基于GNSS和傳感技術的橋梁安全監測系統設計

安慶,江博,吳樹森

(1.武漢光谷北斗控股集團有限公司,武漢 430206;2.華中科技大學,武漢 430074)

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基于GNSS和傳感技術的橋梁安全監測系統設計

安慶1,江博1,吳樹森2

(1.武漢光谷北斗控股集團有限公司,武漢 430206;2.華中科技大學,武漢 430074)

基于高精度GNSS和傳感集成技術, 設計了一套橋梁安全監測系統,以武漢知音橋為應用示范,通過接收GNSS衛星定位信號及參考站的差分信號,以及各種傳感器實時采集的各種數據和信號,經過數據處理和精密解算,實現了對橋梁的實時形變監測、綜合分析、預警預測及健康評估等功能。其中,橋梁形變定位精度達到了實時厘米級,事后毫米級,該系統的應用顯著提高了橋梁安全監測的準確性和預測評估的可靠性。

橋梁安全監測;GNSS;傳感技術;監測站

0 引 言

近年來,我國在修路筑橋方面增加了大量的人力、物力和財力投入,加快橋梁等基礎設施建設,各種斜拉橋、懸索橋等大跨度的橋梁相繼出現,使我國一躍成為世界橋梁大國[1]。由于橋體在運行期間會受到行車荷載、風力、溫度以及突發的自然災害等外界因素的影響,以及混凝土收縮徐變、老化、碳化、鋼筋松弛、銹蝕、墩臺基礎沉降等內在因素的影響[2]。在內外因素的影響之下,橋梁將會產生幾何、內力和索力變化等[3]。如果這些變化過大,超過了橋梁能夠承受的安全范圍, 將會產生災難性的后果。因此,對橋梁采用安全監測,及早發現安全隱患十分必要。

傳統的監測方法通常是利用全站儀和水準儀對橋梁關鍵點分別進行水平和垂直位移的測定,然后對測量的數據進行分析[4]。這種測量的方式不僅工作量大,過程復雜,并且具有一定的局限性,很難滿足橋梁預警管理的要求[5]。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。本項目以武漢知音橋為應用示范,設計和實現了一套基于GNSS和傳感技術的橋梁安全監測系統,它具有全天候、全自動、高精度、高可靠的特性,為橋梁的健康評估和預測提供了可視化數據,同時也為橋梁管理者提供了決策依據[7]。

1 監測站布點方案

GNSS橋梁監測站分布于知音橋橋體上的各個監測位置,本項目設計分別在橋墩墩頂和跨中位置布設GNSS監測站,用于完成知音橋橋體位移、橋面傾斜、橋墩沉降/傾斜和撓度的監測。

知音橋主橋為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,如圖1所示。

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跨跨中布置1個測點,監測主梁變形,為動態測點。

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。

圖1 知音橋GNSS測點布置立面圖

3) 測點匯總

全橋共31個測點,其中主橋共20個,引橋共11個,如表1所示。

表1 知音橋測點匯總表

2 傳感器布點方案

2.1 撓度監測布點

知音橋監測系統共布設撓度監測點46個,采用壓差式變形測量傳感器進行監測。其中,主橋測點22個,引橋測點24個。測點具體分布情況:5號墩往漢口方向在剛構懸臂的1/2處布設一個測點,牛腿處布設一個測點,邊掛梁1/2處布設一個測點。6號墩往漢陽方向在剛構懸臂的1/2處布設一個測點,牛腿處布設一個測點,邊掛梁1/2處布設一個測點;測點均布設在箱梁內室外側,兩幅主橋對稱布設,共12個測點。5號墩與6號墩之間在1/4跨、跨中、3/4跨各布設一個測點,共6個測點。另外4個基點布設在5號和6號墩頂,上、下流橋幅對稱分布。

引橋每跨跨中布設一個測點,共計16個測點;在1、2號墩跨中和8、9號墩跨中布設轉點,上、下流橋幅對稱分布,共計4個;0號墩臺和11號墩臺各設一個基點,上、下流橋幅對稱分布,共計4個基點。

數據采集儀配置:數據采集儀選用多通道綜合數據采集儀,配置8和16通道數據采集儀各2個,其中上、下流側各配置1個8通道和1個16通道數據采集儀。

撓度監測傳感器具體布點位置如圖2所示.

