橋梁安全監測系統設計與應用

安慶,李巖,張婷婷

橋梁安全監測系統設計與應用

安慶?,李巖,張婷婷

基于GNSS/GIS集成技術,設計了一套橋梁安全監測系統,以武漢江漢二橋為應用示范,闡述了基準站、監測站、通訊網絡及數據監測中心設備的布設方案,研發了橋梁安全監測系統。該系統可實現對橋梁監測數據的全天候采集、自動快速傳輸、實時解算處理、監測信息圖形顯示、閾值預警以及健康評估,為橋梁的管理者提供了決策依據。

橋梁安全監測;GNSS/GIS集成;系統設計;閾值預警

1　引 言

橋梁建設是國家重要的基礎設施建設,其在經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的交通、經濟和社會生活[2]。

傳統的橋梁安全監測方法和儀器有人工光學測量法、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、應變儀等[3],這些方法和儀器都有其各自的優缺點,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,且數據采集無法在時間上同步等局限性[4,5]。因此,橋梁的安全監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、全天時進行自動監測的手段和設備。隨著地球空間信息技術的發展,以全球導航衛星系統(GNSS)與地理信息系統(GIS)為代表的集成技術[6],為橋梁安全監測系統的研究提供了有力的支持,特別是當前GIS組件式開發方式具有高效、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測系統中,為系統的研發提供了軟件支持[7]。

2　系統架構設計

橋梁安全監測系統是一個集衛星導航、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術、結構分析計算等高新技術于一體的綜合系統工程[8]。該系統采用數據采集層、數據傳輸層、數據中心層、分析應用層四層架構(如圖1所示)[9]。

圖1　系統總體架構

數據采集層主要包括北斗地基增強系統和北斗橋梁形變監測站。北斗地基增強系統由基準站、系統控制中心、用戶數據中心等子系統組成。北斗橋梁形變監測站主要包括天線、接收機、避雷設備等。北斗橋梁形變監測點按照布置位置的不同可分為撓度監測站、橋墩不均勻沉降監測站、伸縮縫變位特征監測站等。

數據采集層采集的衛星原始數據通過數據傳輸層傳輸到橋梁形變監控中心。數據傳輸層主要包括橋梁現場監測網絡、電信運營商光纖寬帶、橋梁形變監測應用網絡。

數據中心層主要基于云計算環境進行衛星數據實時解算和橋梁形變監測數據的存儲。衛星數據實時解算軟件獲得衛星原始數據(載波相位和偽距),對其進行差分處理和濾波、橋梁形變監測數據存儲內容包括原始數據、解算數據、預警數據、健康狀態信息。

在數據處理層基礎上,通過平臺搭建配置式開發,構建面向橋梁形變監測應用平臺。平臺應用的具體形態是多樣的,可以是瀏覽器模式或客戶機模式,還可以是移動設備模式。

3　系統硬件布設和建設方案

系統硬件主要包括基準站、監測點、通訊網絡設備以及數據監測中心硬件設備。

3．1基準站布點方案

基準站由GNSS扼流圈天線、觀測墩、天線饋線、防雷系統、GNSS接收機、市電電源、有線數字通訊網絡七個部分構成[10]。其中,觀測墩和防雷系統兩個部分需根據現場環境進行建設,其他部分均為標準產品。

3．1．1選址依據

進行GNSS衛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。為縮短基準站與變形監測點之間的距離,提高監測精度,基準站的選擇盡量選擇在地基穩定,觀測條件良好的地方[11]。

3．1．2基準站觀測墩建設

基準站觀測墩可分為基巖觀測墩、土層觀測墩、樓頂觀測墩[12]。根據江漢二橋實際情況,基準站觀測墩采用基巖觀測墩樣式規格進行建造,采用不銹鋼外殼包裹,深埋地下、高出地面3 m以上的鋼筋結構、混凝土澆筑的圓柱體。

3．1．3基準站布點方案

江漢二橋形變監測采用短基線解算的方式進行,根據橋梁和地表沉降監測范圍,參照國家標準進行站點選址、數據分析,最后結合監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,在監測橋梁的周邊、沿河、沿江地區受房地產行業發展的影響,高層住宅小區密集,嚴重影響基準站的可視空間。另外,土地的商業開發,造成基準站建設用地補償、拆遷補償及其他經濟原因補償實施困難。因此,基準站建設用地采用與地方院校、事業性單位合作解決。如圖2所示:

