應(yīng)用北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)打造在線變形監(jiān)測預(yù)警平臺
——HTSG變形監(jiān)測解決方案助力云南高原山區(qū)公路、橋梁遠(yuǎn)程無人值守實時監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

張 永，羅樹江，吳 迪

(廣州中海達(dá)定位技術(shù)有限公司，廣東 廣州 511400)

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中海達(dá)·開啟智時代

應(yīng)用北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)打造在線變形監(jiān)測預(yù)警平臺
——HTSG變形監(jiān)測解決方案助力云南高原山區(qū)公路、橋梁遠(yuǎn)程無人值守實時監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

張 永，羅樹江，吳 迪

(廣州中海達(dá)定位技術(shù)有限公司，廣東 廣州 511400)

一、引 言

云南省公路網(wǎng)里程近30 000 km，其中中橋以上橋梁2000座，危險性較大路段3400余處。對這些重要路段和構(gòu)造物進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控是非常必要的。

中海達(dá)“安全衛(wèi)士”在線變形監(jiān)測預(yù)警平臺(HTSG)基于北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)，可以全天候、實時采集公路、橋梁、邊坡及隧道的位移形變數(shù)據(jù)，并能根據(jù)預(yù)設(shè)的各等級預(yù)警值向控制中心發(fā)送預(yù)警信息，從而為云南省路網(wǎng)安全提供強有力的技術(shù)支撐。該系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確表達(dá)監(jiān)測點的工作狀態(tài)，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并提出初步風(fēng)險評價，還能多渠道多形式適時分級發(fā)布報警信息，從而為運行單位隨時隨地掌握公路安全狀況、橋梁健康狀況、邊坡安全狀況和決策部門在關(guān)鍵時刻的決策分析提供堅實的技術(shù)支持與信息參考。

二、關(guān)鍵技術(shù)

該項目采用中海達(dá)的VNet8作為GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收機。北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)作為HTSG的核心技術(shù)，應(yīng)用了包括北斗/GPS高精度天線技術(shù)、北斗/GPS雙系統(tǒng)融合捕獲與跟蹤算法技術(shù)、單歷元解算、多網(wǎng)融合通信等一系列高新技術(shù)。

1.北斗兼容型高精度位移監(jiān)測設(shè)備

北斗兼容型高精度位移監(jiān)測設(shè)備的研制至少需要突破幾個關(guān)鍵技術(shù)問題：

1) 北斗/GPS高精度天線技術(shù)。

2) 北斗/GPS雙系統(tǒng)融合捕獲與跟蹤算法技術(shù)。

3) 北斗/GPS雙系統(tǒng)融合高精度雙模芯片技術(shù)。

2.單歷元解算

基于北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)將采用單歷元解算技術(shù)來求解位移形變信息。

在GNSS變形監(jiān)測中，監(jiān)測站在固定時間段內(nèi)變形量有限，即使是變形速率最快的橋梁變形監(jiān)控，在若干歷元的時間段內(nèi)也可認(rèn)為監(jiān)測站靜止，因此在這個固定時間段內(nèi)可通過快速靜態(tài)觀測的方法求解載波相位模糊度。根據(jù)監(jiān)測站可以事先通過靜態(tài)觀測的方法得到一個比較準(zhǔn)確的概率值，并且變形量始終保持在一定的范圍內(nèi)，因此可以通過附加監(jiān)測站位置先驗條件來縮小模糊度搜索空間，加速模糊度的正確固定。

而當(dāng)觀測衛(wèi)星數(shù)大于4顆時，即可單歷元求解監(jiān)測站的變形信息，實際工程應(yīng)用中，由于多路徑效應(yīng)等的影響，某些衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)存在異常，造成計算出的變形信息出現(xiàn)偏差；另外，根據(jù)LAMBDA算法固定出的模糊度也很難保證所有衛(wèi)星的模糊度正確。因此，有必要在單歷元定位時用抗差模型降低異常觀測值的權(quán)，抑制粗差對定位結(jié)果的影響。