圖2 知音橋撓度監測立面圖

2.2 上部結構應力應變布點

上部結構應力應變監測主要針對橋梁各個受力構件的受力大小及分布變化,能夠最直接地反映結構的健康狀況。

知音橋監測系統共布設上部結構應力應變監測點158個,采用FS-BM15型表面式應變計進行。其中,主橋測點78個、引橋測點80個,上、下流橋幅對稱分布,各79個測點。測點具體分布情況:主橋單幅5號墩往漢口方向在剛構懸臂的1/2處,箱梁每個室內布設3個測點,上面2個,下面1個,共6個;邊掛梁1/2處布設5個測點。6號墩往漢陽方向在剛構懸臂的1/2處每個室內布設3個測點,上面2個,下面1個,共6個;邊掛梁1/2處布設5個測點。5號墩與6號墩之間在1/4跨、3/4跨各布設6個測點;跨中布設5個測點;單幅39個測點,主橋共78個測點。引橋每跨跨中單幅布設5個測點,單幅40個測點,引橋共80個測點。

數據采集儀配置:數據采集儀選用多通道振弦采集儀,配置10臺16通道振弦采集儀,上、下流橋幅各均勻布置5臺。

上部結構應力應變監測點具體布點位置如圖3所示。

圖3 知音橋應變應力監測立面圖

2.3 環境溫濕度監測布點方案

知音橋監測系統共布設環境溫濕度監測點2個,分別監測主橋箱梁內外的溫濕度,采用FS-WSD-01型溫濕度計進行監測。溫濕度監測點布設位置:主橋跨中截面的箱梁及箱梁外各一個測點。

撓度監測傳感器接入的2臺16通道綜合數據采集儀各有1個通道,2個溫濕度傳感器分別接入該預留通道。

環境溫濕度監測點具體布點位置如圖4所示。

圖4 知音橋溫濕度監測立面圖

2.4 裂縫監測布點方案

知音橋監測系統共布設裂縫監測點12個,采用FS-LF200型裂縫計進行監測。裂縫監測位置為主橋箱梁根部布置一個,共8個測點;另外根據橋梁實際裂縫情況布設4個測點。

數據采集儀配置:數據采集儀選用多通道綜合數據采集儀,配置4通道和8通道綜合數據采集儀各1個。裂縫監測點布點位置如圖5所示。

圖5 知音橋裂縫監測立面圖

2.5 支座位移監測布點方案

支座位移監測主要是對架設于墩臺上支座進行位移監測。

知音橋監測系統共布設支座位移監測點8個,采用線性電位計式位移計進行監測。監測點位置:橋梁每個牛腿處布設1個測點,共8個測點。

數據采集儀配置:數據采集儀選用多通道綜合數據采集儀,配置8通道綜合數據采集儀各1個。

支座位移監測具體布點位置如圖6所示。

圖6 知音橋支座位移監測立面圖

3 參考站布點方案

參考站由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份構成。其中觀測墩和防雷系統兩個部份,需根據現場環境進行建設,其它部份均為標準產品。

知音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了GNSS參考站的位置,如表2所示。

表2 知音橋GNSS參考站信息表

4 知音橋監測數據傳輸鏈路設計方案

本項目中數據傳輸鏈路整體分為兩個部分:知音橋橋體數據傳輸和GNSS參考站數據傳輸。其中,知音橋橋體監測數據包括GNSS衛星定位數據、壓差式變形測量傳感器數據、溫濕度計、位移計、應變計、裂縫計等多種傳感器監測數據。其中,GNSS監測點31個,數據采樣頻率10 Hz,存儲頻率10 Hz,單個監測點數據速率達到22 kb/s;整橋數據的傳輸質量要求高、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。壓差式變形傳感器、位移計、應變計、裂縫計等傳感器的數據同樣也利用光纖傳輸。

GNSS高精度接收機和傳感器數據采集儀數據通過串口輸出,經串口服務器轉成網口,再由光網絡單元(ONU)轉換成光信號,橋上所有監測數據信號經光匯聚后通過專線或VPN傳輸至中心機房。

知音橋橋體監測點數量多,放置GNSS高精度接收機和數據采集儀的設備箱布置較分散,考慮到光纖布設走線的實施難度,可先把光網絡單元(ONU)的光纖匯聚分別到若干個分光器,再由分光器將光信號通過光纖傳輸到光線路終端(OLT)。分光器數量和放置位置可根據橋梁結合及光纖布線實際情況確定,一般放置在其接入的所有監測點(ONU)的中心位置,可與靠近中心位置的設備箱共柜。

