基于北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大跨度橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

摘要 文章探討了基于北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大跨度橋梁變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站和變形監(jiān)測(cè)平臺(tái)等組成，采用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)和高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收設(shè)備，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與準(zhǔn)確性。首先，通過(guò)載波相位法和差分處理技術(shù)，系統(tǒng)能夠高效地獲取橋梁的變形信息，并通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)進(jìn)行可視化展示。然后，在實(shí)際應(yīng)用中分析了兩個(gè)案例：某大跨度懸索橋和某大跨度拱橋的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別展示了變形、應(yīng)變和加速度等關(guān)鍵參數(shù)的變化，系統(tǒng)在懸索橋的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)應(yīng)變超出安全閾值后及時(shí)觸發(fā)了預(yù)警，提示進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查，而在拱橋的監(jiān)測(cè)中，整體結(jié)構(gòu)則保持安全，未觸發(fā)預(yù)警。研究結(jié)果表明，基于北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在保障大跨度橋梁安全運(yùn)營(yíng)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；大跨度橋梁；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0016-03

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，大跨度橋梁的數(shù)量顯著增加，已成為交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。截至目前，全國(guó)范圍內(nèi)已建成的大跨度橋梁數(shù)量已達(dá)到數(shù)萬(wàn)座[1]。這些橋梁在承受各種外部荷載和自身重力的作用下，必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，尤其在極端環(huán)境條件下變形現(xiàn)象更為明顯。例如，在強(qiáng)風(fēng)作用下，一些大跨度橋梁會(huì)發(fā)生風(fēng)－車(chē)－橋的耦合共振，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈振動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)安全隱患。因此，針對(duì)大跨度橋梁開(kāi)展健康監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警顯得尤為重要。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷進(jìn)步，其高精度和實(shí)時(shí)性使得自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[2]。研究表明，北斗系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出良好的精度和可靠性。相關(guān)研究者針對(duì)北斗系統(tǒng)的信號(hào)處理進(jìn)行了深入分析，提出的改進(jìn)算法提升了測(cè)量精度，為高精度變形監(jiān)測(cè)提供了有力支持；同時(shí)，對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，指出了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)[3]。在此背景下，該文將重點(diǎn)探討基于北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大跨度橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究，首先介紹北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的基本構(gòu)成和相關(guān)監(jiān)測(cè)算法，隨后分析其在橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，旨在為橋梁健康監(jiān)測(cè)提供切實(shí)可行的參考和指導(dǎo)。通過(guò)這一研究，希望能為保障大跨度橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 北斗大跨度橋梁變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

1.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

在現(xiàn)代橋梁工程中，變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步為大跨度橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供了強(qiáng)有力的支持。北斗大跨度橋梁變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，各個(gè)部分相互配合，共同確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性。

1.1.1 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息傳遞通道，負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)站收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行奶幚硐到y(tǒng)。該子系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，這種技術(shù)不僅具有覆蓋廣、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，還能在各種復(fù)雜環(huán)境下確保數(shù)據(jù)的高效性和可靠性[4]。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或光纖傳輸技術(shù)，能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)迅速而準(zhǔn)確地反饋到監(jiān)測(cè)中心。這一過(guò)程極大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，確保監(jiān)測(cè)人員能夠在第一時(shí)間獲取到最新的監(jiān)測(cè)信息，從而為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策提供及時(shí)的信息支持。

1.1.2 基準(zhǔn)站

基準(zhǔn)站是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于提供高精度的參考坐標(biāo)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。通常情況下，基準(zhǔn)站設(shè)置在橋梁附近，并配備高精度的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收設(shè)備?；鶞?zhǔn)站能夠?qū)崟r(shí)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理生成精確的位置信息。這些數(shù)據(jù)將作為監(jiān)測(cè)站的參考依據(jù)，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性?；鶞?zhǔn)站不僅為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，還能有效降低因環(huán)境變化引起的測(cè)量誤差，從而提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的可信度。

