淺談基于北斗導航的橋梁健康智能監(jiān)測系統(tǒng)應用

李燕

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

橋梁健康監(jiān)測是指通過對服役期間橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)控與評估，對大橋在運營狀況處于異常時發(fā)出預警信號，為后期橋梁管理保護提供重要的數(shù)據(jù)支撐和理論指導。

一、傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測存在的不足

傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測有:傾角儀、位移儀、測速儀等通用測量方式。這些測量方式能夠適應不同的監(jiān)測環(huán)境，達到一定的測量精度要求，得到橋梁的整體變形狀態(tài)，但傳統(tǒng)測量中普遍存在以下問題：

（一）準確度和便攜性等方面存在一定差距。比如位移傳感器測試法固然測量精度較高，但通常只能實現(xiàn)單向變形測量；激光干涉儀法，一般只能進行定期的檢測，結構物的搖晃或震動較大時很難跟蹤目標。

（二）缺少傳感器的優(yōu)化布設方案。為獲得橋梁的健康狀況，香港青馬大橋曾永久性地安置了800多個各種傳感器來監(jiān)測橋梁的健康狀況[1]。由此可見在傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測中缺乏對有效傳感器的合理布設，采集的原始數(shù)據(jù)不能及時有效的利用。

（三）注重硬件設施，輕視健康分析。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測普遍存在對監(jiān)測硬件設施重視程度大于結果分析的現(xiàn)象，這一點在一些大跨度橋梁監(jiān)測中尤為明顯，盡管實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的采集，但存在很大的盲目性，一部分硬件設施并未發(fā)揮其作用，造成了資源浪費。

二、基于北斗導航的橋梁監(jiān)測優(yōu)勢分析

北斗導航系統(tǒng)主要由空間星座、地面控制系統(tǒng)、用戶終端設備三部分構。它具有如下優(yōu)勢：

（一）監(jiān)測空間規(guī)模覆蓋面大。在高山地區(qū)的一些橋梁中，利用北斗導航監(jiān)測不受地形、環(huán)境等因素的影響的特性，對于一些難以通過人工監(jiān)測的易損區(qū)域，能夠實現(xiàn)有效監(jiān)測；

（二）依靠北斗定位技術，準確度高。利用差分定位觀測技術，定位精度相對于傳統(tǒng)定位技術更加準確。利用衛(wèi)星技術設置方格網，將點位的中誤差作為精度標準更加科學實用[2]；

（三）信息獲取高效。全天時覆蓋、空間覆蓋面廣，橋梁監(jiān)測部門能夠實時掌握橋梁各個部分的健康狀況，在獲知預警信息時，能快速對此信息做出決斷，找到相關原因，及時做出橋梁健康維護措施，以保證橋梁的安全性以及人民生命財產安全[3]。

基于以上分析，為更高效、精確地實現(xiàn)對橋梁變形的監(jiān)測，本文提出了基于北斗導航的橋梁變形智能監(jiān)測系統(tǒng)的設計框架及其實現(xiàn)方法。

三、橋梁健康智能監(jiān)測系統(tǒng)簡介

（一）系統(tǒng)設計框架及其主要功能

1.系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)耦合北斗導航技術和傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測技術，可全天時、全天候的監(jiān)測橋梁結構整體行為和智能化評估結構狀態(tài)等健康狀況。

橋梁結構經過長期使用或遭遇突發(fā)災害之后，通過測定其關鍵性能指標，進而能獲取反映結構受力狀態(tài)的信息，從而對其進行綜合分析，得出損傷程度和安全等級，針對相應的結果，制定相應的維護對策。

（二）系統(tǒng)主要功能

1.橋梁易變形部件監(jiān)測

橋梁上安裝有搭載了UM220北斗定位模塊的傳感器和北斗橋梁健康監(jiān)測終端，根據(jù)北斗衛(wèi)星全天時、全天候導航定位的特點，能夠對橋梁易變形部件進行全天時、監(jiān)測健康狀況。