對于4個GNSS參考站,其數據傳輸經過交換機、防火墻,通過VPN與云中心連結。

本項目數據傳輸方案如圖7所示。

圖7 知音橋監測數據傳輸鏈路圖

5 系統實現

5.1 系統集成開發模式

本系統采用基于GIS組件的二次開發模式,其中GIS組件選擇ESRI的MapObjects。該種方式的優點是具有高效、集成、靈活的特點[8],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。它既可以充分利用GIS工具軟件對空間數據庫的管理、分析功能,又可以利用其它可視化開發語言具有的高效、方便等編程優點[9-10]。這樣,不僅能大大提高應用系統的開發效率,而且開發出來的應用程序具有更好的外觀效果,更強大的數據庫功能,并且可靠性好、易于移植、便于維護[11]。

5.2 系統軟件功能

該系統能夠提供良好的人機交互界面,便于使用者操作,包括各項監測參數數據的管理、分析,具有以下功能:

1) 對各類不同參數的測試數據進行綜合管理:解決了管理人員需要面對多類采集系統的困難,只需從統一的數據庫中調取信息即可。

2) 傳感器信息的描述記錄:可錄入傳感器的埋設位置、設備位置及編號等信息,記錄與工程相關的信息,便于傳感器的管理。

3) 能夠對硬件系統進行遠程控制:綜合管理系統結合智能儀器,可遠程調整測試參數,避免傳統儀器以及系統因為進行參數改變而必須進入橋梁現場的問題。

4) 能夠對測試數據進行預處理:主要功能有數據的過濾、數據壓縮、數據分類等功能,為后續的自動分析和人工分析提供良好的信息源。

5) 各階段數據的顯示:可以顯示實時監控的數據,也可將歷史數據調出進行顯示,或對幾種參數同時進行顯示分析。

6) 數據分析功能:主要對數據進行各類分析處理,主要有:數據的統計分析、結構參數識別、結構的安全評估等功能。

7) 自動報表功能:可根據系統自動或者人工分析的結果,自由選擇自動生成各類型報表。

8) 系統管理的安全保障:為保障橋梁在線安全監測系統的安全運行,對不同管理者提供不同的權限,對用戶身份進行驗證,所提供的功能有查看、檢索、修改、增加和刪除等不同操作。

5.3 主要技術指標

經測試,橋梁形變位移監測主要技術指標，如表3所示。

表3 主要技術指標

6 結束語

橋梁安全監測系統將GNSS實時獲取高精度空間信息和各類傳感器技術進行了集成,實現了對橋梁運營和維護的實時監測、綜合分析和預警預測等諸多功能,對提早發現橋梁的安全隱患,并采取相應的應急措施起到了非常重要的作用。該系統的設計和實現,不僅有利于橋梁安全的優化升級,也有利于地球空間信息產業的應用推進和發展。此外,該系統不僅能應用于橋梁的安全監測,還能廣泛應用于滑坡等地質災害監測,以及高邊坡、港口、船塢、礦山、大壩和高層建筑的健康監測,具有較大的實用和推廣價值。

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Design of Bridge Safety Monitoring System Based on GNSS and Sensor Technology

AN Qing1, JIANG Bo1,WU Shusen2

(1.WuhanOpticsValleyBeiDouHoldingsGroupCo.,LTD,Wuhan430206,China; 2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Based on GNSS and sensor integration technology, the paper designed a set of bridge safety monitoring system, and took Wuhan Zhiyinqiao Bridge as the application demonstrate。 It achieved a series of functions, such as the real-time deformation monitoring, comprehensive analysis,threshold warning and health assessment through data processing and accurate calculating by receiving GNSS satellite positioning signal, the differential signal of the base station.and all sorts of real-time data and signal which collected by all kinds of sensors. Among them, The Real-time positioning accuracy of the system is centimeter level, and the afterwards positioning accuracy is millimeter level.The application of the system can improve the reliability of forecast evaluation and the accuracy of bridge safety monitoring significantly.

Bridge safety monitoring; global navigation satellite system; sensor technology; monitoring station

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.022

2016-04-20

知音橋安全監測項目(編號:J15103365-3063)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0107-06

安慶 (1969-),男,高級工程師,主要從事3S集成關鍵技術研究與應用。

江博 (1980-),男,高級工程師,研究方向為地理信息系統。

吳樹森 (1965-),男,教授,研究方向為材料成形工藝技術，輕合金材料及金屬基復合材料等。

聯系人： 安慶 E-mail: 490756729@qq.com