1.1.3 監(jiān)測(cè)站

監(jiān)測(cè)站是負(fù)責(zé)具體數(shù)據(jù)采集和變形監(jiān)測(cè)的核心部分。每個(gè)監(jiān)測(cè)站配備多種傳感器，如位移傳感器、應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)等，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的不同變形參數(shù)。這些傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)，形成一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)鏈條。監(jiān)測(cè)站的布局通常根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行合理安排，以實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)測(cè)覆蓋。例如，在橋梁的關(guān)鍵部位和可能發(fā)生變形的區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)站，可以有效捕捉橋梁在使用過(guò)程中的細(xì)微變化，從而為橋梁的安全評(píng)估提供重要依據(jù)。

1.1.4 變形監(jiān)測(cè)平臺(tái)

變形監(jiān)測(cè)平臺(tái)是數(shù)據(jù)分析和可視化的核心部分，負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和展示。該平臺(tái)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法和可視化技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)生成橋梁變形的監(jiān)測(cè)報(bào)告，并通過(guò)圖形、圖表等形式直觀展示監(jiān)測(cè)結(jié)果。監(jiān)測(cè)平臺(tái)不僅具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，還可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，以幫助工程師和決策者識(shí)別長(zhǎng)期趨勢(shì)和潛在問(wèn)題。這一功能對(duì)橋梁的健康評(píng)估和維護(hù)決策至關(guān)重要，能夠?yàn)闃蛄旱陌踩\(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)，確保橋梁在其使用壽命內(nèi)保持良好的結(jié)構(gòu)性能。

1.2 檢測(cè)算法

1.2.1 載波相位法原理

載波相位法的基本原理是利用衛(wèi)星信號(hào)在傳播過(guò)程中，信號(hào)的相位會(huì)隨接收點(diǎn)的位置變化而發(fā)生變化。具體來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星向地面發(fā)送的信號(hào)包含頻率和相位等信息[5]。當(dāng)信號(hào)從衛(wèi)星傳播到接收器時(shí)，信號(hào)的傳播時(shí)間和傳播路徑會(huì)受到多種因素的影響，包括大氣延遲、衛(wèi)星軌道變化等。因此，通過(guò)測(cè)量接收到的信號(hào)相位與已知的參考相位之間的差異，可以計(jì)算出接收點(diǎn)的位置信息。

載波相位的測(cè)量公式表示如下：

Φ = fc·Δt +N （1）

式中，Φ——測(cè)量的載波相位（rad或m）；c——光速（m/s）；f——信號(hào)頻率（Hz）；Δt——信號(hào)傳播時(shí)間（s）；N——整周模糊度，表示在信號(hào)傳播過(guò)程中存在的整數(shù)倍波長(zhǎng)的誤差。

通過(guò)對(duì)多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的載波相位進(jìn)行組合，可以得到精確的三維坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁變形的高精度監(jiān)測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，接收器能夠同時(shí)接收到來(lái)自多個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算這些信號(hào)的相位，可以確定接收器的當(dāng)前位置，并監(jiān)測(cè)其隨時(shí)間變化的位移。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與變形計(jì)算

在北斗大跨度橋梁的變形監(jiān)測(cè)中，載波相位法是一種重要的測(cè)量技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中，獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)一系列處理才能提取出有效的變形信息。這一過(guò)程不僅涉及數(shù)據(jù)的清洗和校正，還包括復(fù)雜的計(jì)算，以確保最終結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。首先，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要從多個(gè)監(jiān)測(cè)站獲取載波相位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含來(lái)自不同位置的橋梁變形信息，但信號(hào)在傳輸過(guò)程中可能受到多種因素的干擾，如大氣延遲、衛(wèi)星軌道誤差，以及多路徑效應(yīng)等。因此，為了消除這些影響，必須進(jìn)行差分處理。差分定位技術(shù)通過(guò)比較觀測(cè)站與基準(zhǔn)站之間的相位差，能夠有效減少系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量精度。差分定位的基本公式如下：

