基于GNSS技術(shù)的結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測應(yīng)用研究進展*

趙 帥，王 勝，楊淑娟，崔維久

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266525； 2.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.青建集團股份公司，山東 青島 266071)

0 引言

隨著社會與科技的發(fā)展與進步，土木工程行業(yè)逐漸向智能化、信息化發(fā)展。在土木工程行業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法既費時又費力，且對測量人員的專業(yè)技術(shù)要求較高。而專業(yè)的測量人員人工費用較高，且無法做到隨叫隨到。土木工程建設(shè)過程中的危險來源可能無法及時有效發(fā)現(xiàn)，加大了對施工人員安全的威脅，可能造成建筑材料浪費等。

因此，為更有效、安全地進行工程建設(shè)和建筑結(jié)構(gòu)保護，須對土木工程結(jié)構(gòu)進行智能監(jiān)測?，F(xiàn)在較常用的結(jié)構(gòu)位移測量方法有接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量通常將傳感器與被測結(jié)構(gòu)的測點緊密接觸[1]，若結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，會引起接觸點移動，進而使測量儀器對接觸點位移進行測量。將傳感器安裝到合適的監(jiān)測點后，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸處理，使最終處理數(shù)據(jù)在云平臺中實時顯示，以達到自動化智能監(jiān)測的目的。然而，接觸式測量是有一定危險性的，首先，接觸式測量方法需在現(xiàn)場布設(shè)復(fù)雜的線路，施工現(xiàn)場作業(yè)人員不能破壞測量線路，增加了人員作業(yè)風(fēng)險；其次，將傳感器安裝在結(jié)構(gòu)受力變形較大的測點上，當(dāng)傳感器所測指標超過其量程或傳感器質(zhì)量不佳時，易引發(fā)傳感器損壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生更大的變形，增加結(jié)構(gòu)的危險性。而非接觸式測量可有效避免以上問題。非接觸式測量主要通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、計算機視覺[1]、機器視覺[2]、傾斜攝影[3]、三維激光掃描[4]和全站儀[5]等進行測量。Dabous等[6]提出了4種非接觸式技術(shù)，包括探地雷達、紅外熱成像、近距離攝影測量和地面激光掃描。相比接觸式測量技術(shù)，非接觸式測量技術(shù)具有可控性高、可遠距離測量等優(yōu)點。

本文主要對GNSS技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)位移智能監(jiān)測中的應(yīng)用研究進展進行討論與綜述。GNSS系統(tǒng)主要包括美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)和歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GALILEO)等[7]，本文主要論述在我國應(yīng)用較廣泛的BDS ，GPS系統(tǒng)。GNSS技術(shù)具有實時性、連續(xù)性、全球性、自動化、全天候等優(yōu)點[8]，已成功應(yīng)用于公路、橋梁、超高層建筑、鐵路、水利邊坡變形等監(jiān)測中[9-13]，且在地面沉降、膨脹土邊坡、滑坡災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等監(jiān)測及預(yù)警中起到了重要作用[14-17]。GNSS技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測中應(yīng)用廣泛，但對其應(yīng)用及存在的問題系統(tǒng)性研究成果整理不足。因此，本文首先介紹GNSS技術(shù)概念及監(jiān)測原理，然后分別闡述近年來GNSS技術(shù)在結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測中的應(yīng)用研究進展，最后分析GNSS技術(shù)應(yīng)用存在的問題，并對未來的研究方向進行展望。

1 GNSS技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)組成與工作原理

結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)是較綜合的監(jiān)測系統(tǒng)[18]，既融合了結(jié)構(gòu)監(jiān)測功能和系統(tǒng)識別功能，又包含了最重要的預(yù)警、報警等功能，為更方便地查看結(jié)構(gòu)模型，還可設(shè)計3D可視化功能。監(jiān)測系統(tǒng)可為結(jié)構(gòu)施工和運維階段的管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)，進而形成適合結(jié)構(gòu)安全運行的評定及預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。

