基于高精度北斗定位的橋梁形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

靳明 曹明月 王正偉

摘要：本項(xiàng)目以鄭州黃河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃C合目前橋梁健康監(jiān)測(cè)的最新研究成果，建立一套具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的“橋梁健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)”。系統(tǒng)將通過對(duì)橋梁進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集，通過軟件進(jìn)行分析，掌握橋梁的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，對(duì)超出閥值的指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；北斗衛(wèi)星接收機(jī)；橋梁形變監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.23.083

1引言

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過整合GNSS接收機(jī)、各類傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對(duì)橋梁的位移形變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行形變的預(yù)警，為橋梁管理者提供橋梁的健康狀態(tài)，避免大橋?yàn)?zāi)難性事故的發(fā)生。

鄭州黃河公路大橋距離鄭州市區(qū)15公里左右，1984年7月正式開工，于1986年9月竣工，南起鄭州市花園口風(fēng)景名勝區(qū)，北抵新鄉(xiāng)市原陽縣橋北劉奄村，全長(zhǎng)5549.86米，是國(guó)道G107線，省道鄭州至滑縣、鄭州至常平路線的樞紐。鄭州黃河公路大橋是南北交通大通道跨越母親河的特大橋面，曾經(jīng)是世界上最長(zhǎng)的公路橋梁之一。鄭州黃河公路大橋已經(jīng)通行近30年，經(jīng)過了幾次加固修復(fù)工作，目前仍是河南省跨越黃河的重要捷徑快速通道，因此開展鄭州黃河公路大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)工作原理

橋梁位移監(jiān)測(cè)中采用GNSS靜態(tài)相對(duì)定位原理，利用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，通過對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)接收衛(wèi)星發(fā)播的定位信號(hào)，取得大量的冗余數(shù)據(jù)，再利用平差計(jì)算方法，修正定位的精度，從而獲取到高精度的定位信息。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

GNSS橋梁實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集北斗高精度定位、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)師遵循如下設(shè)計(jì)原則：

（1）實(shí)用性：依據(jù)功能實(shí)用、性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理的指導(dǎo)思想。

（2）可靠性：為確保橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能真正發(fā)揮應(yīng)有的作用，系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠，并且出現(xiàn)故障后能夠快速進(jìn)行修復(fù)。

（3）先進(jìn)性：數(shù)據(jù)采集頻率高，同時(shí)系統(tǒng)支持對(duì)數(shù)據(jù)的快速采集處理、管理和預(yù)警等功能。通過選用穩(wěn)定可靠且先進(jìn)的GNSS接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理。

（4）經(jīng)濟(jì)性：在滿足功能要求前提下盡量考慮經(jīng)濟(jì)性，節(jié)省項(xiàng)目成本。

2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

（1）采用GNSS定位技術(shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)不間斷的定位觀測(cè)。GNSS接收機(jī)接收數(shù)據(jù)后，采用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，解決現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的傳輸問題。

（2）在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)接收監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，利用軟件差分解算后保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，通過圖表展示橋梁的位移和形變趨勢(shì)等。

2.4系統(tǒng)整體架構(gòu)

大橋GNSS實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下部分組成：

（1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：該部分包括橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GNSS接收機(jī)和天線。

（2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)：該部分包括橋梁到控制中心的數(shù)據(jù)通信線纜、傳輸GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)到橋上交換機(jī)等相關(guān)設(shè)備。

（3）數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)：該部分包括在監(jiān)控中心的服務(wù)器及軟件系統(tǒng)組成。

（4）輔助支持系統(tǒng)：該部分由大橋外場(chǎng)及監(jiān)控中心輔助系統(tǒng)正常運(yùn)行的其他設(shè)備組成，包括外場(chǎng)機(jī)柜、防雷設(shè)備、UPS電源等。

3位移變形監(jiān)測(cè)建設(shè)

3.1GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)

GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置于T梁與蓋梁接合端T梁上端。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝GNSS接收機(jī)，GNSS接收機(jī)觀測(cè)的數(shù)據(jù)通過光纖的方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行?，控制中心進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)傳輸至交換機(jī)，再利用軟件準(zhǔn)實(shí)時(shí)解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，最終通過數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化量、變化趨勢(shì)，對(duì)形變區(qū)域整體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。GNSS接收機(jī)如圖1所示。

圖1GNSS接收機(jī)設(shè)備

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定：采用進(jìn)口主板，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，平均無故障時(shí)間大于1萬小時(shí)。

