北斗系統在地質災害影響下的橋梁健康監測中的應用

張爽娜 張鳳珊 俞能杰 王琴（航天恒星科技有限公司）

橋梁的健康監測技術已經成為大型橋梁結構災害監測與事故預警的重要途徑。安裝橋梁 健康監測系統就等于給橋梁裝配上一個“全天候”的醫生。尤其在災害來臨前，當監測到橋梁的位移異常時，一方面可有效采取途徑，避免重大事故的發生；另一方面對災害影響下橋梁的位移數據進行分析，可以得到橋梁受災情況下的變化過程，通過分析其結構及受力變化可以有效指導日后橋梁的設計及工程實現。

一、地質災害影響下的橋梁健康監測技術現狀

地質災害的種類繁多，包括地震、火山爆發、崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地裂縫等。盡管大部分橋梁在建設前期已經對所在地的地質災害進行了研究評價，但地質災害的發生無法做到絕對避免，因此實時的橋梁健康監測勢在必行。

由地質災害引起的橋梁形變一般屬于短期的不規則的橋梁運動，而橋梁的損壞往往都是由于短期的突然的載荷作用引起，而對于短期的形變信息的監測要比長期的形變信息監測難。

目前橋梁位移經典監測方法有：全站儀測試法、加速度計積分測試法、位移傳感器測試法、激光測試法和GPS位移監測法。各種方法的特點比較如 表1所示。

表1 橋梁監測方式特點比較

由表1可知采用GPS橋梁位移監測具有全天候、高精度、高效率、實時動態、測站間無需通視、集平面與高程測量于一體等諸多優點。當應用GPS進行橋梁監測時，各種形變信息都可以被識別，因此GPS測量技術在橋梁健康監測系統中發揮著越來越大的作用。如美國奧斯汀德克薩斯大學應用研究實驗室（ARL）自從1990年以來進行的一系列建筑物監測試驗；日本明石海峽大橋以及廣東虎門大橋的GPS監測系統；武漢白沙洲長江大橋的GPS監測試驗；英國諾丁漢大學土木學院工程測量和空間大地測量研究所(IESSG)進行的一系列GPS橋梁監測試驗等。

我國北斗衛星導航系統目前僅具備國內區域導航能力，基于北斗衛星系統的橋梁健康監測技術仍處在預研階段，尚未得到工程實現。國內部分橋梁健康監測目前仍采用傳統方法及GPS橋梁位移監測技術。

二、利用北斗衛星導航系統進行橋梁健康監測的必要性

如前所述，衛星導航定位技術已經成為橋梁健康監測中的重要手段。在當前衛星導航系統中，我國北斗系統獨具有以下3方面優勢。

1.自主產權保證了監測的持續有效

我國具有自主知識產權的北斗系統將不受國外衛星導航系統的限制，能夠進行持續有效的橋梁健康監測，尤其是在惡劣自然環境及政治環境下，不會造成監測的中斷。

2.短報文功能保證了重大監測結果的及時上報

北斗系統具備短報文通信功能，當橋梁健康監測結果表明橋梁遭遇重大威脅時，能夠立即將監測結果以短報文形式發送給指揮控制端，便于及時有效地進行指揮決策，從而避免重大災害造成的人員傷亡等破壞。

3.合理的衛星布設保證了橋梁監測的可用性

北斗系統最終將建設成由35顆衛星組成的全球衛星網絡，能夠滿足我國及亞太地區用戶的使用。北斗系統獨有的GEO靜止軌道衛星設計，使得我國及亞太地區用戶與GEO可見衛星相對位置不變，因此不會出現GEO衛星信號切換狀態，將能更加有效保證6顆可見衛星才能完成的橋梁健康監測RTK技術的實現。

三、北斗系統在橋梁健康監測中的應用原理

在橋梁健康監測中，利用接收到的北斗衛星導航載波相位進行實時相位差分，即RTK技術實時測定大橋位移。系統由北斗系統基準站、北斗系統監測站和通信系統組成。基準站將接收到的衛星差分信息經過光纖實時傳遞到監測站。監測站接收衛星信號及北斗系統基準站的信息，進行實時差分后可實時測得站點的三維坐標。此結果將送到北斗系統監控中心進行分析。

