基于北斗監測數據的大跨度橋梁自動化監測應用研究

摘要 文章探討了基于北斗監測數據的大跨度橋梁變形自動化監測系統的構成與應用。系統主要由數據傳輸子系統、基準站、監測站和變形監測平臺等組成，采用北斗衛星通信技術和高精度全球導航衛星系統（GNSS）接收設備，確保數據的實時傳輸與準確性。首先，通過載波相位法和差分處理技術，系統能夠高效地獲取橋梁的變形信息，并通過先進的數據分析平臺進行可視化展示。然后，在實際應用中分析了兩個案例：某大跨度懸索橋和某大跨度拱橋的監測結果，分別展示了變形、應變和加速度等關鍵參數的變化，系統在懸索橋的監測中發現應變超出安全閾值后及時觸發了預警，提示進行結構檢查，而在拱橋的監測中，整體結構則保持安全，未觸發預警。研究結果表明，基于北斗監測數據的自動化監測系統在保障大跨度橋梁安全運營方面具有重要的應用價值。

關鍵詞 北斗監測數據；大跨度橋梁；自動化監測

中圖分類號 U446 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0016-03

0 引言

近年來，隨著我國基礎設施建設的快速發展，大跨度橋梁的數量顯著增加，已成為交通運輸網絡的重要組成部分。截至目前，全國范圍內已建成的大跨度橋梁數量已達到數萬座[1]。這些橋梁在承受各種外部荷載和自身重力的作用下，必然會出現不同程度的變形，尤其在極端環境條件下變形現象更為明顯。例如，在強風作用下，一些大跨度橋梁會發生風－車－橋的耦合共振，導致橋梁結構發生劇烈振動，進而引發安全隱患。因此，針對大跨度橋梁開展健康監測和安全預警顯得尤為重要。隨著北斗衛星導航技術的不斷進步，其高精度和實時性使得自動化監測系統在橋梁監測領域的應用日益廣泛[2]。研究表明，北斗系統在橋梁健康監測中表現出良好的精度和可靠性。相關研究者針對北斗系統的信號處理進行了深入分析，提出的改進算法提升了測量精度，為高精度變形監測提供了有力支持；同時，對全球導航衛星系統在橋梁健康監測中的應用現狀進行了綜述，指出了該領域的研究熱點和面臨的挑戰[3]。在此背景下，該文將重點探討基于北斗監測數據的大跨度橋梁自動化監測應用研究，首先介紹北斗衛星系統的基本構成和相關監測算法，隨后分析其在橋梁結構安全預警系統中的實際應用，旨在為橋梁健康監測提供切實可行的參考和指導。通過這一研究，希望能為保障大跨度橋梁的安全運營和維護決策提供科學依據。

1 北斗大跨度橋梁變形自動化監測

1.1 自動化監測系統構成

在現代橋梁工程中，變形監測技術的進步為大跨度橋梁的安全運營提供了強有力的支持。北斗大跨度橋梁變形自動化監測系統由多個子系統構成，各個部分相互配合，共同確保監測數據的準確性、實時性和可靠性。

1.1.1 數據傳輸子系統

數據傳輸子系統是整個監測系統的信息傳遞通道，負責將監測站收集到的數據實時傳輸到中心處理系統。該子系統采用北斗衛星通信技術，這種技術不僅具有覆蓋廣、抗干擾能力強的特點，還能在各種復雜環境下確保數據的高效性和可靠性[4]。通過無線網絡或光纖傳輸技術，能夠將監測數據迅速而準確地反饋到監測中心。這一過程極大地提高了數據的傳輸效率，確保監測人員能夠在第一時間獲取到最新的監測信息，從而為后續的數據分析和決策提供及時的信息支持。

1.1.2 基準站

基準站是監測系統的重要組成部分，主要用于提供高精度的參考坐標和基準數據。通常情況下，基準站設置在橋梁附近，并配備高精度的全球導航衛星系統（GNSS）接收設備。基準站能夠實時接收北斗衛星信號，并通過數據處理生成精確的位置信息。這些數據將作為監測站的參考依據，確保監測結果的準確性和可靠性。基準站不僅為監測系統提供了穩定的基準數據，還能有效降低因環境變化引起的測量誤差，從而提高監測結果的可信度。

1.1.3 監測站

監測站是負責具體數據采集和變形監測的核心部分。每個監測站配備多種傳感器，如位移傳感器、應變計、加速度計等，能夠實時監測橋梁的不同變形參數。這些傳感器通過數據采集系統，將采集到的數據傳輸到數據傳輸子系統，形成一個完整的監測鏈條。監測站的布局通常根據橋梁的結構特點和監測需求進行合理安排，以實現全面的監測覆蓋。例如，在橋梁的關鍵部位和可能發生變形的區域設置監測站，可以有效捕捉橋梁在使用過程中的細微變化，從而為橋梁的安全評估提供重要依據。