GNSS監(jiān)測系統(tǒng)一般包含基準點、監(jiān)測點、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等模塊[19]，通過實時采集基準點和監(jiān)測點GNSS信號并進行數(shù)據(jù)傳輸與處理，最終將處理過的數(shù)據(jù)顯示在云平臺上，根據(jù)設(shè)定完成的預(yù)警閾值等級進行報警。

GNSS位移監(jiān)測原理是首先利用GPS，BDS衛(wèi)星測量基準點與監(jiān)測點之間的相對定位，得到各監(jiān)測點不同時期的位置信息；然后利用處理軟件對位置信息進行處理，剔除各種環(huán)境影響誤差因子，并與首期結(jié)果對比，得到各監(jiān)測點在不同時期的位移信息；最后將監(jiān)測結(jié)果展示在系統(tǒng)監(jiān)測平臺上[20]，方便現(xiàn)場人員對結(jié)構(gòu)狀況進行實時掌握。

2 GNSS技術(shù)在結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測中的應(yīng)用

美國于20世紀70年代提出建立GPS，并于1995年實現(xiàn)全面運作。隨著新一代GNSS技術(shù)的高速穩(wěn)定發(fā)展，特別是我國BDS系統(tǒng)在2020年已全面建成并開通相關(guān)服務(wù)，為我國開展GNSS監(jiān)測研究和各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用奠定了空間設(shè)施條件基礎(chǔ)[21]。

2.1 監(jiān)測技術(shù)類型

2.1.1GPS-RTK技術(shù)

GPS-RTK技術(shù)(GPS實時動態(tài)測量技術(shù))是基于載波相位差分模型的定位方法，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息傳至流動站，流動站自身也采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，以消除衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差及電離層和對流層折射等誤差，以實時提供測點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果[22]。王琿[23]介紹了差分GPS動靜態(tài)定位技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，結(jié)果表明該技術(shù)適用于大型結(jié)構(gòu)測量監(jiān)測。賴家林[24]通過分析差分GPS測量機理，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)信號定位技術(shù)相結(jié)合，提出了綜合WSN，GPS技術(shù)的位移監(jiān)測方法，并通過試驗驗證了該方法的可行性。范建兵等[25]通過設(shè)計測量誤差評估試驗，證明了可利用GPS-RTK技術(shù)有效解決測量費時費力、精度要求高和難度大等問題，可進行水平位移監(jiān)測。過靜珺等[26]利用GPS-RTK技術(shù)實時監(jiān)測香港青馬大橋動態(tài)位移，三維位移測試精度可達±1cm。Elnabwy等[27]利用GPS-RTK技術(shù)監(jiān)測了曼蘇拉市塔克哈公路橋的橋面運動，較好地獲取了橋面動態(tài)位移。綜上所述，GPS-RTK技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測中發(fā)揮了顯著作用，監(jiān)測精度較高。

2.1.2基于GNSS坐標時間序列監(jiān)測技術(shù)

GNSS坐標時間序列是1組按照時間順序排列的基準站坐標，坐標時間序列可反映測站的長期線性變化趨勢和非線性變化趨勢，通過分析坐標時間序列可更精確地得到結(jié)構(gòu)位移。蔡華[28]利用線性內(nèi)插的多路徑方法改正了坐標時間序列，對變形監(jiān)測系統(tǒng)進行了優(yōu)化，精度提升了50%。Vazquez等[29]針對位于墨西哥庫利亞坎的華雷斯大橋，采用移動平均濾波器改進GPS時間序列，對中心橋面動、半靜態(tài)位移進行計算，取得了可靠的結(jié)果。

2.1.3多GNSS監(jiān)測技術(shù)

應(yīng)用多GNSS監(jiān)測技術(shù)進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測是提高監(jiān)測精度的有效方法。Xi等[30]以武漢白沙洲長江大橋為例，提出了多GNSS監(jiān)測技術(shù)集成處理算法，將單GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，GPS,BDS,GLONASS中任意2個系統(tǒng)集成及GPS，BDS，GLONASS系統(tǒng)組合所能實現(xiàn)的精度指標與實際橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果表明，GPS，BDS，GLONASS系統(tǒng)組合的監(jiān)測精度最高，水平精度為1～2mm，垂直精度為2～5mm。Msaewe等[31]通過對英國塞文懸索橋進行GNSS技術(shù)監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)增加1個衛(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)可更精確地估計位移時間序列，提高了監(jiān)測結(jié)果的準確性。因此，多GNSS監(jiān)測技術(shù)在變形位移監(jiān)測中具有優(yōu)越性。

