淺談基于北斗導(dǎo)航的橋梁健康智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

李燕

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

橋梁健康監(jiān)測(cè)是指通過(guò)對(duì)服役期間橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，對(duì)大橋在運(yùn)營(yíng)狀況處于異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為后期橋梁管理保護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

一、傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測(cè)存在的不足

傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)有:傾角儀、位移儀、測(cè)速儀等通用測(cè)量方式。這些測(cè)量方式能夠適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境，達(dá)到一定的測(cè)量精度要求，得到橋梁的整體變形狀態(tài)，但傳統(tǒng)測(cè)量中普遍存在以下問(wèn)題：

（一）準(zhǔn)確度和便攜性等方面存在一定差距。比如位移傳感器測(cè)試法固然測(cè)量精度較高，但通常只能實(shí)現(xiàn)單向變形測(cè)量；激光干涉儀法，一般只能進(jìn)行定期的檢測(cè)，結(jié)構(gòu)物的搖晃或震動(dòng)較大時(shí)很難跟蹤目標(biāo)。

（二）缺少傳感器的優(yōu)化布設(shè)方案。為獲得橋梁的健康狀況，香港青馬大橋曾永久性地安置了800多個(gè)各種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁的健康狀況[1]。由此可見(jiàn)在傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)中缺乏對(duì)有效傳感器的合理布設(shè)，采集的原始數(shù)據(jù)不能及時(shí)有效的利用。

（三）注重硬件設(shè)施，輕視健康分析。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)普遍存在對(duì)監(jiān)測(cè)硬件設(shè)施重視程度大于結(jié)果分析的現(xiàn)象，這一點(diǎn)在一些大跨度橋梁監(jiān)測(cè)中尤為明顯，盡管實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的采集，但存在很大的盲目性，一部分硬件設(shè)施并未發(fā)揮其作用，造成了資源浪費(fèi)。

二、基于北斗導(dǎo)航的橋梁監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)分析

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)主要由空間星座、地面控制系統(tǒng)、用戶終端設(shè)備三部分構(gòu)。它具有如下優(yōu)勢(shì)：

（一）監(jiān)測(cè)空間規(guī)模覆蓋面大。在高山地區(qū)的一些橋梁中，利用北斗導(dǎo)航監(jiān)測(cè)不受地形、環(huán)境等因素的影響的特性，對(duì)于一些難以通過(guò)人工監(jiān)測(cè)的易損區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)有效監(jiān)測(cè)；

（二）依靠北斗定位技術(shù)，準(zhǔn)確度高。利用差分定位觀測(cè)技術(shù)，定位精度相對(duì)于傳統(tǒng)定位技術(shù)更加準(zhǔn)確。利用衛(wèi)星技術(shù)設(shè)置方格網(wǎng)，將點(diǎn)位的中誤差作為精度標(biāo)準(zhǔn)更加科學(xué)實(shí)用[2]；

（三）信息獲取高效。全天時(shí)覆蓋、空間覆蓋面廣，橋梁監(jiān)測(cè)部門(mén)能夠?qū)崟r(shí)掌握橋梁各個(gè)部分的健康狀況，在獲知預(yù)警信息時(shí)，能快速對(duì)此信息做出決斷，找到相關(guān)原因，及時(shí)做出橋梁健康維護(hù)措施，以保證橋梁的安全性以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。

基于以上分析，為更高效、精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁變形的監(jiān)測(cè)，本文提出了基于北斗導(dǎo)航的橋梁變形智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架及其實(shí)現(xiàn)方法。

三、橋梁健康智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架及其主要功能

1.系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)耦合北斗導(dǎo)航技術(shù)和傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，可全天時(shí)、全天候的監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)整體行為和智能化評(píng)估結(jié)構(gòu)狀態(tài)等健康狀況。

橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用或遭遇突發(fā)災(zāi)害之后，通過(guò)測(cè)定其關(guān)鍵性能指標(biāo)，進(jìn)而能獲取反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的信息，從而對(duì)其進(jìn)行綜合分析，得出損傷程度和安全等級(jí)，針對(duì)相應(yīng)的結(jié)果，制定相應(yīng)的維護(hù)對(duì)策。

（二）系統(tǒng)主要功能

1.橋梁易變形部件監(jiān)測(cè)