3.多網(wǎng)融合通信技術(shù)

通信系統(tǒng)主要包括北斗兼容型移動站至北斗兼容型基準(zhǔn)站解算中心的鏈路，以及北斗兼容型基準(zhǔn)站解算中心的鏈路至遠(yuǎn)程控制中心的鏈路。

考慮到高原山區(qū)野外作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多樣性，整個網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)所涉及的通信方式將更加多元化，應(yīng)用多網(wǎng)融合通信技術(shù)可實現(xiàn)包含北斗通信、光纖、無線網(wǎng)橋、網(wǎng)口通信、3G、電臺通信、GPRS、Internet等通信方式。

三、測試與應(yīng)用

中海達(dá)的技術(shù)和產(chǎn)品特性滿足了該項目實施的指標(biāo)要求，在云南高原山區(qū)公路、橋梁遠(yuǎn)程無人值守實時監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，也保證了系統(tǒng)建設(shè)工作保質(zhì)保量的完成。該項目南盤江大橋某站點監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)如圖1所示。

由圖1可以看出，南盤江大橋監(jiān)測站點3 d的定位結(jié)果數(shù)據(jù)抖動情況均在20 mm以內(nèi)，結(jié)合GNSS解算精度和橋梁本身震動情況，該結(jié)果符合真實情況，滿足橋梁監(jiān)測精度要求。

圖1 南盤江大橋監(jiān)測站點定位結(jié)果數(shù)據(jù)

四、應(yīng)用開發(fā)

為了更好地應(yīng)用北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)，更好地服務(wù)于云南省公路橋梁安全運營與管理，HTSG還具有以下功能：

1) 基于百度地圖API，將公路局轄內(nèi)公路橋梁分布信息、預(yù)警信息疊加顯示在百度地圖上，從而直觀顯示平臺系統(tǒng)整體運行情況。

2) 實時展示所有橋梁監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過曲線圖、數(shù)據(jù)列表、文字等形式展示所有監(jiān)測站點的實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，支持用戶從Web系統(tǒng)中下載歷史數(shù)據(jù)。

3) 集成了滲壓計、物位計、傾斜儀、裂縫計、風(fēng)速儀、雨量計、壓力盒、滲流計等多種智能傳感器，可實時監(jiān)測邊坡的多個維度形變數(shù)據(jù)，為公路邊坡監(jiān)測與科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

4) 系統(tǒng)用戶權(quán)限結(jié)合行政區(qū)劃，為不同行政級別的用戶分配不同權(quán)限的賬號，以便系統(tǒng)運維管理科學(xué)有序進(jìn)行。

5) 當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值時，系統(tǒng)預(yù)警可采用短信、郵件、聲光等方式，將預(yù)警信息實時推送給用戶，為科學(xué)治理公路橋梁險情爭取時間。

五、結(jié)束語

北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)通過在云南高原山區(qū)公路橋梁、邊坡遠(yuǎn)程無人值守實時監(jiān)測與預(yù)警的示范應(yīng)用，不斷完善位移監(jiān)測終端產(chǎn)品，并進(jìn)行規(guī)模化生成，逐步在全國范圍內(nèi)的公路橋梁、邊坡領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。

而通過接入其他智能傳感器，即可將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、礦山邊坡位移監(jiān)測、尾礦庫位移監(jiān)測、礦山采空區(qū)沉陷監(jiān)測、水庫大壩位移監(jiān)測、堤防渠道位移監(jiān)測、深基坑及周邊影響區(qū)位移監(jiān)測、高層建筑及大型場館健康監(jiān)測、地震監(jiān)測、電力設(shè)施安全監(jiān)測等領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。北斗終端產(chǎn)品的量產(chǎn)，將加快北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈中上游企業(yè)的高速發(fā)展，有助于優(yōu)化北斗產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，為本產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點。

(本專欄由中海達(dá)和本刊編輯部共同主辦)