2.1.4其他技術(shù)

除上述幾種監(jiān)測技術(shù)外，還有其他幾種監(jiān)測技術(shù)能夠較好地監(jiān)測結(jié)構(gòu)位移，如利用高采樣率接收機和單歷元算法進行超高層建筑連續(xù)變形監(jiān)測[32]；利用位置質(zhì)量閾值概念識別GPS信號背景噪聲，評估動態(tài)運動頻率和振幅對高層建筑的影響[33]；利用改進GNSS定位精度的算法——質(zhì)量控制算法進行監(jiān)測，已在韓國某斜拉橋監(jiān)測中得到了應(yīng)用，監(jiān)測結(jié)果更準確[34]；利用將GNSS坐標轉(zhuǎn)換為壩頂局部參考坐標系的方法，實現(xiàn)了撒丁島某大壩的位移監(jiān)測[35]；利用高精度GNSS數(shù)據(jù)處理策略，提取和分析了英國福斯公路橋塔架豎向變形[36]；基于BDS融合多源傳感器技術(shù)進行監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，并以BDS融合靜力水準系統(tǒng)在軟基沉降變形監(jiān)測中的應(yīng)用為例進行了現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，監(jiān)測結(jié)果滿足工程高精度和時效性要求[37]。

綜上所述，合理地運用相應(yīng)方法，不僅可有效提高結(jié)構(gòu)位移變形監(jiān)測精度，還可排除異常監(jiān)測數(shù)值，更好地提高監(jiān)測準確性，盡可能避免監(jiān)測系統(tǒng)謊報、誤報。

2.2 工程應(yīng)用

姚剛等[38]總結(jié)了GPS技術(shù)在土木工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了GPS技術(shù)的應(yīng)用前景。對于超高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、基坑等大型結(jié)構(gòu)來說，實時掌握施工過程中建筑結(jié)構(gòu)位移狀態(tài)，有利于及時調(diào)整施工做法，避免危險的發(fā)生，實時掌握運維階段的結(jié)構(gòu)位移，便于后期的管理與維護，具有顯著的經(jīng)濟效益及社會效益。

2.2.1超高層建筑監(jiān)測

隨著技術(shù)及經(jīng)濟水平的發(fā)展，超高層建筑越來越多。超高層建筑在風(fēng)、地震、溫度等環(huán)境激勵作用下會發(fā)生變形，為保證結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定，對其進行實時監(jiān)測是有意義的。超高層建筑在施工期的剛度和整體性與施工結(jié)束后的剛度和整體性差異較大，即會發(fā)生不同程度的位移。熊春寶等[39]利用GNSS技術(shù)對在建期的天津高銀117大廈進行了短時間位移監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)外框66層測點位移大于95層測點位移，計算了在建大廈風(fēng)振位移響應(yīng)，對控制施工期超高層建筑穩(wěn)定性具有參考意義。Liu等[40]利用GPS結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)也對天津高銀117大廈進行了施工期位移監(jiān)測，對其結(jié)構(gòu)性能進行了評估。王華平等[41]基于多系統(tǒng)GNSS技術(shù)，對某高428m的超高層建筑施工過程中(施工至280m時)核心筒水平位移進行了實時監(jiān)測，通過獲取及分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保了結(jié)構(gòu)安全施工。在超高層建筑運維過程中，Kijewski-Correa等[42]在迪拜哈利法塔上進行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，提出了能以10Hz頻率實時傳輸建筑物位移的系統(tǒng)。Park等[43]基于GPS監(jiān)測系統(tǒng)對韓國某66層超高層建筑在沙塵暴作用下的風(fēng)振響應(yīng)進行了測量，監(jiān)測了結(jié)構(gòu)水平位移、扭轉(zhuǎn)位移和加速度，得出了利用GPS可監(jiān)測高層建筑運動全過程的結(jié)論。另外，香港某420m超高層建筑[44]也應(yīng)用了GNSS技術(shù)進行位移監(jiān)測，取得良好監(jiān)測效果。然而，上述研究多僅對超高層建筑進行了短時間或局部的位移監(jiān)測，雖得到了有價值的結(jié)論，但不夠全面。在今后的超高層建筑監(jiān)測研究中，可延長監(jiān)測時間，甚至貫穿整個施工、運維過程，并增加監(jiān)測點數(shù)量，使監(jiān)測得到的位移數(shù)據(jù)可被充分利用，為超高層建筑施工、運維提供指導(dǎo)。

