安庆,李岩,张婷婷

桥梁安全监测系统设计与应用

安庆∗,李岩,张婷婷

基于GNSS/GIS集成技术,设计了一套桥梁安全监测系统,以武汉江汉二桥为应用示范,阐述了基准站、监测站、通讯网络及数据监测中心设备的布设方案,研发了桥梁安全监测系统。该系统可实现对桥梁监测数据的全天候采集、自动快速传输、实时解算处理、监测信息图形显示、阈值预警以及健康评估,为桥梁的管理者提供了决策依据。

桥梁安全监测;GNSS/GIS集成;系统设计;阈值预警

1　引 言

桥梁建设是国家重要的基础设施建设,其在经济社会中的显赫作用毋庸赘言[1],但是,由于老化、超载以及设计、施工和维护管理不足等原因,正在运营的大部分桥梁都存在或轻或重的各种“病患”,潜伏着巨大的安全隐患。如不及时消除这些安全隐患,将可能造成巨大损失,长期影响大范围地区的交通、经济和社会生活[2]。

传统的桥梁安全监测方法和仪器有人工光学测量法、连通管法、引张线法、视频测像法、加速度仪、全站仪、激光干涉仪、应变仪等[3],这些方法和仪器都有其各自的优缺点,主要存在自动化程度低,工作量大,观测易受气候和其他外界条件的影响,容易漏过重要和危险的信号,且数据采集无法在时间上同步等局限性[4,5]。因此,桥梁的安全监测迫切需要一种自动化程度更高、能测量形变绝对值并能全天候、全天时进行自动监测的手段和设备。随着地球空间信息技术的发展,以全球导航卫星系统(GNSS)与地理信息系统(GIS)为代表的集成技术[6],为桥梁安全监测系统的研究提供了有力的支持,特别是当前GIS组件式开发方式具有高效、集成、灵活的特点,可将空间分析和可视化等典型功能快速嵌入到桥梁安全监测系统中,为系统的研发提供了软件支持[7]。

2　系统架构设计

桥梁安全监测系统是一个集卫星导航、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术、结构分析计算等高新技术于一体的综合系统工程[8]。该系统采用数据采集层、数据传输层、数据中心层、分析应用层四层架构(如图1所示)[9]。

图1　系统总体架构

数据采集层主要包括北斗地基增强系统和北斗桥梁形变监测站。北斗地基增强系统由基准站、系统控制中心、用户数据中心等子系统组成。北斗桥梁形变监测站主要包括天线、接收机、避雷设备等。北斗桥梁形变监测点按照布置位置的不同可分为挠度监测站、桥墩不均匀沉降监测站、伸缩缝变位特征监测站等。

数据采集层采集的卫星原始数据通过数据传输层传输到桥梁形变监控中心。数据传输层主要包括桥梁现场监测网络、电信运营商光纤宽带、桥梁形变监测应用网络。

数据中心层主要基于云计算环境进行卫星数据实时解算和桥梁形变监测数据的存储。卫星数据实时解算软件获得卫星原始数据(载波相位和伪距),对其进行差分处理和滤波、桥梁形变监测数据存储内容包括原始数据、解算数据、预警数据、健康状态信息。

在数据处理层基础上,通过平台搭建配置式开发,构建面向桥梁形变监测应用平台。平台应用的具体形态是多样的,可以是浏览器模式或客户机模式,还可以是移动设备模式。

3　系统硬件布设和建设方案

系统硬件主要包括基准站、监测点、通讯网络设备以及数据监测中心硬件设备。

3．1基准站布点方案

基准站由GNSS扼流圈天线、观测墩、天线馈线、防雷系统、GNSS接收机、市电电源、有线数字通讯网络七个部分构成[10]。其中,观测墩和防雷系统两个部分需根据现场环境进行建设,其他部分均为标准产品。

3．1．1选址依据

进行GNSS卫星测量时不要求测站之间保持通视,但要求与天空有良好的通视条件。为缩短基准站与变形监测点之间的距离,提高监测精度,基准站的选择尽量选择在地基稳定,观测条件良好的地方[11]。

3．1．2基准站观测墩建设

基准站观测墩可分为基岩观测墩、土层观测墩、楼顶观测墩[12]。根据江汉二桥实际情况,基准站观测墩采用基岩观测墩样式规格进行建造,采用不锈钢外壳包裹,深埋地下、高出地面3 m以上的钢筋结构、混凝土浇筑的圆柱体。

3．1．3基准站布点方案

江汉二桥形变监测采用短基线解算的方式进行,根据桥梁和地表沉降监测范围,参照国家标准进行站点选址、数据分析,最后结合监测点与备选点基线长度来合理确定备选点的位置,如表1所示。目前,在监测桥梁的周边、沿河、沿江地区受房地产行业发展的影响,高层住宅小区密集,严重影响基准站的可视空间。另外,土地的商业开发,造成基准站建设用地补偿、拆迁补偿及其他经济原因补偿实施困难。因此,基准站建设用地采用与地方院校、事业性单位合作解决。如图2所示:

