖

3 參考站布點(diǎn)方案

參考站由GNSS扼流圈天線、觀測墩、天線饋線、防雷系統(tǒng)、GNSS接收機(jī)、市電電源、有線數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)七個部份構(gòu)成。其中觀測墩和防雷系統(tǒng)兩個部份,需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行建設(shè),其它部份均為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

知音橋形變監(jiān)測采用短基線解算的方式進(jìn)行,根據(jù)橋梁和地表沉降監(jiān)測范圍,參照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行站點(diǎn)選址數(shù)據(jù)分析,最后結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)與備選點(diǎn)基線長度來合理確定了GNSS參考站的位置,如表2所示。

表2 知音橋GNSS參考站信息表

4 知音橋監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸鏈路設(shè)計方案

本項(xiàng)目中數(shù)據(jù)傳輸鏈路整體分為兩個部分:知音橋橋體數(shù)據(jù)傳輸和GNSS參考站數(shù)據(jù)傳輸。其中,知音橋橋體監(jiān)測數(shù)據(jù)包括GNSS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、壓差式變形測量傳感器數(shù)據(jù)、溫濕度計、位移計、應(yīng)變計、裂縫計等多種傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中,GNSS監(jiān)測點(diǎn)31個,數(shù)據(jù)采樣頻率10 Hz,存儲頻率10 Hz,單個監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)速率達(dá)到22 kb/s;整橋數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量要求高、時延小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好,故選用光纖作為主要傳輸媒介。壓差式變形傳感器、位移計、應(yīng)變計、裂縫計等傳感器的數(shù)據(jù)同樣也利用光纖傳輸。

GNSS高精度接收機(jī)和傳感器數(shù)據(jù)采集儀數(shù)據(jù)通過串口輸出,經(jīng)串口服務(wù)器轉(zhuǎn)成網(wǎng)口,再由光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)轉(zhuǎn)換成光信號,橋上所有監(jiān)測數(shù)據(jù)信號經(jīng)光匯聚后通過專線或VPN傳輸至中心機(jī)房。

知音橋橋體監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量多,放置GNSS高精度接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)備箱布置較分散,考慮到光纖布設(shè)走線的實(shí)施難度,可先把光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)的光纖匯聚分別到若干個分光器,再由分光器將光信號通過光纖傳輸?shù)焦饩€路終端(OLT)。分光器數(shù)量和放置位置可根據(jù)橋梁結(jié)合及光纖布線實(shí)際情況確定,一般放置在其接入的所有監(jiān)測點(diǎn)(ONU)的中心位置,可與靠近中心位置的設(shè)備箱共柜。

對于4個GNSS參考站,其數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過交換機(jī)、防火墻,通過VPN與云中心連結(jié)。

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)傳輸方案如圖7所示。

圖7 知音橋監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸鏈路圖

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)集成開發(fā)模式

本系統(tǒng)采用基于GIS組件的二次開發(fā)模式,其中GIS組件選擇ESRI的MapObjects。該種方式的優(yōu)點(diǎn)是具有高效、集成、靈活的特點(diǎn)[8],可將空間分析和可視化等典型功能快速嵌入到橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)中。它既可以充分利用GIS工具軟件對空間數(shù)據(jù)庫的管理、分析功能,又可以利用其它可視化開發(fā)語言具有的高效、方便等編程優(yōu)點(diǎn)[9-10]。這樣,不僅能大大提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率,而且開發(fā)出來的應(yīng)用程序具有更好的外觀效果,更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫功能,并且可靠性好、易于移植、便于維護(hù)[11]。

5.2 系統(tǒng)軟件功能

該系統(tǒng)能夠提供良好的人機(jī)交互界面,便于使用者操作,包括各項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)的管理、分析,具有以下功能:

1) 對各類不同參數(shù)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理:解決了管理人員需要面對多類采集系統(tǒng)的困難,只需從統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中調(diào)取信息即可。

