安慶,李巖,張婷婷

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

安慶?,李巖,張婷婷

基于GNSS/GIS集成技術(shù),設(shè)計了一套橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng),以武漢江漢二橋為應(yīng)用示范,闡述了基準(zhǔn)站、監(jiān)測站、通訊網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)監(jiān)測中心設(shè)備的布設(shè)方案,研發(fā)了橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的全天候采集、自動快速傳輸、實時解算處理、監(jiān)測信息圖形顯示、閾值預(yù)警以及健康評估,為橋梁的管理者提供了決策依據(jù)。

橋梁安全監(jiān)測;GNSS/GIS集成;系統(tǒng)設(shè)計;閾值預(yù)警

1　引 言

橋梁建設(shè)是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),其在經(jīng)濟社會中的顯赫作用毋庸贅言[1],但是,由于老化、超載以及設(shè)計、施工和維護管理不足等原因,正在運營的大部分橋梁都存在或輕或重的各種“病患”,潛伏著巨大的安全隱患。如不及時消除這些安全隱患,將可能造成巨大損失,長期影響大范圍地區(qū)的交通、經(jīng)濟和社會生活[2]。

傳統(tǒng)的橋梁安全監(jiān)測方法和儀器有人工光學(xué)測量法、連通管法、引張線法、視頻測像法、加速度儀、全站儀、激光干涉儀、應(yīng)變儀等[3],這些方法和儀器都有其各自的優(yōu)缺點,主要存在自動化程度低,工作量大,觀測易受氣候和其他外界條件的影響,容易漏過重要和危險的信號,且數(shù)據(jù)采集無法在時間上同步等局限性[4,5]。因此,橋梁的安全監(jiān)測迫切需要一種自動化程度更高、能測量形變絕對值并能全天候、全天時進行自動監(jiān)測的手段和設(shè)備。隨著地球空間信息技術(shù)的發(fā)展,以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)與地理信息系統(tǒng)(GIS)為代表的集成技術(shù)[6],為橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了有力的支持,特別是當(dāng)前GIS組件式開發(fā)方式具有高效、集成、靈活的特點,可將空間分析和可視化等典型功能快速嵌入到橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)中,為系統(tǒng)的研發(fā)提供了軟件支持[7]。

2　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)是一個集衛(wèi)星導(dǎo)航、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析計算等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程[8]。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層、分析應(yīng)用層四層架構(gòu)(如圖1所示)[9]。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層主要包括北斗地基增強系統(tǒng)和北斗橋梁形變監(jiān)測站。北斗地基增強系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、系統(tǒng)控制中心、用戶數(shù)據(jù)中心等子系統(tǒng)組成。北斗橋梁形變監(jiān)測站主要包括天線、接收機、避雷設(shè)備等。北斗橋梁形變監(jiān)測點按照布置位置的不同可分為撓度監(jiān)測站、橋墩不均勻沉降監(jiān)測站、伸縮縫變位特征監(jiān)測站等。

數(shù)據(jù)采集層采集的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸層傳輸?shù)綐蛄盒巫儽O(jiān)控中心。數(shù)據(jù)傳輸層主要包括橋梁現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、電信運營商光纖寬帶、橋梁形變監(jiān)測應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)中心層主要基于云計算環(huán)境進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)實時解算和橋梁形變監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲。衛(wèi)星數(shù)據(jù)實時解算軟件獲得衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)(載波相位和偽距),對其進行差分處理和濾波、橋梁形變監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲內(nèi)容包括原始數(shù)據(jù)、解算數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、健康狀態(tài)信息。

在數(shù)據(jù)處理層基礎(chǔ)上,通過平臺搭建配置式開發(fā),構(gòu)建面向橋梁形變監(jiān)測應(yīng)用平臺。平臺應(yīng)用的具體形態(tài)是多樣的,可以是瀏覽器模式或客戶機模式,還可以是移動設(shè)備模式。

3　系統(tǒng)硬件布設(shè)和建設(shè)方案

系統(tǒng)硬件主要包括基準(zhǔn)站、監(jiān)測點、通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及數(shù)據(jù)監(jiān)測中心硬件設(shè)備。

3．1基準(zhǔn)站布點方案

基準(zhǔn)站由GNSS扼流圈天線、觀測墩、天線饋線、防雷系統(tǒng)、GNSS接收機、市電電源、有線數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)七個部分構(gòu)成[10]。其中,觀測墩和防雷系統(tǒng)兩個部分需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行建設(shè),其他部分均為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

3．1．1選址依據(jù)

進行GNSS衛(wèi)星測量時不要求測站之間保持通視,但要求與天空有良好的通視條件。為縮短基準(zhǔn)站與變形監(jiān)測點之間的距離,提高監(jiān)測精度,基準(zhǔn)站的選擇盡量選擇在地基穩(wěn)定,觀測條件良好的地方[11]。