北斗信號接收單元將測量得到的偽距值、載波相位及廣播星歷數據保存在存儲單元中。利用嵌入式的數據處理軟件實時進行差分運算，得到此時刻橋梁各個關鍵部位的相對位移數據。同時也將上述信息定期傳給監控中心計算機，利用中心計算機中的數據后處理軟件，得到更高精度的相對位移測量數據，所有數據 都可以通過無線傳輸模塊接口傳輸。北斗系統位移監測網絡結構如圖1所示。

圖1 北斗系統位移監測網絡結構

北斗相對位移監測單元（沉降或位移）使用無線通信模塊與監控中心技術間直接進行數據通訊，不需要使用本地控制器。在現場的各個單元中需要配備具有無線通信功能的嵌入式無線數據發送模塊，已完成數據存儲和遠程無線發送的功能。不同斷面之間采樣的實時性也將由開發的嵌入式系統保證，嵌入式系統負責定時的發送時鐘校準信號。確保相對位移的采樣數據來自統一時刻橋梁的不同部位。

采用北斗系統監測大橋位移有如下特點：

1）大橋上各點只要能夠接收到6顆以上的北斗衛星及基準站傳來的北斗差分信號，即可進行北斗RTK差分定位。各監測站之間無需通視，是相互獨立的觀測值。

2）北斗系統定位受外界大氣影響小，可以在惡劣天氣中進行監測。

3）北斗系統測定位移自動化程度高。從接收信號、捕獲信號到RTK差分位移都可以由儀器自動完成。

4）根據北斗系統的設計指標分析，北斗—RTK最快可達10～20Hz速率輸出定位結果，定位精度將能夠達到水平10mm、高程20mm。

5）北斗系統具備短報文通信能力，能夠將監測到的重大橋梁形變信息以短報文形式上報指揮中心。

北斗系統測量網絡中基準點和測量點數目由被測橋梁的具體情況來確定。北斗系統測量站點間不要求通視，圖形結構也較靈活，因此點位選擇比較方便，但考慮北斗系統測量的特殊性，選點時應考慮：

1）點周圍高度角15度以上不能有障礙物，否則存在信號遮擋；

2）點位要遠離大功率無線電發射源、高壓電線等，以免電磁場對信號干擾；

3）點位應選在視野開闊、有利擴展、易于維護的地方；

4）點選擇結束后，要按要求埋設標石，填寫記錄。

四、北斗系統橋梁健康監測應用方案

北斗系統橋梁健康監 測應用方案中包括北斗衛星星座、橋梁健康監測現場、橋梁健康監測服務站、橋梁健康監測指揮中心4個部分，如圖2所示。

圖2 北斗系統橋梁健康監測應用方案示意圖

橋梁健康監測現場主要包含在橋梁上布設的北斗基準站及北斗監測站。其中北斗基準站用來為北斗監測站發送差分信息，從而實現北斗系統的RTK處理，實現高精度定位，而北斗監測站則是測量橋梁不同點位的位置信息及位置變化信息。

橋梁健康監測服務站主要由數據庫服務器、數據處理中心及北斗終端組成。其中數據庫服務器負責對采集到得北斗基準站及北斗監測站的數據進行存儲，而后通過數據處理中心進行橋梁變形監測分析，并對變形監測信息進行管理。對于重大變形，直接通過北斗終端的短報文通訊發送報警信息給橋梁健康監測指揮中心。此外，數據處理中心還支持橋梁健康監測指揮中心隨時遠程訪問。

橋梁健康監測指揮中心負責橋梁健康情況的定期匯報、重大橋梁形變情況下的應急指揮等。主要配備有可遠程訪問的PC機及專家和技術人員。

五、結論

本文結合我國橋梁健康監測現狀及北斗衛星導航系統特點給出了應用北斗系統進行橋梁健康狀況監測的概要設計方案，為北斗系統在該領域的業務拓展提供了基本依據，為日后的工程實現提供技術支撐。