吳建良， 劉 媛， 鄧洪飛， 金 鑫， 謝 鴻

(1.重慶茂和基礎設施建設有限公司， 重慶 401320；2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司，湖南 長沙 410203)

1 項目概況

龍洲灣隧道工程起于重慶市巴南區(qū)職教城教育大道，自西向東，穿城投公租房、渝南大道，穿越銅鑼山在紅爐片區(qū)露頭，上跨渝黔高速，止于南彭物流基地東城大道，全長 8 067.581 m。按城市主干路設計，設計車速為60 km/h，雙向六車道，西側職教城段標準路幅44 m，東側南彭物流基地標準路幅40 m。

“基于北斗高精度定位技術的龍洲灣隧道PPP項目運營安全監(jiān)測預警系統(tǒng)”作為“PPP項目全生命周期管理系統(tǒng)”的專業(yè)子模塊系統(tǒng)，包括監(jiān)測軟件平臺和現場監(jiān)測硬件設施建設，主要對以下結構物進行長期自動化在線監(jiān)測：

1) 隧道3座：龍洲灣隧道999 m(左洞)、967 m(右洞)；新玉隧道1 751 m(左洞)、1 700 m(右洞)；南彭隧道1 158 m(左洞)、1 185 m(右洞)。

2) 橋梁5座：大橋1座，龍洲灣大橋402 m；立交4座，分別為渝南立交、紅爐立交、趙家壩立交、公平立交。

3) 高邊坡3處：主線K13+209.901～K13+292.5左側邊坡、G匝道K0+086.690～E匝道K0+147.500右側邊坡、主線K11+187.740～K11+377.158右側邊坡。

2 監(jiān)測預警系統(tǒng)設計

2.1 總體設計框架

龍洲灣隧道PPP項目運營安全監(jiān)測預警系統(tǒng)包含硬件與軟件兩部分。硬件系統(tǒng)主要承擔現場各結構物原始結構信息的采集、傳輸及系統(tǒng)供電；軟件系統(tǒng)主要對傳輸到服務器端的各種監(jiān)測原始數據進行解析、解譯、解算，并將數據結果展示在客戶端，同時具備數據分析及數據預警功能，系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

2.2 數據采集系統(tǒng)

數據采集系統(tǒng)主要采集結構物正常運營情況下的位移、受力等信息，并對數據信息進行處理，評價結構物的安全狀態(tài)。

數據采集系統(tǒng)的重點是選擇合適的監(jiān)測傳感器，本項目結合結構物的具體特點、傳感器的使用壽命及性能等選擇合適的傳感器系統(tǒng)，并根據不同傳感器的特點，以不同的方式安裝在結構物上。具體結構物監(jiān)測設備分類見表1～3。

圖1 系統(tǒng)總體架構

表1 邊坡監(jiān)測設備序號邊坡參數設備1地表位移監(jiān)測北斗監(jiān)測站2降雨量監(jiān)測雨量監(jiān)測站

表2 隧道監(jiān)測設備序號隧道參數設備1拱頂沉降監(jiān)測激光測距儀2周邊收斂監(jiān)測激光測距儀

表3 橋梁監(jiān)測設備序號橋梁參數設備1主梁位移監(jiān)測北斗監(jiān)測站2主梁側傾監(jiān)測盒式傾角儀3高墩傾斜監(jiān)測盒式傾角儀4支座滑移監(jiān)測拉線式位移計

2.3 數據傳輸系統(tǒng)

通過前期調研，數據傳輸系統(tǒng)選定無線數據傳輸方案。無線數據傳輸方案主要包含了以下幾種：4G無線傳輸、藍牙傳輸、Zigbee傳輸、LoRa+網關無線傳輸。本項目屬于市政工程項目，全線均覆蓋了移動、聯(lián)通、電信3大運營商網絡，故選定4G無線傳輸，效果最佳。

2.4 數據處理與評價系統(tǒng)

數據處理與評估系統(tǒng)是針對傳輸來的大量原始數據資料，通過數據處理與控制系統(tǒng)，進行深一步的處理和分析。數據處理和控制系統(tǒng)可實現數據查詢、存儲、可視化等結構化處理，控制著結構上安裝的數據采集設備，通過數據庫操作實現數據的提取和處理，是對原始數據進行處理和分析的關鍵系統(tǒng)部分。

安全評價與預警系統(tǒng)的主要功能就是對采集數據進行統(tǒng)計分析。在各種情況下，監(jiān)測關鍵參數的變化，通過數據判斷出變化趨勢，在遇到突發(fā)狀況的時候，提前判斷結構各種狀況，在位移等達到限值時發(fā)出預警信息。