3．1．2基準(zhǔn)站觀測墩建設(shè)

基準(zhǔn)站觀測墩可分為基巖觀測墩、土層觀測墩、樓頂觀測墩[12]。根據(jù)江漢二橋?qū)嶋H情況,基準(zhǔn)站觀測墩采用基巖觀測墩樣式規(guī)格進行建造,采用不銹鋼外殼包裹,深埋地下、高出地面3 m以上的鋼筋結(jié)構(gòu)、混凝土澆筑的圓柱體。

3．1．3基準(zhǔn)站布點方案

江漢二橋形變監(jiān)測采用短基線解算的方式進行,根據(jù)橋梁和地表沉降監(jiān)測范圍,參照國家標(biāo)準(zhǔn)進行站點選址、數(shù)據(jù)分析,最后結(jié)合監(jiān)測點與備選點基線長度來合理確定備選點的位置,如表1所示。目前,在監(jiān)測橋梁的周邊、沿河、沿江地區(qū)受房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展的影響,高層住宅小區(qū)密集,嚴(yán)重影響基準(zhǔn)站的可視空間。另外,土地的商業(yè)開發(fā),造成基準(zhǔn)站建設(shè)用地補償、拆遷補償及其他經(jīng)濟原因補償實施困難。因此,基準(zhǔn)站建設(shè)用地采用與地方院校、事業(yè)性單位合作解決。如圖2所示:

圖2　江漢二橋基準(zhǔn)站布點方案

江漢二橋基準(zhǔn)站布點選址說明　表1

3．2測點布點方案

3．2．1測點布置斷面

江漢二橋主橋為T構(gòu)+掛梁橋,跨徑布置為4×32．9+(83．95+135+83．95)+4×32．9=566．2 m,引橋為簡支T梁;全部為外部靜定體系。

圖3中,數(shù)字為每斷面布置的北斗測點數(shù)量,全橋共31個測點,其中主橋共20個,引橋共11個。

(1)引橋

引橋監(jiān)測范圍為P0-P4號墩臺、P7-P11號墩臺。

引橋監(jiān)測斷面為11個,其中墩頂10個,監(jiān)測橋墩的地基沉降,為靜態(tài)測點;在P2-P3跨中布置1個測點,監(jiān)測主梁變形,為動態(tài)測點,如圖3所示。

圖3　江漢二橋北斗測點布置斷面

(2)主橋

主橋監(jiān)測范圍P4-P7墩。

主墩P5、P6墩頂各布置2個測點,監(jiān)測橋墩的沉降,共4個測點,為靜態(tài)測點;

在T構(gòu)懸臂端各布置1個斷面,每斷面2個測點,全橋共8個測點,為動態(tài)測點;

在T構(gòu)中點各布置1個斷面,每斷面布置2個測點,全橋共8個測點,為動態(tài)測點。

3．2．2測點橫斷面布置

主橋每斷面布置2個測點,上、下右幅外側(cè)欄桿附近各布置1個,如圖4所示。根據(jù)橋梁實際情況,北斗測點應(yīng)安裝與專用支架上,支架距離人行道板高度為3 m,支架應(yīng)具有足夠的剛度,確保汽車震動不造成測點的非結(jié)構(gòu)變形振動。

圖4　主橋監(jiān)測斷面測點布置

引橋每斷面布置1個測點,均在上游幅外側(cè)欄桿附近布置,除P2-P3跨在跨中布置1個測點外,其余測點均在墩頂布置,如圖5所示。

圖5　引橋監(jiān)測斷面測點布置

3．2．3測點匯總

江漢二橋測點匯總表　表2

3．3通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布設(shè)方案

由于本項目監(jiān)測點數(shù)據(jù)最大監(jiān)測頻率為20 Hz,單點數(shù)據(jù)速率達(dá)到22 kB/s,數(shù)據(jù)要求傳輸質(zhì)量高、時延小、環(huán)境適應(yīng)性強、穩(wěn)定性好,故選用光纖作為主要傳輸媒介。所有橋上的傳輸連接線加光纖收發(fā)器,光纖全部采用1 310 nm單模光纖。

圖6　數(shù)據(jù)通訊示意圖

如圖6所示,北斗監(jiān)測站通過光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit,ONU)把監(jiān)測數(shù)據(jù)由電信號轉(zhuǎn)化為光信號。由于監(jiān)測點數(shù)量較多,設(shè)計使用分光器把監(jiān)測點光信號數(shù)據(jù)匯聚后在進行信號傳送。每座橋設(shè)計使用若干個分光器,由分光器把匯聚數(shù)據(jù)通過光纖傳送到光線路終端(Optical Line Terminal,OLT)。OLT連接路由器運營商VPN把監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦緮?shù)據(jù)機房。