圖2　江漢二橋基準站布點方案

江漢二橋基準站布點選址說明　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+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,數字為每斷面布置的北斗測點數量,全橋共31個測點,其中主橋共20個,引橋共11個。

(1)引橋

引橋監測范圍為P0-P4號墩臺、P7-P11號墩臺。

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

圖3　江漢二橋北斗測點布置斷面

(2)主橋

主橋監測范圍P4-P7墩。

主墩P5、P6墩頂各布置2個測點,監測橋墩的沉降,共4個測點,為靜態測點;

在T構懸臂端各布置1個斷面,每斷面2個測點,全橋共8個測點,為動態測點;

在T構中點各布置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、下右幅外側欄桿附近各布置1個,如圖4所示。根據橋梁實際情況,北斗測點應安裝與專用支架上,支架距離人行道板高度為3 m,支架應具有足夠的剛度,確保汽車震動不造成測點的非結構變形振動。

圖4　主橋監測斷面測點布置

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通訊網絡設備布設方案

由于本項目監測點數據最大監測頻率為20 Hz,單點數據速率達到22 kB/s,數據要求傳輸質量高、時延小、環境適應性強、穩定性好,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器,光纖全部采用1 310 nm單模光纖。

圖6　數據通訊示意圖

如圖6所示,北斗監測站通過光網絡單元(Optical Network Unit,ONU)把監測數據由電信號轉化為光信號。由于監測點數量較多,設計使用分光器把監測點光信號數據匯聚后在進行信號傳送。每座橋設計使用若干個分光器,由分光器把匯聚數據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把監控數據傳輸到公司數據機房。

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

考慮到監測數據安全和后期職守難度,需在橋梁現場把監測數據接入通信運營商VPN網絡。OLT配置的接口板可以根據需要進行增配。OLT連接路由器,再由路由器通過運營商VPN網絡轉發所有監測點的原始監測數據到公司中心機房,進行數據統一處理。

3．4數據監測中心設備和架構

以云計算技術為基礎,滿足江漢二橋北斗形變監測大數據存儲、管理、服務等需求,未來可面向武漢市大中小型各類橋梁安全系統構建的規劃要求,構建橋梁安全監測云數據中心。

3．4．1服務器

根據服務器的類型和特點,為了達到最優的性能,服務器包括解算服務器、數據庫服務器、應用服務器、虛擬化服務器、管理服務器及衛星時鐘同步服務器。

3．4．2數據存儲

數據中心數據存儲包括數據中心主存儲、數據庫在線存儲、離線存儲,支持原始數據、解算數據、預警數據、健康狀態信息等橋梁安全監測數據的在線和離線存儲。

3．4．3拓撲架構

橋梁安全監測數據中心提供數據庫存儲、離線存儲、云計算資源、管理服務器等信息化基礎設施,目前規模能滿足江漢二橋的安全監測信息化服務,將來可以通過云計算無限動態擴展,服務全武漢市橋梁安全監測的需求,如圖7所示。

圖7　橋梁安全監測數據中心拓撲架構

4　系統的功能設計與開發

4．1系統軟件功能

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

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

實時監測模塊采用擴展的動態非線性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,可視化實時監測橋梁測點三維坐標數據、水平和垂直位移數據、位移變化速率數據、位移水平和垂直加速度數據以及測點歷史曲線、位移趨勢等。

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

健康評估模塊是在處理、分析測點實時監測數據和歷史監測數據的基礎上,對橋梁形變進行安全評價,預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系統集成開發模式

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

5　系統應用展示

本系統已應用于武漢江漢二橋的安全監測,在江漢二橋周邊共布設了4個基準站,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測區域。在其主橋和引橋共計布設了31個測點,用戶可以通過軟件查看監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。根據監測點不同程度的位移情況,系統提供了三個級別的報警,橋梁的管理者可根據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,系統還可以通過短信和郵件的方式發送報警信息,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信息,如圖8所示。

圖8　系統應用界面

6　結 語

橋梁安全監測系統將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,實現了對橋梁運營和維護的實時監測,有效地提高了對橋梁變形趨勢的分析預警能力。江漢二橋橋梁監測示范項目的實施證明,其有利于路橋安全的優化升級,提高路橋網絡的運行質量,有利于橋梁安全數據的采集、存儲及大數據分析,為橋梁安全預警、設計驗證等環節提供了技術支持。此外,該項目的實施還有利于加快發展北斗產業應用工作的推進,對區域經濟社會發展產生拉動作用,具有較大的實用價值和推廣前景。

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(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．and 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工作。

武漢市北斗技術與系統應用示范項目(J15103365)