基于高精度北斗定位的桥梁形变监测系统

靳明 曹明月 王正伟

摘要：本项目以郑州黄河大桥为工程背景，综合目前桥梁健康监测的最新研究成果，建立一套具有国内先进水平的“桥梁健康监测与预警系统”。系统将通过对桥梁进行大量的数据采集，通过软件进行分析，掌握桥梁的实时运行状况，对超出阀值的指标进行预警。

关键词：北斗卫星导航系统；北斗卫星接收机；桥梁形变监测

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.23.083

1引言

桥梁健康监测系统通过整合GNSS接收机、各类传感器、计算机网络、网络等技术对桥梁的位移形变进行实时监测，并进行形变的预警，为桥梁管理者提供桥梁的健康状态，避免大桥灾难性事故的发生。

郑州黄河公路大桥距离郑州市区15公里左右，1984年7月正式开工，于1986年9月竣工，南起郑州市花园口风景名胜区，北抵新乡市原阳县桥北刘奄村，全长5549.86米，是国道G107线，省道郑州至滑县、郑州至常平路线的枢纽。郑州黄河公路大桥是南北交通大通道跨越母亲河的特大桥面，曾经是世界上最长的公路桥梁之一。郑州黄河公路大桥已经通行近30年，经过了几次加固修复工作，目前仍是河南省跨越黄河的重要捷径快速通道，因此开展郑州黄河公路大桥的健康监测系统具有重要的经济和社会意义。

2系统整体设计

2.1系统工作原理

桥梁位移监测中采用GNSS静态相对定位原理，利用北斗地基增强系统，通过对观测点的长时间的连续接收卫星发播的定位信号，取得大量的冗余数据，再利用平差计算方法，修正定位的精度，从而获取到高精度的定位信息。

2.2系统设计原则

GNSS桥梁实时变形监测系统是一个集北斗高精度定位、计算机技术、通信技术于一体的综合系统工程。本系统在设计师遵循如下设计原则：

（1）实用性：依据功能实用、性能可靠、经济合理的指导思想。

（2）可靠性：为确保桥梁安全监测系统能真正发挥应有的作用，系统必须稳定可靠，并且出现故障后能够快速进行修复。

（3）先进性：数据采集频率高，同时系统支持对数据的快速采集处理、管理和预警等功能。通过选用稳定可靠且先进的GNSS接收机，实现自动化观测与数据处理。

（4）经济性：在满足功能要求前提下尽量考虑经济性，节省项目成本。

2.3系统设计思路

（1）采用GNSS定位技术，对监测点进行连续不间断的定位观测。GNSS接收机接收数据后，采用现有的光纤网络进行数据传输，解决现场采集数据的传输问题。

（2）在监控中心实时接收监测点的位置数据，利用软件差分解算后保存到本地數据库，通过图表展示桥梁的位移和形变趋势等。

2.4系统整体架构

大桥GNSS实时变形监测系统主要由以下部分组成：

（1）数据采集子系统：该部分包括桥梁监测点的GNSS接收机和天线。

（2）数据传输子系统：该部分包括桥梁到控制中心的数据通信线缆、传输GNSS原始观测数据到桥上交换机等相关设备。

（3）数据处理控制子系统：该部分包括在监控中心的服务器及软件系统组成。

（4）辅助支持系统：该部分由大桥外场及监控中心辅助系统正常运行的其他设备组成，包括外场机柜、防雷设备、UPS电源等。

3位移变形监测建设

3.1GNSS监测点

GNSS监测点选取1个监测点，布置于T梁与盖梁接合端T梁上端。在监测点安装GNSS接收机，GNSS接收机观测的数据通过光纤的方式实时传输到控制中心，控制中心进行光电转化，数据传输至交换机，再利用软件准实时解算出各监测点的三维坐标并保存到数据库，最终通过数据分析软件根据各监测点的变化量、变化趋势，对形变区域整体的稳定性进行分析。GNSS接收机如图1所示。