2) 傳感器信息的描述記錄:可錄入傳感器的埋設(shè)位置、設(shè)備位置及編號等信息,記錄與工程相關(guān)的信息,便于傳感器的管理。

3) 能夠?qū)τ布到y(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制:綜合管理系統(tǒng)結(jié)合智能儀器,可遠(yuǎn)程調(diào)整測試參數(shù),避免傳統(tǒng)儀器以及系統(tǒng)因?yàn)檫M(jìn)行參數(shù)改變而必須進(jìn)入橋梁現(xiàn)場的問題。

4) 能夠?qū)y試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理:主要功能有數(shù)據(jù)的過濾、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)分類等功能,為后續(xù)的自動分析和人工分析提供良好的信息源。

5) 各階段數(shù)據(jù)的顯示:可以顯示實(shí)時監(jiān)控的數(shù)據(jù),也可將歷史數(shù)據(jù)調(diào)出進(jìn)行顯示,或?qū)追N參數(shù)同時進(jìn)行顯示分析。

6) 數(shù)據(jù)分析功能:主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行各類分析處理,主要有:數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)識別、結(jié)構(gòu)的安全評估等功能。

7) 自動報表功能:可根據(jù)系統(tǒng)自動或者人工分析的結(jié)果,自由選擇自動生成各類型報表。

8) 系統(tǒng)管理的安全保障:為保障橋梁在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的安全運(yùn)行,對不同管理者提供不同的權(quán)限,對用戶身份進(jìn)行驗(yàn)證,所提供的功能有查看、檢索、修改、增加和刪除等不同操作。

5.3 主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)測試,橋梁形變位移監(jiān)測主要技術(shù)指標(biāo)，如表3所示。

表3 主要技術(shù)指標(biāo)

6 結(jié)束語

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)將GNSS實(shí)時獲取高精度空間信息和各類傳感器技術(shù)進(jìn)行了集成,實(shí)現(xiàn)了對橋梁運(yùn)營和維護(hù)的實(shí)時監(jiān)測、綜合分析和預(yù)警預(yù)測等諸多功能,對提早發(fā)現(xiàn)橋梁的安全隱患,并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施起到了非常重要的作用。該系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn),不僅有利于橋梁安全的優(yōu)化升級,也有利于地球空間信息產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用推進(jìn)和發(fā)展。此外,該系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于橋梁的安全監(jiān)測,還能廣泛應(yīng)用于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測,以及高邊坡、港口、船塢、礦山、大壩和高層建筑的健康監(jiān)測,具有較大的實(shí)用和推廣價值。

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Design of Bridge Safety Monitoring System Based on GNSS and Sensor Technology

AN Qing1, JIANG Bo1,WU Shusen2

(1.WuhanOpticsValleyBeiDouHoldingsGroupCo.,LTD,Wuhan430206,China; 2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Based on GNSS and sensor integration technology, the paper designed a set of bridge safety monitoring system, and took Wuhan Zhiyinqiao Bridge as the application demonstrate。 It achieved a series of functions, such as the real-time deformation monitoring, comprehensive analysis,threshold warning and health assessment through data processing and accurate calculating by receiving GNSS satellite positioning signal, the differential signal of the base station.and all sorts of real-time data and signal which collected by all kinds of sensors. Among them, The Real-time positioning accuracy of the system is centimeter level, and the afterwards positioning accuracy is millimeter level.The application of the system can improve the reliability of forecast evaluation and the accuracy of bridge safety monitoring significantly.

Bridge safety monitoring; global navigation satellite system; sensor technology; monitoring station

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.022

2016-04-20

知音橋安全監(jiān)測項(xiàng)目(編號:J15103365-3063)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0107-06

安慶 (1969-),男,高級工程師,主要從事3S集成關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用。

江博 (1980-),男,高級工程師,研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)。

吳樹森 (1965-),男,教授,研究方向?yàn)椴牧铣尚喂に嚰夹g(shù)，輕合金材料及金屬基復(fù)合材料等。

聯(lián)系人： 安慶 E-mail: 490756729@qq.com