2.橋梁健康數(shù)據(jù)采集與存儲

數(shù)據(jù)采集采用有線光纖通信和衛(wèi)星通信相結合的方式，一方面結合光纖自身抗干擾性強、傳輸快、傳輸衰減小的特點，能夠使得傳向控制中心的數(shù)據(jù)準確性高、速度快，節(jié)約成本；另一方面結合衛(wèi)星通信的特點，進行數(shù)據(jù)的實時回傳和原始數(shù)據(jù)更新，保證數(shù)據(jù)的一致性、準確性和時間同步性。

3.橋梁預警與安全評估

控制中心通過篩選北斗系統(tǒng)及各類傳感器獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為安全預警系統(tǒng)的評價指標，用于構建安全預警系統(tǒng)和安全評估系統(tǒng)。預警系統(tǒng)的警報作用便于及時采取災害預防措施，把風險降到最低。

4.橋梁病害維護

控制中心通過對傳感器和北斗終端傳輸回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出病害出現(xiàn)的位置和病害出現(xiàn)的原因，然后“對癥下藥”制定相應的對策，以最大程度減輕各種病害對橋梁安全使用壽命和經濟財產安全的影響。

（三）系統(tǒng)軟件功能設計

1.北斗橋梁健康監(jiān)測終端的功能

（1）通過終端內的北斗定位模塊，實現(xiàn)橋梁部件變形監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳，再通過北斗衛(wèi)星回傳至控制中心。

（2）由于要實現(xiàn)數(shù)據(jù)全天時實時回傳，終端配有太陽能電池板，為斷電等特殊情況，進行緊急供電。

（四）控制中心的功能

1.接受來自北斗衛(wèi)星傳輸回來的橋梁部件變形監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，全天時實時確定橋梁部件的狀態(tài)。

2.接受來自傳統(tǒng)傳感器通過光纖等通信設施傳輸回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對這些回傳數(shù)據(jù)進行分析處理。

3.對回傳到控制中心的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，對這些數(shù)據(jù)進行分類、分析、處理、存儲以及數(shù)據(jù)綜合分析評價，為后續(xù)的橋梁維護、橋梁監(jiān)測研究以及橋梁安全監(jiān)測相關部門的決策制定提供數(shù)據(jù)支持。

4.在橋梁發(fā)生預警警報時，通過北斗短報文通信技術將預警部位相關數(shù)據(jù)發(fā)送至后備維護人員的接收終端，指引維護人員立即對預警情況做出問題解決方案并將問題解決方案回傳至控制中心。

四、總結

基于北斗導航的橋梁健康智能監(jiān)測系統(tǒng)，是北斗導航技術與智能傳感器相結合的聯(lián)合體。該系統(tǒng)結合了北斗導航系統(tǒng)和載有北斗定位模塊的傳感器，能夠對橋梁動態(tài)實時監(jiān)測。主要優(yōu)點如下：

（一）在數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)中，一方面采用嵌入式系統(tǒng)構架，保證了采集數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性，另一方面采用光纖通信和衛(wèi)星通信相結合的方式，保證了傳輸數(shù)據(jù)的精確性和實時性；

（二）采用遠程橋梁健康實時監(jiān)測，避免了作業(yè)人員的實地進行勘察、數(shù)據(jù)采集，提高了橋梁健康的監(jiān)測實時性，同時保障了人員的人身安全，節(jié)約了監(jiān)測的實際成本；

（三）能夠利用數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)，對橋梁未來的健康狀況進行預測，為經濟、社會發(fā)展提供保障。

隨著科學技術不斷的發(fā)展，北斗導航橋梁變形監(jiān)測技術將會有所提高，并在橋梁變形監(jiān)測中更好的應用，為橋梁變形監(jiān)測帶來更多的優(yōu)勢。