（2）頻率可配置：采集的輸出頻率可調(diào)，最高20HZ采集頻率，單歷元高精度算法，解算過程中無需人工干預(yù)。

（3）系統(tǒng)安全：Linux操作系統(tǒng)，支持多用戶訪問，設(shè)備在輸出原始數(shù)據(jù)同時(shí)備份循環(huán)存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)安全。

（4）高精度解算：1秒單歷元解算，平面：（2.5mm+1x10-6D），高程：±（5.0mm+1x10-6D），支持瞬變和徐變兩種模式。

（5）接口豐富：預(yù)留多種數(shù)據(jù)接口，支持光纖、接口RS232，RJ45、GPRS、zigbee多種傳輸模式。

（6）遠(yuǎn)程訪問：系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，支持遠(yuǎn)程訪問、在線升級(jí)。

3.2數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸包括兩部分，GNSS接收機(jī)到所監(jiān)測(cè)橋梁機(jī)柜交換機(jī)，機(jī)柜交換機(jī)再到控制中心，采取有線的方式。

（1）GNSS接收機(jī)到所在橋梁機(jī)柜交換機(jī)。

GNSS接收機(jī)經(jīng)RS232串口輸出GNSS原始數(shù)據(jù)，通過光纖轉(zhuǎn)換器設(shè)備將串口信號(hào)轉(zhuǎn)化為RJ45，再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化后將數(shù)據(jù)傳至交換機(jī)。

（2）橋梁到控制中心已經(jīng)有光纖網(wǎng)絡(luò)，橋梁交換機(jī)到控制中心利用該光纖線路。

3.3數(shù)據(jù)處理與預(yù)警子系統(tǒng)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理預(yù)警是系統(tǒng)的重中之重。該子系統(tǒng)主要由服務(wù)器、中心網(wǎng)絡(luò)和軟件系統(tǒng)組成，具有數(shù)據(jù)處理、差分解算、數(shù)據(jù)圖表展示、異常預(yù)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

軟件系統(tǒng)共分三部分：

（1）數(shù)據(jù)采集軟件：完成數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)墓ぷ鳌?/p>

（2）數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件：完成數(shù)據(jù)接收、控制、差分解算，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)圖表展示和根據(jù)設(shè)定的閥值進(jìn)行預(yù)警等工作。endprint

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件：完成數(shù)據(jù)入庫(kù)存儲(chǔ)和其他管理工作。

4監(jiān)測(cè)軟件介紹

該監(jiān)測(cè)軟件主要由五個(gè)模塊組成，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊、數(shù)據(jù)查詢輸出模塊、安全預(yù)警模塊和系統(tǒng)管理模塊組成。軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

黃河橋健康監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

（1）可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，支持對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以過程線等圖表形式實(shí)時(shí)展示和打印。

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠可以保存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，并可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，并統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的GNSS接收機(jī)的最大最小值，還可以直接導(dǎo)出excel表格或報(bào)表。

（3）對(duì)水平和高程的形變位移以時(shí)間曲線圖以及其他多種圖形的方式展示。

（4）具有多種方式的報(bào)警提醒功能，系統(tǒng)平臺(tái)會(huì)有報(bào)警提醒，同時(shí)還可提供多種聲光報(bào)警或手機(jī)短信報(bào)警通知相關(guān)負(fù)責(zé)人。

（5）系統(tǒng)可按照用戶分配不同的系統(tǒng)訪問、操作權(quán)限，并且用戶登錄和相關(guān)的操作寫日志，方便備查。

（6）系統(tǒng)滿足開放性標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足數(shù)據(jù)的擴(kuò)展、系統(tǒng)軟件功能的升級(jí)等方面的要求。

（7）系統(tǒng)采用高級(jí)語言開發(fā)，功能強(qiáng)大、靈活方便、界面美觀，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大橋安全監(jiān)測(cè)的功能要求。

4.1數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)采集各種類型傳感器（GNSS接收機(jī)或其他傳感器）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，位移監(jiān)測(cè)主要利用GNSS定位測(cè)量方法獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，將精確坐標(biāo)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在軟件系統(tǒng)的圖表中展示。

4.2數(shù)據(jù)處理分析模塊

（1）過程線分析：位移分析可以按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隨著時(shí)間的延續(xù)，各個(gè)方向向量值可以生成曲線。縱軸表示監(jiān)測(cè)值，橫軸表示時(shí)間，可以給監(jiān)測(cè)值設(shè)置預(yù)警限值，并且按照?qǐng)?bào)警級(jí)別可以設(shè)置不同的限值。

