靳明 曹明月 王正偉

摘要：本項目以鄭州黃河大橋為工程背景，綜合目前橋梁健康監(jiān)測的最新研究成果，建立一套具有國內(nèi)先進水平的“橋梁健康監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)”。系統(tǒng)將通過對橋梁進行大量的數(shù)據(jù)采集，通過軟件進行分析，掌握橋梁的實時運行狀況，對超出閥值的指標進行預(yù)警。

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

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.23.083

1引言

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通過整合GNSS接收機、各類傳感器、計算機網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對橋梁的位移形變進行實時監(jiān)測，并進行形變的預(yù)警，為橋梁管理者提供橋梁的健康狀態(tài)，避免大橋災(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景名勝區(qū)，北抵新鄉(xiāng)市原陽縣橋北劉奄村，全長5549.86米，是國道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)測系統(tǒng)具有重要的經(jīng)濟和社會意義。

2系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1系統(tǒng)工作原理

橋梁位移監(jiān)測中采用GNSS靜態(tài)相對定位原理，利用北斗地基增強系統(tǒng)，通過對觀測點的長時間的連續(xù)接收衛(wèi)星發(fā)播的定位信號，取得大量的冗余數(shù)據(jù)，再利用平差計算方法，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)計原則

GNSS橋梁實時變形監(jiān)測系統(tǒng)是一個集北斗高精度定位、計算機技術(shù)、通信技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程。本系統(tǒng)在設(shè)計師遵循如下設(shè)計原則：

（1）實用性：依據(jù)功能實用、性能可靠、經(jīng)濟合理的指導思想。

（2）可靠性：為確保橋梁安全監(jiān)測系統(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)故障后能夠快速進行修復。

（3）先進性：數(shù)據(jù)采集頻率高，同時系統(tǒng)支持對數(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)定可靠且先進的GNSS接收機，實現(xiàn)自動化觀測與數(shù)據(jù)處理。

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

2.3系統(tǒng)設(shè)計思路

（1）采用GNSS定位技術(shù)，對監(jiān)測點進行連續(xù)不間斷的定位觀測。GNSS接收機接收數(shù)據(jù)后，采用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，解決現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的傳輸問題。

（2）在監(jiān)控中心實時接收監(jiān)測點的位置數(shù)據(jù)，利用軟件差分解算后保存到本地數(shù)據(jù)庫，通過圖表展示橋梁的位移和形變趨勢等。

2.4系統(tǒng)整體架構(gòu)

大橋GNSS實時變形監(jiān)測系統(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)測點的GNSS接收機和天線。

（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原始觀測數(shù)據(jù)到橋上交換機等相關(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)：該部分由大橋外場及監(jiān)控中心輔助系統(tǒng)正常運行的其他設(shè)備組成，包括外場機柜、防雷設(shè)備、UPS電源等。

3位移變形監(jiān)測建設(shè)

3.1GNSS監(jiān)測點

GNSS監(jiān)測點選取1個監(jiān)測點，布置于T梁與蓋梁接合端T梁上端。在監(jiān)測點安裝GNSS接收機，GNSS接收機觀測的數(shù)據(jù)通過光纖的方式實時傳輸?shù)娇刂浦行?，控制中心進行光電轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)傳輸至交換機，再利用軟件準實時解算出各監(jiān)測點的三維坐標并保存到數(shù)據(jù)庫，最終通過數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)各監(jiān)測點的變化量、變化趨勢，對形變區(qū)域整體的穩(wěn)定性進行分析。GNSS接收機如圖1所示。

圖1GNSS接收機設(shè)備

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

（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)同時備份循環(huán)存儲，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）遠程訪問：系統(tǒng)自動化程度高，支持遠程訪問、在線升級。

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接收機到所監(jiān)測橋梁機柜交換機，機柜交換機再到控制中心，采取有線的方式。

（1）GNSS接收機到所在橋梁機柜交換機。

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

（2）橋梁到控制中心已經(jīng)有光纖網(wǎng)絡(luò)，橋梁交換機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)定的閥值進行預(yù)警等工作。endprint

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

4監(jiān)測軟件介紹

該監(jiān)測軟件主要由五個模塊組成，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)測預(yù)警系統(tǒng)具備如下特點：