2.2.2橋梁監(jiān)測

橋梁作為重要的交通樞紐，對其進行位移變形監(jiān)測可極大地保證交通運輸?shù)陌踩?。由于GNSS技術(shù)與傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測傳感器相比更具優(yōu)勢[45-46]，所以GNSS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于橋梁位移監(jiān)測中。黃聲享等[47]以施工期的蘇通大橋為背景，利用GPS監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測其各方向位移，監(jiān)測結(jié)果均達到了毫米級。徐峰等[48]針對我國鋼管拱橋施工期的健康監(jiān)測問題，以施工期烏梅河特大橋纜索為例，利用基于BDS+GPS的監(jiān)測系統(tǒng)進行了索塔縱向位移監(jiān)測，結(jié)果顯示索塔位移控制較好。在橋梁運維階段，Larocca等[49]首次成功應(yīng)用GPS監(jiān)測小型混凝土橋梁動態(tài)位移，監(jiān)測精度達5mm。吳杰等[50]以蘇通大橋為例，使用GPS監(jiān)測系統(tǒng)對其進行實時監(jiān)測，對橋面軸向、橫向及豎向位移數(shù)據(jù)進行了分析，得出該運營期的大橋各方向振幅均在安全范圍內(nèi)的結(jié)論。李雷[51]以江蘇某大橋為背景，構(gòu)建了GPS監(jiān)測系統(tǒng)對該橋進行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果與有限元模擬分析結(jié)果及荷載試驗得到的結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)3種結(jié)果非常接近，表明該系統(tǒng)測量精度較高。Xi等[52]對白沙洲長江大橋進行了試驗，發(fā)現(xiàn)BDS在靜態(tài)模式下水平分量和垂直分量測量精度分別可達2～3，5～7mm。由此可見，GNSS技術(shù)在橋梁位移監(jiān)測方面發(fā)揮著重要作用。

2.2.3基坑監(jiān)測

近年來，施工過程中基坑坍塌事故頻有發(fā)生，對基坑進行實時位移監(jiān)測是保證現(xiàn)場安全施工的有力措施。秦清欣[53]以南京棲霞區(qū)某基坑工程為例，利用GPS對基坑監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集，得到了基坑邊坡位移，結(jié)果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)有效節(jié)約了時間，并降低了測量危險性。張晉梅等[54]以湖南某基坑開挖項目為背景，通過分析利用BDS得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出該基坑支護施工過程中坑外巖土體沉降較大，而水平位移較小的結(jié)論。另外，利用GNSS技術(shù)對中央電視臺新臺址、國家貿(mào)易中心三期等項目的基坑位移進行了監(jiān)測，在出現(xiàn)異常之前可進行預(yù)警提示，保證了施工安全進行[55]。

綜上所述，利用GNSS技術(shù)對超高層建筑、橋梁、基坑等大型結(jié)構(gòu)位移進行監(jiān)測，可取得較好的監(jiān)測效果，不僅能夠保證施工安全進行，且對結(jié)構(gòu)建成后的運營維護階段起著重要作用。

3 存在的問題與展望

3.1 存在的問題

在智能時代，土木工程只有與其他領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合管理施工，才能實現(xiàn)智能建造。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)和無線通信技術(shù)的逐漸成熟，智能建造將成為土木工程行業(yè)新的代名詞，為使智能建造在土木工程行業(yè)普及，相關(guān)結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測必不可少，但目前基于GNSS技術(shù)的結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測還存在以下問題。