1.1.4 變形監測平臺

變形監測平臺是數據分析和可視化的核心部分，負責對采集到的數據進行處理、分析和展示。該平臺采用先進的數據處理算法和可視化技術，能夠實時生成橋梁變形的監測報告，并通過圖形、圖表等形式直觀展示監測結果。監測平臺不僅具備數據存儲功能，還可以進行歷史數據對比，以幫助工程師和決策者識別長期趨勢和潛在問題。這一功能對橋梁的健康評估和維護決策至關重要，能夠為橋梁的安全運營提供科學依據，確保橋梁在其使用壽命內保持良好的結構性能。

1.2 檢測算法

1.2.1 載波相位法原理

載波相位法的基本原理是利用衛星信號在傳播過程中，信號的相位會隨接收點的位置變化而發生變化。具體來說，衛星向地面發送的信號包含頻率和相位等信息[5]。當信號從衛星傳播到接收器時，信號的傳播時間和傳播路徑會受到多種因素的影響，包括大氣延遲、衛星軌道變化等。因此，通過測量接收到的信號相位與已知的參考相位之間的差異，可以計算出接收點的位置信息。

載波相位的測量公式表示如下：

Φ = fc·Δt +N （1）

式中，Φ——測量的載波相位（rad或m）；c——光速（m/s）；f——信號頻率（Hz）；Δt——信號傳播時間（s）；N——整周模糊度，表示在信號傳播過程中存在的整數倍波長的誤差。

通過對多個衛星信號的載波相位進行組合，可以得到精確的三維坐標信息，從而實現對橋梁變形的高精度監測。具體來說，接收器能夠同時接收到來自多個衛星的信號，通過計算這些信號的相位，可以確定接收器的當前位置，并監測其隨時間變化的位移。

1.2.2 數據處理與變形計算

在北斗大跨度橋梁的變形監測中，載波相位法是一種重要的測量技術，但在實際應用中，獲取的測量數據需要經過一系列處理才能提取出有效的變形信息。這一過程不僅涉及數據的清洗和校正，還包括復雜的計算，以確保最終結果的準確性和可靠性。首先，監測系統需要從多個監測站獲取載波相位數據。這些數據包含來自不同位置的橋梁變形信息，但信號在傳輸過程中可能受到多種因素的干擾，如大氣延遲、衛星軌道誤差，以及多路徑效應等。因此，為了消除這些影響，必須進行差分處理。差分定位技術通過比較觀測站與基準站之間的相位差，能夠有效減少系統誤差，提高測量精度。差分定位的基本公式如下：

ΔΦ=Φobs?Φref （2）

式中，ΔΦ——差分相位，表示觀測站與基準站之間的相位差（rad）；Φobs——觀測站的相位（rad）；Φref——基準站的相位（rad）。

通過差分相位的計算，獲得監測站相對于基準站的位移信息。為了進一步計算變形量，需要將監測站的位移分解到三個坐標軸方向上。變形量可以通過以下公式計算：

Δd=（Δx）2+（Δy）2+（Δz）2 （3）

式中，Δd——變形量，表示橋梁在某一時刻的整體變形；Δx、Δy、Δz——X、Y、Z方向上的位移（m）。

2 橋梁變形自動化監測應用

2.1 預警指標

在大跨度橋梁的變形監測中，預警指標的設定至關重要，通常包括位移閾值、應變閾值、加速度閾值、變形速率、歷史數據對比和多點監測綜合指標等方面。位移閾值用于設定橋梁在不同工況下的位移閾值，當監測到的位移超出該限值時，系統將自動發出預警；應變閾值則通過監測應變計的數據，提示橋梁結構存在的安全隱患；加速度閾值幫助評估橋梁在動態載荷作用下的響應情況，及時捕捉異常情況；變形速率監測則可指示橋梁結構是否出現問題；歷史數據對比能夠識別出變形的異常趨勢，以觸發預警機制；最后，多點監測綜合指標通過分析多個監測點的數據，建立全面的預警體系，以更準確地評估橋梁的安全狀態。

2.2 應用結果

在實際應用中，基于北斗監測數據的大跨度橋梁變形自動化監測系統已在多個橋梁項目中得到運用。以下是兩個案例的詳細介紹，包括監測結果、數據分析、相應的表格，以及公式應用等。