图1GNSS接收机设备

（1）系统稳定：采用进口主板，数据真实可靠，平均无故障时间大于1万小时。

（2）频率可配置：采集的输出频率可调，最高20HZ采集频率，单历元高精度算法，解算过程中无需人工干预。

（3）系统安全：Linux操作系统，支持多用户访问，设备在输出原始数据同时备份循环存储，保证数据安全。

（4）高精度解算：1秒单历元解算，平面：（2.5mm+1x10-6D），高程：±（5.0mm+1x10-6D），支持瞬变和徐变两种模式。

（5）接口丰富：预留多种数据接口，支持光纤、接口RS232，RJ45、GPRS、zigbee多种传输模式。

（6）远程访问：系统自动化程度高，支持远程访问、在线升级。

3.2数据传输子系统

系统数据传输包括两部分，GNSS接收机到所监测桥梁机柜交换机，机柜交换机再到控制中心，采取有线的方式。

（1）GNSS接收机到所在桥梁机柜交换机。

GNSS接收机经RS232串口输出GNSS原始数据，通过光纤转换器设备将串口信号转化为RJ45，再进行光电转化后将数据传至交换机。

（2）桥梁到控制中心已经有光纤网络，桥梁交换机到控制中心利用该光纤线路。

3.3数据处理与预警子系统

系统数据的处理预警是系统的重中之重。该子系统主要由服务器、中心网络和软件系统组成，具有数据处理、差分解算、数据图表展示、异常预警和数据存储等功能。

软件系统共分三部分：

（1）数据采集软件：完成数据采集、传输的工作。

（2）数据处理服务器软件：完成数据接收、控制、差分解算，数据处理、数据图表展示和根据设定的阀值进行预警等工作。endprint

（3）数据存储软件：完成数据入库存储和其他管理工作。

4监测软件介绍

该监测软件主要由五个模块组成，分别是数据采集模块、数据处理分析模块、数据查询输出模块、安全预警模块和系统管理模块组成。软件功能结构图如图2所示。

黄河桥健康监测预警系统具备如下特点：

（1）可实时监测各监测点的位置，支持对原始数据进行分析处理，监测数据以过程线等图表形式实时展示和打印。

（2）监测数据能够可以保存在数据库内，并可进行历史数据查询，并统计时间段内的GNSS接收机的最大最小值，还可以直接导出excel表格或报表。

（3）对水平和高程的形变位移以时间曲线图以及其他多种图形的方式展示。

（4）具有多种方式的报警提醒功能，系统平台会有报警提醒，同时还可提供多种声光报警或手机短信报警通知相关负责人。

（5）系统可按照用户分配不同的系统访问、操作权限，并且用户登录和相关的操作写日志，方便备查。

（6）系统满足开放性标准的要求，满足数据的扩展、系统软件功能的升级等方面的要求。

（7）系统采用高级语言开发，功能强大、灵活方便、界面美观，已经实现大桥安全监测的功能要求。

4.1数据采集模块

本系统模块负责采集各种类型传感器（GNSS接收机或其他传感器）的监测数据，位移监测主要利用GNSS定位测量方法获取监测点的坐标数据，并对得到的数据进行差分解算，将精确坐标写入数据库中，并在软件系统的图表中展示。

4.2数据处理分析模块

（1）过程线分析：位移分析可以按照监测点的随着时间的延续，各个方向向量值可以生成曲线。纵轴表示监测值，横轴表示时间，可以给监测值设置预警限值，并且按照报警级别可以设置不同的限值。

（2）滞后时间分析：本系统采用自动化智能分析推求滞后时间。

（3）沉降分析：通过绘制垂直位移与时间的关系曲线对大桥的垂直位移的变化进行分析，了解垂直位移的变化情况。

4.3数据查询输出模块

（1）历史数据查询：对以往的历史数据进行分类、分时间段查询。

（2）图表展示：可以将数据信息按照图表的格式进行展示。

（3）查询结果输出：根据用户查询结果，提供多种文件格式输出，系统也可以对历史数据进行统计分析后，按照所需的报表格式输出并绘制各种图形。

4.4安全预警模块

安全预警模块是根据用户设置的预警阀值进行预警的功能。系统支持多种报警提醒方式，短信通知和声光报警器的提醒方式，从而确保用户能够及时收到预警。报警划分为三个级别：

（1）一级报警：设备故障或是出现跳变，可以上报给值班人员。方便值班人员及时查明原因。

（2）二级报警：变形趋势相对明显，并超过了设定阀值，报警给管理部门领导，以及时做出分析和应对措施。

（3）三级报警：当严重变形超限，并且长时间变形峰值出现，表明问题已经很严重，必须迅速上报给高层领导和相关专家，并及时做出反应。

安全预警模块包括如下功能：

（1）报警过滤：可能一种异常产生多种报警，设置只显示主要原因，如停电会产生通信中断报警。

（2）报警升级：当报警产生一段时间或次数后，如未处理报警，自动提升报警级别。

（3）报警解除：当报警处理完后自动解除或人为手工解除。

4.5系统管理模块

（1）权限管理：用户可登录，进行查询和下载数据。软件对不同的用户分配不同的权限，不同权限的用户可执行的操作不同。

（2）系统设置：对服务器信息、限差信息、各类传感器参数等信息进行设置，方便用户进行管理。

（3）报警设置：对报警方式、报警内容、报警相关参数进行设置。

（4）日志管理：对系统日志、用户登录日志、操作日志进行管理。

（5）设备管理：对传感器和GNSS接收机等涉及的设备信息进行维护。

5系统优点

该监测系统不用操作人员费时进行数据后处理、分析结果等工作，实时显示变形量，采用无人值守的方法远程管理多个监测点。通过设定的预警值，桥梁管理者可以通过图形显示得到实时的报警，避免重大生命、财产损失。主要优势如下：

（1）系统的定位精度为事后毫米级，水平精度2毫米，高程精度5毫米。

（2）系统可实现7*24小时连续不间断位置观测。

（3）系统实现无人值守，完全自动化监测和预警，并且预警后系统自动短信通知桥梁的安全负责人，做到及时发现并预警。

（4）系统可直接提供垂直和平面的坐标及其绝对或相对变化量，这是相比其他监测手段的优势。

系统界面如图3所示。

6结论

本系统利用GNSS技术的优良性能，通过监测软件實时反映监测点的形变情况，为桥梁管理者实时监测并掌控大桥的安全状态，避免桥梁灾难性事故的发生。随着GNSS技术的不断成熟，GNSS自动化监测系统将会在安全监测行业中应用并取得显著效果。

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