1)精度方面

雖然目前利用GNSS技術(shù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)可達毫米級，但通過查閱國內(nèi)外文獻，未見監(jiān)測數(shù)據(jù)達亞毫米級及更高精度的報道。監(jiān)測數(shù)據(jù)達毫米級或許對于在外力作用下能夠產(chǎn)生顯著位移的大型結(jié)構(gòu)來說已經(jīng)足夠，但對于細微結(jié)構(gòu)的微小位移來說，毫米級的精度遠遠不夠。

2)應(yīng)用場景方面

GNSS技術(shù)在超高層建筑、橋梁、基坑等大型結(jié)構(gòu)施工及運維中已得到普遍應(yīng)用，如果將該技術(shù)局限在監(jiān)測大型結(jié)構(gòu)體外部變形狀態(tài)上，對于土木工程眾多結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場景來說，范圍偏于狹小。

3)監(jiān)測時長方面

在某些施工期的超高層建筑位移監(jiān)測中，監(jiān)測時間過短。由于超高層建筑受到的風(fēng)荷載作用較大，監(jiān)測時間過短不能完全經(jīng)歷風(fēng)速與風(fēng)向變化過程，導(dǎo)致得到的數(shù)據(jù)不能全方面反映超高層建筑位移變化。

4)監(jiān)測范圍方面

受監(jiān)測點周邊環(huán)境的影響，會造成結(jié)構(gòu)不同部位發(fā)生的位移有所差異。上述研究雖選擇的監(jiān)測點位置有代表性，但對于大型結(jié)構(gòu)來說，監(jiān)測點數(shù)量略少。監(jiān)測范圍偏小會造成獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)無法進行足夠的對比驗證，數(shù)據(jù)真實準確性無法保證，得到的研究結(jié)論說服力不足。

3.2 展望

通過查閱資料、整理文獻等，可知目前的GNSS技術(shù)主要應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)體外部位移監(jiān)測，而要實現(xiàn)GNSS技術(shù)在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的位移監(jiān)測難度較大，這不僅要在現(xiàn)有方法、算法等方面進行深入研究，還要明確被測結(jié)構(gòu)施工過程及特性等。將GNSS技術(shù)應(yīng)用于高大模板類模板工程結(jié)構(gòu)自動監(jiān)測中難以實現(xiàn)，因在施工過程中高支模支架沉降、位移和傾斜均較微小，且均發(fā)生在架體內(nèi)部，利用GNSS技術(shù)難以監(jiān)測，所以到目前為止未出現(xiàn)將GNSS技術(shù)應(yīng)用于高支模監(jiān)測的案例。需對GNSS技術(shù)在更微小的位移監(jiān)測、結(jié)構(gòu)體內(nèi)部位移監(jiān)測進行研究。針對GNSS技術(shù)監(jiān)測精度問題，需通過改進算法、借鑒其他專業(yè)領(lǐng)域的算法使監(jiān)測精度進一步提升。針對GNSS技術(shù)應(yīng)用場景受限的問題，應(yīng)進行進一步研究。針對GNSS技術(shù)監(jiān)測時長問題，應(yīng)根據(jù)工程實際情況適當(dāng)增加監(jiān)測時長，最好包含結(jié)構(gòu)整個施工期，以全面分析結(jié)構(gòu)位移變化。針對GNSS技術(shù)監(jiān)測范圍問題，應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)擴大結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測范圍，布置更密集的測點，進行更全面的研究。

4 結(jié)語

利用GNSS技術(shù)進行土木工程結(jié)構(gòu)位移智能監(jiān)測具有高時空分辨率、高精度、低成本、全球覆蓋、全天候等優(yōu)勢，本文通過綜述GNSS技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測中的應(yīng)用，總結(jié)了已有監(jiān)測技術(shù)和應(yīng)用效果，分析了存在的問題，并進行了應(yīng)用展望，如將GNSS技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體內(nèi)部微小位移監(jiān)測等。在此基礎(chǔ)上，如何進一步減小測量誤差、提高GNSS技術(shù)應(yīng)用效率也是后續(xù)研究重點。