（2）滯后時(shí)間分析：本系統(tǒng)采用自動(dòng)化智能分析推求滯后時(shí)間。

（3）沉降分析：通過繪制垂直位移與時(shí)間的關(guān)系曲線對(duì)大橋的垂直位移的變化進(jìn)行分析，了解垂直位移的變化情況。

4.3數(shù)據(jù)查詢輸出模塊

（1）歷史數(shù)據(jù)查詢：對(duì)以往的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分時(shí)間段查詢。

（2）圖表展示：可以將數(shù)據(jù)信息按照?qǐng)D表的格式進(jìn)行展示。

（3）查詢結(jié)果輸出：根據(jù)用戶查詢結(jié)果，提供多種文件格式輸出，系統(tǒng)也可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，按照所需的報(bào)表格式輸出并繪制各種圖形。

4.4安全預(yù)警模塊

安全預(yù)警模塊是根據(jù)用戶設(shè)置的預(yù)警閥值進(jìn)行預(yù)警的功能。系統(tǒng)支持多種報(bào)警提醒方式，短信通知和聲光報(bào)警器的提醒方式，從而確保用戶能夠及時(shí)收到預(yù)警。報(bào)警劃分為三個(gè)級(jí)別：

（1）一級(jí)報(bào)警：設(shè)備故障或是出現(xiàn)跳變，可以上報(bào)給值班人員。方便值班人員及時(shí)查明原因。

（2）二級(jí)報(bào)警：變形趨勢(shì)相對(duì)明顯，并超過了設(shè)定閥值，報(bào)警給管理部門領(lǐng)導(dǎo)，以及時(shí)做出分析和應(yīng)對(duì)措施。

（3）三級(jí)報(bào)警：當(dāng)嚴(yán)重變形超限，并且長(zhǎng)時(shí)間變形峰值出現(xiàn)，表明問題已經(jīng)很嚴(yán)重，必須迅速上報(bào)給高層領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)專家，并及時(shí)做出反應(yīng)。

安全預(yù)警模塊包括如下功能：

（1）報(bào)警過濾：可能一種異常產(chǎn)生多種報(bào)警，設(shè)置只顯示主要原因，如停電會(huì)產(chǎn)生通信中斷報(bào)警。

（2）報(bào)警升級(jí)：當(dāng)報(bào)警產(chǎn)生一段時(shí)間或次數(shù)后，如未處理報(bào)警，自動(dòng)提升報(bào)警級(jí)別。

（3）報(bào)警解除：當(dāng)報(bào)警處理完后自動(dòng)解除或人為手工解除。

4.5系統(tǒng)管理模塊

（1）權(quán)限管理：用戶可登錄，進(jìn)行查詢和下載數(shù)據(jù)。軟件對(duì)不同的用戶分配不同的權(quán)限，不同權(quán)限的用戶可執(zhí)行的操作不同。

（2）系統(tǒng)設(shè)置：對(duì)服務(wù)器信息、限差信息、各類傳感器參數(shù)等信息進(jìn)行設(shè)置，方便用戶進(jìn)行管理。

（3）報(bào)警設(shè)置：對(duì)報(bào)警方式、報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（4）日志管理：對(duì)系統(tǒng)日志、用戶登錄日志、操作日志進(jìn)行管理。

（5）設(shè)備管理：對(duì)傳感器和GNSS接收機(jī)等涉及的設(shè)備信息進(jìn)行維護(hù)。

5系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不用操作人員費(fèi)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理、分析結(jié)果等工作，實(shí)時(shí)顯示變形量，采用無人值守的方法遠(yuǎn)程管理多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過設(shè)定的預(yù)警值，橋梁管理者可以通過圖形顯示得到實(shí)時(shí)的報(bào)警，避免重大生命、財(cái)產(chǎn)損失。主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）系統(tǒng)的定位精度為事后毫米級(jí)，水平精度2毫米，高程精度5毫米。

（2）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)7*24小時(shí)連續(xù)不間斷位置觀測(cè)。

（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人值守，完全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警，并且預(yù)警后系統(tǒng)自動(dòng)短信通知橋梁的安全負(fù)責(zé)人，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警。

（4）系統(tǒng)可直接提供垂直和平面的坐標(biāo)及其絕對(duì)或相對(duì)變化量，這是相比其他監(jiān)測(cè)手段的優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)界面如圖3所示。

6結(jié)論

本系統(tǒng)利用GNSS技術(shù)的優(yōu)良性能，通過監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變情況，為橋梁管理者實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并掌控大橋的安全狀態(tài)，避免橋梁災(zāi)難性事故的發(fā)生。隨著GNSS技術(shù)的不斷成熟，GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)在安全監(jiān)測(cè)行業(yè)中應(yīng)用并取得顯著效果。

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