2.2.1 案例一：某大跨度懸索橋監測

XX大橋是一座懸索橋，跨徑達到1 500 m，建于2015年。為確保橋梁的安全性和穩定性，監測系統包括設置在橋梁南側的基準站，配備了GNSS接收設備。此外，監測站分布在橋梁的主梁、支座及關鍵連接點等，共設立了5個，以全面監測橋梁狀態。數據傳輸子系統采用北斗衛星通信技術，確保監測數據能夠實時傳輸。監測系統在2023年1月至2023年6月期間收集到的數據如表1所示：

在數據分析過程中，對橋梁的變形情況進行了詳細的監測和計算。首先，主梁的位移在6個月的時間里，從最初的2.5 mm增加至5.0 mm，這一變化顯著說明橋梁在此期間經歷了明顯的變形。支座的位移同樣呈現出逐漸上升的趨勢，進一步表明橋梁結構的穩定性受到影響。通過以下公式計算位移的變化量：ΔD=5.0-2.5=2.5 mm。這一結果清晰地反映了主梁位移的實際增幅。此外，還監測到應變的變化情況，應變值從50增加到75，超出了設定的安全閾值70，這一現象提示結構存在安全隱患；代入具體數值后，得出應變的變化率為（75-50）/50×100%=50%，這一數據表明橋梁在受力情況下的變形程度明顯加大，亟須引起重視。同時，加速度值的逐步上升也值得注意，這表明橋梁在動態載荷作用下的響應逐漸增強。加速度變化量的計算為Δa=0.08-0.03=0.05 m/s2，這一變化說明橋梁在承受動態荷載時的行為模式正在發生變化。綜合以上監測數據，系統在2023年6月1日觸發了預警，建議對橋梁進行詳細的結構檢查和評估。這一預警措施是為了確保橋梁的安全性，以防止潛在的結構故障帶來的風險。因此，及時的檢查和維護將是保障橋梁長期安全運營的重要環節。

2.2.2 案例二：某大跨度拱橋監測

YY拱橋是一座建于2018年的拱橋，跨徑為800 m。為確保橋梁的安全性，監測系統包括設置在橋梁西側的基準站，配備了GNSS接收設備。此外，監測站分布在橋梁的拱頂、支座及關鍵連接點，共設立了3個，以全面監測橋梁狀態。數據傳輸子系統采用光纖傳輸技術，確保監測數據能夠實時傳輸。監測系統在2023年1月至2023年6月期間收集到的一系列關鍵數據如表2所示：

在對橋梁進行數據分析的過程中，重點關注了多個關鍵參數的變化情況，以評估其結構安全性。首先，拱頂位移在6個月內由最初的1.0 mm增加至2.5 mm，顯示出明顯的變形趨勢。同時，支座位移也呈現出逐漸上升的趨勢，這表明橋梁在受到外部荷載或環境因素影響下，整體結構正經歷一定程度的變形。通過計算，得出位移的變化量為ΔD=2.5-1.0=1.5 mm，這一結果為后續的安全評估提供了重要依據。在應變方面，雖然應變值也呈現逐漸上升的趨勢，但仍然處于安全閾值范圍內，未對結構安全構成威脅；具體的應變變化率計算為Δε=（40-30）/30×100%=33.33%，這表明橋梁的應變變化在監測期間相對可控，未超過安全界限。此外，加速度值的監測結果顯示其保持在較低水平，未超過設定的安全閾值，這一現象表明橋梁在動態響應方面表現正常，能夠有效抵御外部沖擊。加速度變化量的計算為Δa=0.05-0.02=0.03 m/s2，進一步印證了橋梁在動態荷載下的穩定性。綜合以上監測結果，系統在整個監測期間未觸發預警，這一結果表明橋梁的整體結構安全，未出現嚴重的安全隱患。因此，當前的監測數據為橋梁的安全運營提供了有力支持，后續仍需繼續保持監測，以確保其長期的穩定性和安全性。

3 結束語

綜上所述，基于北斗監測數據的大跨度橋梁自動化監測系統為橋梁安全管理提供了強有力的技術支持。通過實時監測和數據分析，系統能夠及時發現潛在的安全隱患，確保橋梁的穩定性與安全性。未來，隨著技術的不斷進步和數據處理能力的提升，該監測系統將進一步優化，應用范圍也將不斷擴大，為更多橋梁的健康評估和維護決策提供科學依據。期待在大跨度橋梁監測領域，能夠出現更高效、更智能的監測方案，為公共安全和基礎設施的可持續發展貢獻力量。

參考文獻

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[5]韓洪舉，郭吉平，張基進.橋纜索吊裝系統自動化控制技術探究[J].中國公路， 2022（18）：126-128.

收稿日期：2024-12-16

作者簡介：邵振勛（1989—），男，本科，工程師，研究方向：道路與橋梁檢測及監測技術。