考慮工程走線的實施難度,需要先把監(jiān)測點數(shù)據(jù)匯聚到分光器,分光器放置在其管理監(jiān)測點的中心位置,和接收機共機柜。設(shè)計每20個監(jiān)測點匯入一個1分24的分光器。

考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)安全和后期職守難度,需在橋梁現(xiàn)場把監(jiān)測數(shù)據(jù)接入通信運營商VPN網(wǎng)絡(luò)。OLT配置的接口板可以根據(jù)需要進行增配。OLT連接路由器,再由路由器通過運營商VPN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)所有監(jiān)測點的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)到公司中心機房,進行數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理。

3．4數(shù)據(jù)監(jiān)測中心設(shè)備和架構(gòu)

以云計算技術(shù)為基礎(chǔ),滿足江漢二橋北斗形變監(jiān)測大數(shù)據(jù)存儲、管理、服務(wù)等需求,未來可面向武漢市大中小型各類橋梁安全系統(tǒng)構(gòu)建的規(guī)劃要求,構(gòu)建橋梁安全監(jiān)測云數(shù)據(jù)中心。

3．4．1服務(wù)器

根據(jù)服務(wù)器的類型和特點,為了達(dá)到最優(yōu)的性能,服務(wù)器包括解算服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、虛擬化服務(wù)器、管理服務(wù)器及衛(wèi)星時鐘同步服務(wù)器。

3．4．2數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)存儲包括數(shù)據(jù)中心主存儲、數(shù)據(jù)庫在線存儲、離線存儲,支持原始數(shù)據(jù)、解算數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、健康狀態(tài)信息等橋梁安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線和離線存儲。

3．4．3拓?fù)浼軜?gòu)

橋梁安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)庫存儲、離線存儲、云計算資源、管理服務(wù)器等信息化基礎(chǔ)設(shè)施,目前規(guī)模能滿足江漢二橋的安全監(jiān)測信息化服務(wù),將來可以通過云計算無限動態(tài)擴展,服務(wù)全武漢市橋梁安全監(jiān)測的需求,如圖7所示。

圖7　橋梁安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中心拓?fù)浼軜?gòu)

4　系統(tǒng)的功能設(shè)計與開發(fā)

4．1系統(tǒng)軟件功能

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)基于GNSS高精度定位技術(shù),提供GNSS位置信息的實時采集與動態(tài)解算,實現(xiàn)了傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以實現(xiàn)的高精度、全天候、全天時、三維立體式形變監(jiān)測,可顯著提高橋梁安全監(jiān)測的準(zhǔn)確性和預(yù)測評估的可靠性,其主要分為工程信息模塊、實時監(jiān)測模塊、綜合分析模塊和健康評估模塊。

工程信息模塊可顯示當(dāng)前工程的基本信息,橋梁上所有監(jiān)測站點的位置情況以及以三維模式瀏覽當(dāng)前橋梁的視圖。

實時監(jiān)測模塊采用擴展的動態(tài)非線性Kalman濾波算法進行差分解算,以曲線、表格、橋梁三維模型的形式,可視化實時監(jiān)測橋梁測點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、水平和垂直位移數(shù)據(jù)、位移變化速率數(shù)據(jù)、位移水平和垂直加速度數(shù)據(jù)以及測點歷史曲線、位移趨勢等。

綜合分析模塊從功能上分為綜合數(shù)據(jù)和綜合圖表兩個部分。前者是將所有站點的當(dāng)前數(shù)據(jù)列出來,包括測站名、測站類型、數(shù)據(jù)類型、實時數(shù)據(jù)、單位、報警信息和操作等。后者是查看最新的實時數(shù)據(jù),用圖表的形式將綜合數(shù)據(jù)直觀地表達(dá)出來,同時也有帶報警信息,通過圖表的顏色等元素來表達(dá)出多級報警信息。

健康評估模塊是在處理、分析測點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對橋梁形變進行安全評價,預(yù)測點位在水平和垂直兩個方向的位移趨勢,并綜合考慮測點所在處橋梁部件應(yīng)力變化等影響因素,對整個橋梁的安全性進行評價,為橋梁管理者提供決策支持。

4．2系統(tǒng)集成開發(fā)模式

本系統(tǒng)采用了組件式二次開發(fā)模式,其中GIS開發(fā)組件選擇ESRI的ArcGIS Engine。它是一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫,常用于普通的開發(fā)框架中,支持包括COM、．NET框架、Java和C++等多種開發(fā)語言,可以方便地將GIS功能嵌入到目標(biāo)開發(fā)軟件中。