图2　江汉二桥基准站布点方案

江汉二桥基准站布点选址说明　表1

3．2测点布点方案

3．2．1测点布置断面

江汉二桥主桥为T构+挂梁桥,跨径布置为4×32．9+(83．95+135+83．95)+4×32．9=566．2 m,引桥为简支T梁;全部为外部静定体系。

图3中,数字为每断面布置的北斗测点数量,全桥共31个测点,其中主桥共20个,引桥共11个。

(1)引桥

引桥监测范围为P0-P4号墩台、P7-P11号墩台。

引桥监测断面为11个,其中墩顶10个,监测桥墩的地基沉降,为静态测点;在P2-P3跨中布置1个测点,监测主梁变形,为动态测点,如图3所示。

图3　江汉二桥北斗测点布置断面

(2)主桥

主桥监测范围P4-P7墩。

主墩P5、P6墩顶各布置2个测点,监测桥墩的沉降,共4个测点,为静态测点;

在T构悬臂端各布置1个断面,每断面2个测点,全桥共8个测点,为动态测点;

在T构中点各布置1个断面,每断面布置2个测点,全桥共8个测点,为动态测点。

3．2．2测点横断面布置

主桥每断面布置2个测点,上、下右幅外侧栏杆附近各布置1个,如图4所示。根据桥梁实际情况,北斗测点应安装与专用支架上,支架距离人行道板高度为3 m,支架应具有足够的刚度,确保汽车震动不造成测点的非结构变形振动。

图4　主桥监测断面测点布置

引桥每断面布置1个测点,均在上游幅外侧栏杆附近布置,除P2-P3跨在跨中布置1个测点外,其余测点均在墩顶布置,如图5所示。

图5　引桥监测断面测点布置

3．2．3测点汇总

江汉二桥测点汇总表　表2

3．3通讯网络设备布设方案

由于本项目监测点数据最大监测频率为20 Hz,单点数据速率达到22 kB/s,数据要求传输质量高、时延小、环境适应性强、稳定性好,故选用光纤作为主要传输媒介。所有桥上的传输连接线加光纤收发器,光纤全部采用1 310 nm单模光纤。

图6　数据通讯示意图

如图6所示,北斗监测站通过光网络单元(Optical Network Unit,ONU)把监测数据由电信号转化为光信号。由于监测点数量较多,设计使用分光器把监测点光信号数据汇聚后在进行信号传送。每座桥设计使用若干个分光器,由分光器把汇聚数据通过光纤传送到光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)。OLT连接路由器运营商VPN把监控数据传输到公司数据机房。

考虑工程走线的实施难度,需要先把监测点数据汇聚到分光器,分光器放置在其管理监测点的中心位置,和接收机共机柜。设计每20个监测点汇入一个1分24的分光器。

考虑到监测数据安全和后期职守难度,需在桥梁现场把监测数据接入通信运营商VPN网络。OLT配置的接口板可以根据需要进行增配。OLT连接路由器,再由路由器通过运营商VPN网络转发所有监测点的原始监测数据到公司中心机房,进行数据统一处理。

3．4数据监测中心设备和架构

以云计算技术为基础,满足江汉二桥北斗形变监测大数据存储、管理、服务等需求,未来可面向武汉市大中小型各类桥梁安全系统构建的规划要求,构建桥梁安全监测云数据中心。

3．4．1服务器

根据服务器的类型和特点,为了达到最优的性能,服务器包括解算服务器、数据库服务器、应用服务器、虚拟化服务器、管理服务器及卫星时钟同步服务器。

3．4．2数据存储

数据中心数据存储包括数据中心主存储、数据库在线存储、离线存储,支持原始数据、解算数据、预警数据、健康状态信息等桥梁安全监测数据的在线和离线存储。

3．4．3拓扑架构

桥梁安全监测数据中心提供数据库存储、离线存储、云计算资源、管理服务器等信息化基础设施,目前规模能满足江汉二桥的安全监测信息化服务,将来可以通过云计算无限动态扩展,服务全武汉市桥梁安全监测的需求,如图7所示。

图7　桥梁安全监测数据中心拓扑架构

4　系统的功能设计与开发

4．1系统软件功能

桥梁安全监测系统基于GNSS高精度定位技术,提供GNSS位置信息的实时采集与动态解算,实现了传统监测方法难以实现的高精度、全天候、全天时、三维立体式形变监测,可显著提高桥梁安全监测的准确性和预测评估的可靠性,其主要分为工程信息模块、实时监测模块、综合分析模块和健康评估模块。