ΔΦ=Φobs?Φref （2）

式中，ΔΦ——差分相位，表示觀測(cè)站與基準(zhǔn)站之間的相位差（rad）；Φobs——觀測(cè)站的相位（rad）；Φref——基準(zhǔn)站的相位（rad）。

通過(guò)差分相位的計(jì)算，獲得監(jiān)測(cè)站相對(duì)于基準(zhǔn)站的位移信息。為了進(jìn)一步計(jì)算變形量，需要將監(jiān)測(cè)站的位移分解到三個(gè)坐標(biāo)軸方向上。變形量可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

Δd=（Δx）2+（Δy）2+（Δz）2 （3）

式中，Δd——變形量，表示橋梁在某一時(shí)刻的整體變形；Δx、Δy、Δz——X、Y、Z方向上的位移（m）。

2 橋梁變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用

2.1 預(yù)警指標(biāo)

在大跨度橋梁的變形監(jiān)測(cè)中，預(yù)警指標(biāo)的設(shè)定至關(guān)重要，通常包括位移閾值、應(yīng)變閾值、加速度閾值、變形速率、歷史數(shù)據(jù)對(duì)比和多點(diǎn)監(jiān)測(cè)綜合指標(biāo)等方面。位移閾值用于設(shè)定橋梁在不同工況下的位移閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的位移超出該限值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出預(yù)警；應(yīng)變閾值則通過(guò)監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)的數(shù)據(jù)，提示橋梁結(jié)構(gòu)存在的安全隱患；加速度閾值幫助評(píng)估橋梁在動(dòng)態(tài)載荷作用下的響應(yīng)情況，及時(shí)捕捉異常情況；變形速率監(jiān)測(cè)則可指示橋梁結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)問(wèn)題；歷史數(shù)據(jù)對(duì)比能夠識(shí)別出變形的異常趨勢(shì)，以觸發(fā)預(yù)警機(jī)制；最后，多點(diǎn)監(jiān)測(cè)綜合指標(biāo)通過(guò)分析多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，建立全面的預(yù)警體系，以更準(zhǔn)確地評(píng)估橋梁的安全狀態(tài)。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在實(shí)際應(yīng)用中，基于北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大跨度橋梁變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在多個(gè)橋梁項(xiàng)目中得到運(yùn)用。以下是兩個(gè)案例的詳細(xì)介紹，包括監(jiān)測(cè)結(jié)果、數(shù)據(jù)分析、相應(yīng)的表格，以及公式應(yīng)用等。

2.2.1 案例一：某大跨度懸索橋監(jiān)測(cè)

XX大橋是一座懸索橋，跨徑達(dá)到1 500 m，建于2015年。為確保橋梁的安全性和穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括設(shè)置在橋梁南側(cè)的基準(zhǔn)站，配備了GNSS接收設(shè)備。此外，監(jiān)測(cè)站分布在橋梁的主梁、支座及關(guān)鍵連接點(diǎn)等，共設(shè)立了5個(gè)，以全面監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2023年1月至2023年6月期間收集到的數(shù)據(jù)如表1所示：