橋梁上安裝有搭載了UM220北斗定位模塊的傳感器和北斗橋梁健康監(jiān)測(cè)終端，根據(jù)北斗衛(wèi)星全天時(shí)、全天候?qū)Ш蕉ㄎ坏奶攸c(diǎn)，能夠?qū)蛄阂鬃冃尾考M(jìn)行全天時(shí)、監(jiān)測(cè)健康狀況。

2.橋梁健康數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)采集采用有線光纖通信和衛(wèi)星通信相結(jié)合的方式，一方面結(jié)合光纖自身抗干擾性強(qiáng)、傳輸快、傳輸衰減小的特點(diǎn)，能夠使得傳向控制中心的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、速度快，節(jié)約成本；另一方面結(jié)合衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳和原始數(shù)據(jù)更新，保證數(shù)據(jù)的一致性、準(zhǔn)確性和時(shí)間同步性。

3.橋梁預(yù)警與安全評(píng)估

控制中心通過(guò)篩選北斗系統(tǒng)及各類(lèi)傳感器獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為安全預(yù)警系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于構(gòu)建安全預(yù)警系統(tǒng)和安全評(píng)估系統(tǒng)。預(yù)警系統(tǒng)的警報(bào)作用便于及時(shí)采取災(zāi)害預(yù)防措施，把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

4.橋梁病害維護(hù)

控制中心通過(guò)對(duì)傳感器和北斗終端傳輸回來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出病害出現(xiàn)的位置和病害出現(xiàn)的原因，然后“對(duì)癥下藥”制定相應(yīng)的對(duì)策，以最大程度減輕各種病害對(duì)橋梁安全使用壽命和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)安全的影響。

（三）系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

1.北斗橋梁健康監(jiān)測(cè)終端的功能

（1）通過(guò)終端內(nèi)的北斗定位模塊，實(shí)現(xiàn)橋梁部件變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，再通過(guò)北斗衛(wèi)星回傳至控制中心。

（2）由于要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全天時(shí)實(shí)時(shí)回傳，終端配有太陽(yáng)能電池板，為斷電等特殊情況，進(jìn)行緊急供電。

（四）控制中心的功能

1.接受來(lái)自北斗衛(wèi)星傳輸回來(lái)的橋梁部件變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，全天時(shí)實(shí)時(shí)確定橋梁部件的狀態(tài)。

2.接受來(lái)自傳統(tǒng)傳感器通過(guò)光纖等通信設(shè)施傳輸回來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3.對(duì)回傳到控制中心的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、分析、處理、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)綜合分析評(píng)價(jià)，為后續(xù)的橋梁維護(hù)、橋梁監(jiān)測(cè)研究以及橋梁安全監(jiān)測(cè)相關(guān)部門(mén)的決策制定提供數(shù)據(jù)支持。

4.在橋梁發(fā)生預(yù)警警報(bào)時(shí)，通過(guò)北斗短報(bào)文通信技術(shù)將預(yù)警部位相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至后備維護(hù)人員的接收終端，指引維護(hù)人員立即對(duì)預(yù)警情況做出問(wèn)題解決方案并將問(wèn)題解決方案回傳至控制中心。

四、總結(jié)

基于北斗導(dǎo)航的橋梁健康智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是北斗導(dǎo)航技術(shù)與智能傳感器相結(jié)合的聯(lián)合體。該系統(tǒng)結(jié)合了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和載有北斗定位模塊的傳感器，能夠?qū)蛄簞?dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（一）在數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)中，一方面采用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)架，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，另一方面采用光纖通信和衛(wèi)星通信相結(jié)合的方式，保證了傳輸數(shù)據(jù)的精確性和實(shí)時(shí)性；

（二）采用遠(yuǎn)程橋梁健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免了作業(yè)人員的實(shí)地進(jìn)行勘察、數(shù)據(jù)采集，提高了橋梁健康的監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性，同時(shí)保障了人員的人身安全，節(jié)約了監(jiān)測(cè)的實(shí)際成本；

（三）能夠利用數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁未來(lái)的健康狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展提供保障。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，北斗導(dǎo)航橋梁變形監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)有所提高，并在橋梁變形監(jiān)測(cè)中更好的應(yīng)用，為橋梁變形監(jiān)測(cè)帶來(lái)更多的優(yōu)勢(shì)。