2.5 供電系統(tǒng)

供電方案主要有兩種：一種為光伏+蓄電池供電，另一種為市電供電。光伏+蓄電池供電受天氣影響較大，一旦出現長期陰雨天，則極易出現監(jiān)測系統(tǒng)供電不足的情況，且光伏+蓄電池供電安裝難度大，尤其在立交橋上。故本項目采用現場市電供電，所有設備供電均從隧道中引出，并配備開關電源，將交流電轉換成可用的直流電為設備供電。

2.6 客戶端系統(tǒng)

北斗智能監(jiān)測云平臺具備橋、隧、坡綜合管理能力，具有數據展示、查詢、導出、分析、預警等功能。

本項目監(jiān)測預警系統(tǒng)數據兼容接入龍洲灣隧道工程PPP項目全生命周期管理系統(tǒng)中。將預警信息作為PPP項目績效考核的指標，根據項目考核期間產生的預警信息，對本項目進行績效考核。具體監(jiān)測數據鏈路如圖2所示。

圖2 監(jiān)測數據鏈路

2.7 系統(tǒng)功能

監(jiān)測系統(tǒng)技術先進、穩(wěn)定可靠、操作方便、經濟實用、便于維護及擴展升級，系統(tǒng)各項監(jiān)測參數數據的管理、分析，具有以下功能：

1) 各種不同類型設備接入及綜合管理。監(jiān)測系統(tǒng)基于硬件構成、終端分布、網絡傳輸協(xié)議、數據采集格式等標準接入多種北斗監(jiān)測終端和其他類型傳感器終端，可通過向BDS接收機及其他類型傳感器終端發(fā)送用戶更改參數命令，調整各個監(jiān)測點的位置更新率。實現對監(jiān)測站接收設備遠程設置功能。

2) 完整的控制、數據采集和記錄功能。將多種監(jiān)測終端的數據按照其各自的協(xié)議實時接入，以支持解算、解析、存儲、分析、報警等應用功能。

3) 斷電保護、遠程控制功能。監(jiān)測系統(tǒng)具備斷電保護功能，在外部電源突然中斷時，可保證數據和參數不丟失。遠程重啟功能，可保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

4) 數據解析和存儲。系統(tǒng)可將多種監(jiān)測數據進行預處理、解算、解析、格式變換、標準化等處理，并支持原始數據、處理過程和處理結果數據的海量存儲。

5) 變形監(jiān)測分析。通過分析歸納結構物的變形值、變形速率、變形過程、變形規(guī)律等，確定發(fā)生變形的原因及其規(guī)律性，進而對結構物的安全性能做出判斷，并對其未來變形值做出預報。

6) 數據可視化功能。以北斗+安全智能監(jiān)測預警云平臺為載體，用圖、表的方式對監(jiān)測數據進行展示，監(jiān)測云平臺兼容國內各主流傳感器，可將實時采集的監(jiān)測數據通過有線/無線數據傳輸至平臺進行存儲、分析，并將分析結果和預警信息反饋客戶，同時配套提供分析報告，以滿足用戶對結構管養(yǎng)運維需求。

7) 數據預警、報警及決策功能。監(jiān)測系統(tǒng)可通過計算分析，得到可能危害結構物安全的變形信息，發(fā)出多種形式的預警和報警，為管理決策和應急管理提供支持。預警和報警可通過短信、郵件、電話等多種形式發(fā)出，同時生成用于決策的預案和響應流程。

8) 歷史數據查詢。系統(tǒng)提供多種歷史數據查詢方式，并可基于歷史數據進行數據的分析和挖掘。歷史數據可按照時間、變形參數等進行查詢后以圖表等多種方式輸出。

9) 數據上傳功能。包括對數據庫數據的備份、導入、導出等多種操作。

10) 日常管理功能。具備數據后臺處理、數據庫管理、數據備份、系統(tǒng)管理、數據存取、操作日志、故障日志預警記錄等功能。

3 核心技術

3.1 北斗高精度解算技術

衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送載波和偽距信號供接收機接收。受傳輸距離影響，接收機接收到信號的時刻要比衛(wèi)星發(fā)送信號的時刻延遲，因此，可以通過信號傳播時間來確定衛(wèi)星到接收機的距離。衛(wèi)星與接收機間的距離是北斗定位的基礎，根據定位數據解算方法的不同，北斗定位又分為單點定位和相對定位兩種；單點定位精度為米級，相對定位精度能達到毫米級。本項目北斗高精度解算軟件解算模式為相對定位，解算算法為載波相位差分算法，水平方向精度能夠達到±2 mm，高程方向精度能夠達到±4 mm。