工程信息模块可显示当前工程的基本信息,桥梁上所有监测站点的位置情况以及以三维模式浏览当前桥梁的视图。

实时监测模块采用扩展的动态非线性Kalman滤波算法进行差分解算,以曲线、表格、桥梁三维模型的形式,可视化实时监测桥梁测点三维坐标数据、水平和垂直位移数据、位移变化速率数据、位移水平和垂直加速度数据以及测点历史曲线、位移趋势等。

综合分析模块从功能上分为综合数据和综合图表两个部分。前者是将所有站点的当前数据列出来,包括测站名、测站类型、数据类型、实时数据、单位、报警信息和操作等。后者是查看最新的实时数据,用图表的形式将综合数据直观地表达出来,同时也有带报警信息,通过图表的颜色等元素来表达出多级报警信息。

健康评估模块是在处理、分析测点实时监测数据和历史监测数据的基础上,对桥梁形变进行安全评价,预测点位在水平和垂直两个方向的位移趋势,并综合考虑测点所在处桥梁部件应力变化等影响因素,对整个桥梁的安全性进行评价,为桥梁管理者提供决策支持。

4．2系统集成开发模式

本系统采用了组件式二次开发模式,其中GIS开发组件选择ESRI的ArcGIS Engine。它是一套完备的嵌入式GIS组件库和工具库,常用于普通的开发框架中,支持包括COM、．NET框架、Java和C++等多种开发语言,可以方便地将GIS功能嵌入到目标开发软件中。

5　系统应用展示

本系统已应用于武汉江汉二桥的安全监测,在江汉二桥周边共布设了4个基准站,既保证参考站之间的距离合适,同时使参考站的影响范围能较好地覆盖整个监测区域。在其主桥和引桥共计布设了31个测点,用户可以通过软件查看监测点的位移实时信息及历史信息,掌握桥梁的位移变化趋势。根据监测点不同程度的位移情况,系统提供了三个级别的报警,桥梁的管理者可根据不同的报警级别采取不同的处理方式。除了软件界面实时报警之外,系统还可以通过短信和邮件的方式发送报警信息,确保桥梁管理者在任何时间都可以及时掌握桥梁安全状态信息,如图8所示。

图8　系统应用界面

6　结 语

桥梁安全监测系统将GNSS实时获取高精度空间信息和GIS空间分析功能进行了集成,实现了对桥梁运营和维护的实时监测,有效地提高了对桥梁变形趋势的分析预警能力。江汉二桥桥梁监测示范项目的实施证明,其有利于路桥安全的优化升级,提高路桥网络的运行质量,有利于桥梁安全数据的采集、存储及大数据分析,为桥梁安全预警、设计验证等环节提供了技术支持。此外,该项目的实施还有利于加快发展北斗产业应用工作的推进,对区域经济社会发展产生拉动作用,具有较大的实用价值和推广前景。

[1] 吴浩,花向红,王新洲等．轨道交通中线测设统一数学模型的建立[J]．武汉大学学报·信息科学版,2002,27 (5):478～482．

[2] 李新科,高潮,郭永彩等．利用改进的SIFT算法检测桥梁拉索表面缺陷[J]．武汉大学学报·信息科学版,2015 (1):71～76．

[3] 王建波,栾元重,许君一等．小波分析桥梁变形监测数据处理[J]．测绘科学,2012,37(3):79～81．

[4] 吴浩,董元锋,李奎等．灰色系统和分形几何耦合的边坡变形预测模型研究与应用[J]．测绘通报,2014(Z2)．

[5] 韩党军,沈延峰．GPS外业数据质量的影响因素及质量检查[J]．城市建筑,2014(30):315～316．

[6] 秦艳华,郝中豫,谢树明．武汉市地理国情普查数据质量检查内容探讨[J]．城市勘测,2015(4):37～40．

[7] 黄丽霞．GPS、北斗卫星导航系统组合单点定位模型及算法[J]．电子科技,2014(7):23～25．

[8] 谢年,向煜,徐艇伟．基于规则的快速三维建模技术研究[J]．城市勘测,2013(4):5～8．

[9] 韩梦泽,李克昭．GNSS系统发展概况及启示[J]．城市勘测,2014(6):28～31．

[10] 赵正林．有关GPS在桥梁变形监测中的应用[J]．黑龙江科技信息,2012(13):88．

[11] 吴浩,杨剑,黎华．GPS原理及工程安全监测应用[M]．武汉:武汉理工大学出版社,2014．

[12] 张风霜,杨国华．GPS连续观测资料小波变换质量评价探讨[J]．测绘科学,2011,36(6):10～12．

(武汉光谷北斗控股集团有限公司,湖北武汉 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

安庆(1969—),男,硕士,高级工程师,主要从事智慧城市建设工作。

武汉市北斗技术与系统应用示范项目(J15103365)