在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，對(duì)橋梁的變形情況進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)和計(jì)算。首先，主梁的位移在6個(gè)月的時(shí)間里，從最初的2.5 mm增加至5.0 mm，這一變化顯著說(shuō)明橋梁在此期間經(jīng)歷了明顯的變形。支座的位移同樣呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，進(jìn)一步表明橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到影響。通過(guò)以下公式計(jì)算位移的變化量：ΔD=5.0-2.5=2.5 mm。這一結(jié)果清晰地反映了主梁位移的實(shí)際增幅。此外，還監(jiān)測(cè)到應(yīng)變的變化情況，應(yīng)變值從50增加到75，超出了設(shè)定的安全閾值70，這一現(xiàn)象提示結(jié)構(gòu)存在安全隱患；代入具體數(shù)值后，得出應(yīng)變的變化率為（75-50）/50×100%=50%，這一數(shù)據(jù)表明橋梁在受力情況下的變形程度明顯加大，亟須引起重視。同時(shí)，加速度值的逐步上升也值得注意，這表明橋梁在動(dòng)態(tài)載荷作用下的響應(yīng)逐漸增強(qiáng)。加速度變化量的計(jì)算為Δa=0.08-0.03=0.05 m/s2，這一變化說(shuō)明橋梁在承受動(dòng)態(tài)荷載時(shí)的行為模式正在發(fā)生變化。綜合以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在2023年6月1日觸發(fā)了預(yù)警，建議對(duì)橋梁進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)檢查和評(píng)估。這一預(yù)警措施是為了確保橋梁的安全性，以防止?jié)撛诘慕Y(jié)構(gòu)故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，及時(shí)的檢查和維護(hù)將是保障橋梁長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)。

2.2.2 案例二：某大跨度拱橋監(jiān)測(cè)

YY拱橋是一座建于2018年的拱橋，跨徑為800 m。為確保橋梁的安全性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括設(shè)置在橋梁西側(cè)的基準(zhǔn)站，配備了GNSS接收設(shè)備。此外，監(jiān)測(cè)站分布在橋梁的拱頂、支座及關(guān)鍵連接點(diǎn)，共設(shè)立了3個(gè)，以全面監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)采用光纖傳輸技術(shù)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2023年1月至2023年6月期間收集到的一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表2所示：

在對(duì)橋梁進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注了多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的變化情況，以評(píng)估其結(jié)構(gòu)安全性。首先，拱頂位移在6個(gè)月內(nèi)由最初的1.0 mm增加至2.5 mm，顯示出明顯的變形趨勢(shì)。同時(shí)，支座位移也呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，這表明橋梁在受到外部荷載或環(huán)境因素影響下，整體結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷一定程度的變形。通過(guò)計(jì)算，得出位移的變化量為ΔD=2.5-1.0=1.5 mm，這一結(jié)果為后續(xù)的安全評(píng)估提供了重要依據(jù)。在應(yīng)變方面，雖然應(yīng)變值也呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，但仍然處于安全閾值范圍內(nèi)，未對(duì)結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅；具體的應(yīng)變變化率計(jì)算為Δε=（40-30）/30×100%=33.33%，這表明橋梁的應(yīng)變變化在監(jiān)測(cè)期間相對(duì)可控，未超過(guò)安全界限。此外，加速度值的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示其保持在較低水平，未超過(guò)設(shè)定的安全閾值，這一現(xiàn)象表明橋梁在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面表現(xiàn)正常，能夠有效抵御外部沖擊。加速度變化量的計(jì)算為Δa=0.05-0.02=0.03 m/s2，進(jìn)一步印證了橋梁在動(dòng)態(tài)荷載下的穩(wěn)定性。綜合以上監(jiān)測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間未觸發(fā)預(yù)警，這一結(jié)果表明橋梁的整體結(jié)構(gòu)安全，未出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患。因此，當(dāng)前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供了有力支持，后續(xù)仍需繼續(xù)保持監(jiān)測(cè)，以確保其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大跨度橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為橋梁安全管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，確保橋梁的穩(wěn)定性與安全性。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和數(shù)據(jù)處理能力的提升，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將進(jìn)一步優(yōu)化，應(yīng)用范圍也將不斷擴(kuò)大，為更多橋梁的健康評(píng)估和維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。期待在大跨度橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，能夠出現(xiàn)更高效、更智能的監(jiān)測(cè)方案，為公共安全和基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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收稿日期：2024-12-16

作者簡(jiǎn)介：邵振勛（1989—），男，本科，工程師，研究方向：道路與橋梁檢測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù)。