雙頻北斗接收機的觀測量通常有4類：L1 載波、L2 載波、P1 偽距、P2 偽距。相對定位[3]是根據監(jiān)測站和基準站接收機的4類觀測量來確定監(jiān)測站與基準站之間相對位置的方法。主要步驟是：基準站和監(jiān)測站接收機同步觀測一組相同的衛(wèi)星，然后將數據實時發(fā)送到數據中心服務器，服務器對數據進行解碼和解算， 從而計算出2個測站點在空間坐標系中的相對位置；最后形成基線向量，并通過平差方法求得監(jiān)測站高精度坐標。相對定位采用的載波相位差分技術能夠利用基準站和監(jiān)測站的差分消除大部分誤差，并通過整周模糊度固定得到毫米級高精度監(jiān)測結果。定位原理如圖3所示，不同衛(wèi)星之間、不同接收機之間和不同觀測歷元之間的觀測量之差。計算如式(1)所示。

圖3 相對定位基本原理

(1)

式中：j、k為兩個不同的衛(wèi)星；A、B為2個不同的地面接收機；t為不同的觀測歷元；φ為載波相位觀測量。

3.2 北斗解算流程及原理

1) 數據接收。項目現場接收機將采集到的原始數據發(fā)送到數據中心服務器。

2) 數據解碼。接收機采集到的數據格式為壓縮過的16進制原始數據，因此數據中心要按照數據協(xié)議對原始數據進行解碼，得到監(jiān)測站和基準站的4類觀測數據以及衛(wèi)星的廣播星歷數據。

3) 模型構建。根據載波相位差分原理利用觀測數據構建雙差方程。

4) 模糊度固定。模糊度固定[4]為載波相位差分算法的核心內容，其基本原理為：接收機的L1載波、L2載波測量實際上就是以載波波長λ1、λ2為“尺子”來測量衛(wèi)星至接收機間的距離，而接收機僅能記錄鎖定衛(wèi)星后的整周計數(n)以及不足一周的小數(f)部分，假設衛(wèi)星與接收機間的距離為S，則：

S=λN+λ(n+f)+ξ

(2)

式中：λ為載波波長；N為未知的整周模糊度；n+f為接收機載波觀測量；ξ為模型誤差。整周模糊度固定實際是根據P1、P2觀測量、雙差模型、各類誤差的方差模型，估算出整周模糊度N的值，將模糊度固定為整數。

5) 基線長度計算。根據固定后的整周模糊度計算基準站和監(jiān)測站之間的距離。

6) 基線平差。步驟5得到的基線長度中包含了隨機誤差和粗差數據，需要通過基線平差得到監(jiān)測點的精確位置和形變信息。

經過以上解算步驟，就可以得到監(jiān)測點的高精度位置數據。

3.3 多系統(tǒng)集成的云物聯(lián)平臺構建技術

基于一個平臺+N個應用、模塊化構建及多子系統(tǒng)集成的思路，重點研究了可在多領域綜合應用、各模塊和子系統(tǒng)互不干擾且兼容互聯(lián)的平臺系統(tǒng)。

該平臺還是一個采用最新微服務架構的分布式微服務IOT平臺，整體平臺遵循子系統(tǒng)獨立、系統(tǒng)模塊化、功能高度封裝等原則，具有低耦合、高擴展性等特性。通過多種系統(tǒng)監(jiān)控、日志分析、健康管理、自動化運維工具等功能，實現平臺自動化運維、集群統(tǒng)一化管理。外部數據通過標準API接口輸入輸出，且支持定制化數據接入；數據輸入輸出與主系統(tǒng)隔離，外部數據接入使用4A級權限認證體系進行數據通訊；內部與主系統(tǒng)使用內網鑒權進行安全數據傳輸。所有接口建立統(tǒng)一授權、鑒權機制，做到數據準確、安全高效[5]。

4 結語

以龍洲灣隧道PPP項目運營安全監(jiān)測項目為背景，重點介紹了一個基于北斗高精度定位技術的多系統(tǒng)集成的結構物安全監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅與PPP全生命周期動態(tài)管理系統(tǒng)全面兼容，且與邊坡、橋梁、隧道等各類復雜結構物監(jiān)測并存于系統(tǒng)時能穩(wěn)定運行，是一個可在多領域綜合應用，各模塊和子系統(tǒng)互不干擾且兼容互聯(lián)的平臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立為保障該PPP項目的安全運營發(fā)揮了重要作用，為后續(xù)PPP項目建設運營安全監(jiān)測預警系統(tǒng)提供了很好的基礎。