（1）可實時監(jiān)測各監(jiān)測點的位置，支持對原始數(shù)據(jù)進行分析處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)以過程線等圖表形式實時展示和打印。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠可以保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并可進行歷史數(shù)據(jù)查詢，并統(tǒng)計時間段內(nèi)的GNSS接收機的最大最小值，還可以直接導出excel表格或報表。

（3）對水平和高程的形變位移以時間曲線圖以及其他多種圖形的方式展示。

（4）具有多種方式的報警提醒功能，系統(tǒng)平臺會有報警提醒，同時還可提供多種聲光報警或手機短信報警通知相關(guān)負責人。

（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)滿足開放性標準的要求，滿足數(shù)據(jù)的擴展、系統(tǒng)軟件功能的升級等方面的要求。

（7）系統(tǒng)采用高級語言開發(fā)，功能強大、靈活方便、界面美觀，已經(jīng)實現(xiàn)大橋安全監(jiān)測的功能要求。

4.1數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)模塊負責采集各種類型傳感器（GNSS接收機或其他傳感器）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，位移監(jiān)測主要利用GNSS定位測量方法獲取監(jiān)測點的坐標數(shù)據(jù)，并對得到的數(shù)據(jù)進行差分解算，將精確坐標寫入數(shù)據(jù)庫中，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)測點的隨著時間的延續(xù)，各個方向向量值可以生成曲線?？v軸表示監(jiān)測值，橫軸表示時間，可以給監(jiān)測值設(shè)置預(yù)警限值，并且按照報警級別可以設(shè)置不同的限值。

（2）滯后時間分析：本系統(tǒng)采用自動化智能分析推求滯后時間。

（3）沉降分析：通過繪制垂直位移與時間的關(guān)系曲線對大橋的垂直位移的變化進行分析，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：對以往的歷史數(shù)據(jù)進行分類、分時間段查詢。

（2）圖表展示：可以將數(shù)據(jù)信息按照圖表的格式進行展示。

（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)也可以對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后，按照所需的報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)警閥值進行預(yù)警的功能。系統(tǒng)支持多種報警提醒方式，短信通知和聲光報警器的提醒方式，從而確保用戶能夠及時收到預(yù)警。報警劃分為三個級別：

（1）一級報警：設(shè)備故障或是出現(xiàn)跳變，可以上報給值班人員。方便值班人員及時查明原因。

（2）二級報警：變形趨勢相對明顯，并超過了設(shè)定閥值，報警給管理部門領(lǐng)導，以及時做出分析和應(yīng)對措施。

（3）三級報警：當嚴重變形超限，并且長時間變形峰值出現(xiàn)，表明問題已經(jīng)很嚴重，必須迅速上報給高層領(lǐng)導和相關(guān)專家，并及時做出反應(yīng)。

安全預(yù)警模塊包括如下功能：

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

（2）報警升級：當報警產(chǎn)生一段時間或次數(shù)后，如未處理報警，自動提升報警級別。

（3）報警解除：當報警處理完后自動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，進行查詢和下載數(shù)據(jù)。軟件對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：對服務(wù)器信息、限差信息、各類傳感器參數(shù)等信息進行設(shè)置，方便用戶進行管理。

（3）報警設(shè)置：對報警方式、報警內(nèi)容、報警相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。

（4）日志管理：對系統(tǒng)日志、用戶登錄日志、操作日志進行管理。

（5）設(shè)備管理：對傳感器和GNSS接收機等涉及的設(shè)備信息進行維護。

5系統(tǒng)優(yōu)點

該監(jiān)測系統(tǒng)不用操作人員費時進行數(shù)據(jù)后處理、分析結(jié)果等工作，實時顯示變形量，采用無人值守的方法遠程管理多個監(jiān)測點。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時的報警，避免重大生命、財產(chǎn)損失。主要優(yōu)勢如下：

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

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

（3）系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守，完全自動化監(jiān)測和預(yù)警，并且預(yù)警后系統(tǒng)自動短信通知橋梁的安全負責人，做到及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警。

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

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)測軟件實時反映監(jiān)測點的形變情況，為橋梁管理者實時監(jiān)測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自動化監(jiān)測系統(tǒng)將會在安全監(jiān)測行業(yè)中應(yīng)用并取得顯著效果。

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