5　系統(tǒng)應(yīng)用展示

本系統(tǒng)已應(yīng)用于武漢江漢二橋的安全監(jiān)測,在江漢二橋周邊共布設(shè)了4個基準(zhǔn)站,既保證參考站之間的距離合適,同時使參考站的影響范圍能較好地覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域。在其主橋和引橋共計布設(shè)了31個測點,用戶可以通過軟件查看監(jiān)測點的位移實時信息及歷史信息,掌握橋梁的位移變化趨勢。根據(jù)監(jiān)測點不同程度的位移情況,系統(tǒng)提供了三個級別的報警,橋梁的管理者可根據(jù)不同的報警級別采取不同的處理方式。除了軟件界面實時報警之外,系統(tǒng)還可以通過短信和郵件的方式發(fā)送報警信息,確保橋梁管理者在任何時間都可以及時掌握橋梁安全狀態(tài)信息,如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)應(yīng)用界面

6　結(jié) 語

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)將GNSS實時獲取高精度空間信息和GIS空間分析功能進行了集成,實現(xiàn)了對橋梁運營和維護的實時監(jiān)測,有效地提高了對橋梁變形趨勢的分析預(yù)警能力。江漢二橋橋梁監(jiān)測示范項目的實施證明,其有利于路橋安全的優(yōu)化升級,提高路橋網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量,有利于橋梁安全數(shù)據(jù)的采集、存儲及大數(shù)據(jù)分析,為橋梁安全預(yù)警、設(shè)計驗證等環(huán)節(jié)提供了技術(shù)支持。此外,該項目的實施還有利于加快發(fā)展北斗產(chǎn)業(yè)應(yīng)用工作的推進,對區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生拉動作用,具有較大的實用價值和推廣前景。

[1] 吳浩,花向紅,王新洲等．軌道交通中線測設(shè)統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型的建立[J]．武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版,2002,27 (5):478～482．

[2] 李新科,高潮,郭永彩等．利用改進的SIFT算法檢測橋梁拉索表面缺陷[J]．武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版,2015 (1):71～76．

[3] 王建波,欒元重,許君一等．小波分析橋梁變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[J]．測繪科學(xué),2012,37(3):79～81．

[4] 吳浩,董元鋒,李奎等．灰色系統(tǒng)和分形幾何耦合的邊坡變形預(yù)測模型研究與應(yīng)用[J]．測繪通報,2014(Z2)．

[5] 韓黨軍,沈延峰．GPS外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響因素及質(zhì)量檢查[J]．城市建筑,2014(30):315～316．

[6] 秦艷華,郝中豫,謝樹明．武漢市地理國情普查數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查內(nèi)容探討[J]．城市勘測,2015(4):37～40．

[7] 黃麗霞．GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組合單點定位模型及算法[J]．電子科技,2014(7):23～25．

[8] 謝年,向煜,徐艇偉．基于規(guī)則的快速三維建模技術(shù)研究[J]．城市勘測,2013(4):5～8．

[9] 韓夢澤,李克昭．GNSS系統(tǒng)發(fā)展概況及啟示[J]．城市勘測,2014(6):28～31．

[10] 趙正林．有關(guān)GPS在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．黑龍江科技信息,2012(13):88．

[11] 吳浩,楊劍,黎華．GPS原理及工程安全監(jiān)測應(yīng)用[M]．武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2014．

[12] 張風(fēng)霜,楊國華．GPS連續(xù)觀測資料小波變換質(zhì)量評價探討[J]．測繪科學(xué),2011,36(6):10～12．

(武漢光谷北斗控股集團有限公司,湖北武漢 430206)

Design and Application of Bridge Safety Monitoring System

An Qing,Li Yan,Zhang Tingting

(Wuhan OpticsValley BeiDou HoldingsGroup Co．,Ltd,Wuhan 430206,China)

Based on GNSS/GIS integration technology,the paper designed a set of bridge safety monitoring system, and took Jianghan Two Bridge as the application demonstrate in Wuhan,it stated the layout scheme of the base station, monitoring station,communication networks and data monitoring center equipment．At the same time,it developed the bridge safety monitoring system．The system can realize a series of functions,such as the all-weather acquisition,and the automatic rapid transmission．a(chǎn)nd the real-time decoding process of the bridge monitoring data．It also can display the monitoring information in graphic,and support threshold warning and health assessment．The system can provide the decision-making basis for bridge managers．

bridge safety monitoring;GNSS/GIS integration;system design;threshold warning

1672-8262(2016)01-11-06

P228

A

?2016—01—05

安慶(1969—),男,碩士,高級工程師,主要從事智慧城市建設(shè)工作。

武漢市北斗技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用示范項目(J15103365)