橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

上海華測自主研發(fā)了一整套以HCMonitor為核心的變形監(jiān)測系統(tǒng)，曾獲得科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，并先后成功應(yīng)用于潤揚(yáng)大橋、東海大橋、陽邏江大橋、上海長江大橋、閔浦大橋等國家重點(diǎn)項(xiàng)目，實(shí)踐證明，以HCMonitor為核心的實(shí)時(shí)形變監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)非常有效的橋梁監(jiān)測技術(shù)，GNSS能夠與其它傳感器結(jié)合用于橋梁健康監(jiān)測。
 

圖為東海大橋（2006年開始運(yùn)行華測橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)）

背景

GNSS自八十年代中期投入民用后，已廣泛地在導(dǎo)航、定位等各領(lǐng)域應(yīng)用，尤其在測量界的控制測量中起了劃時(shí)代的作用。正因?yàn)槭撬陟o態(tài)相對(duì)定位中的高精度、益、全天候、不需通視等優(yōu)點(diǎn)，使人們普遍采用其來代替（逐漸地）常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、實(shí)踐中取得了可喜的成果。在精密工程形變監(jiān)測中也逐步得到廣泛的應(yīng)用。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，造橋技術(shù)不斷進(jìn)步，橋梁結(jié)構(gòu)逐步向輕巧、纖細(xì)方面發(fā)展。與此同時(shí)橋梁的載重、跨徑和橋面寬度不斷增長，結(jié)構(gòu)型式不斷變化。傳統(tǒng)的形變監(jiān)測手段越來越不能滿足形變監(jiān)測要求，這就迫切需要性能更可靠的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。目前，隨著GNSS技術(shù)的不斷成熟，GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在橋梁、建筑、地震、大壩等行業(yè)中應(yīng)用并取得很好的效益。GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)儀器以其的性能受到專家的好評(píng)。

目前，采用GNSS技術(shù)用于橋梁等工程形變監(jiān)測的手段已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于世界各地。例如：英國Humber橋的GNSS監(jiān)測系統(tǒng)、日本明石海峽大橋的GNSS監(jiān)測系統(tǒng)、虎門大橋GNSS監(jiān)測系統(tǒng)、青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋的GNSS監(jiān)測系統(tǒng)。

HCMonitor的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)

HCMonitor軟件通過網(wǎng)絡(luò)或串口（RS232，或者CAN總線）獲得GNSS的原始數(shù)據(jù)（載波相位和偽距），對(duì)其進(jìn)行差分處理和濾波，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)圖形顯示、記錄、報(bào)警、輸出、分析。輸出的各監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)的格式我們會(huì)依據(jù)客戶的要求做相應(yīng)修改，保證客戶端軟件正常讀取數(shù)據(jù)。

另外軟件還提供了一個(gè)遠(yuǎn)程組件，方便用戶的二次開發(fā)。

軟硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)：至強(qiáng)服務(wù)器 2CPU，4G內(nèi)存（GNSS）

軟件平臺(tái)：Windows2008

數(shù)據(jù)庫平臺(tái)：SQL

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)：十兆或百兆以太網(wǎng)；

GNSS所有的應(yīng)用軟件均部署在上述的硬件平臺(tái)上。必須保證軟件在正常工作時(shí)CPU的平均使用率不超過60％。

基本功能和指標(biāo)

1) 可對(duì)GNSS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，數(shù)據(jù)更新率可達(dá)1Hz、5Hz、10Hz、20Hz；

2) 可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，對(duì)不同的監(jiān)測站的實(shí)時(shí)差分結(jié)果進(jìn)行Kalman濾波，達(dá)到不同的動(dòng)態(tài)要求和精度要求；

3) 可同時(shí)處理多個(gè)基站和32個(gè)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)；

4) 輸入接口協(xié)議：RS232、CAN、TCP/IP；

5) 輸出接口協(xié)議：TCP/IP；

6) 實(shí)時(shí)顯示基線的變化情況，點(diǎn)位的移動(dòng)情況等，軟件包括如下視圖：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)視圖、實(shí)時(shí)網(wǎng)圖、趨勢(shì)圖、衛(wèi)星視圖、三維視圖、數(shù)據(jù)管理。

7) 原始數(shù)據(jù)、解算結(jié)果的自動(dòng)保存功能，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)置；

8) 對(duì)監(jiān)測站、基站接收機(jī)的遠(yuǎn)程設(shè)置功能，軟件上有各個(gè)GNSS接收機(jī)的獨(dú)立監(jiān)控模塊，可以向GNSS接收機(jī)發(fā)送用戶更改參數(shù)的命令（如采樣間隔、高度截止角等）；

9) 系統(tǒng)完備性監(jiān)測功能，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測，包括軟件和硬件，比如，一旦某個(gè)監(jiān)測站出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，軟件馬上會(huì)通過數(shù)據(jù)信號(hào)觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)接收機(jī)自動(dòng)重啟；

10)每個(gè)監(jiān)控站的監(jiān)控范圍可根據(jù)用戶設(shè)置，相應(yīng)的精度可從2毫米到1厘米(具體精度還與所使用的GNSS接收機(jī)及其天線有關(guān))。

11)回放功能。回放功能分為兩個(gè)層次：原始數(shù)據(jù)層，軟件記錄原始數(shù)據(jù)后，可以任意截取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)，并根據(jù)原始數(shù)據(jù)重新解算并回放的功能；歷史狀態(tài)層，即根據(jù)所選擇的時(shí)段，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行回放。

12)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集的延遲不大于1秒。

13)可以調(diào)整各個(gè)監(jiān)測站的位置更新率；

14)連接數(shù)據(jù)庫，記錄用戶需要保留的各項(xiàng)信息；記錄的內(nèi)容如下：

15)第三方軟件接口，用COM組件的方式實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢、管理、報(bào)警；

16)報(bào)警功能，報(bào)警項(xiàng)可根據(jù)用戶要求設(shè)定，可通過短信、電子郵件等方式進(jìn)行報(bào)警。

17)權(quán)限管理：一般用戶只能瀏覽數(shù)據(jù)，系統(tǒng)管理員才可能對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

18)數(shù)據(jù)分析功能：根據(jù)用戶要求，對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行頻域和時(shí)域分析。

19)可靠性：7×24小時(shí)持續(xù)可靠工作。
 

實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位信息

HCMonitor的特點(diǎn)（與RTK比較）

集成了RTK功能的HCMonitor軟件，除了也能采用RTK方法之外，采用其自身與RTK不同的算法后，還具有如下一些特點(diǎn)。

算法

相比RTK方法而言，HCMonitor的算法具有如下特點(diǎn)：

u HCMonitor采用采用同時(shí)刻（在1微秒之內(nèi)）的GNSS原始觀測值進(jìn)行差分解算；而RTK方法不需要差分改正數(shù)和流動(dòng)站的觀測數(shù)據(jù)保持同步，一般的參考站接收機(jī)差分改正數(shù)廣播更新率為1Hz，因此，一般情況下差分改正數(shù)會(huì)延遲0.5秒到2秒不等，在特別情況下，流動(dòng)站能允許1分鐘之前的差分改正數(shù)參與解算；

HCMonitor可以采用擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)非線性Kalman濾波算法（通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化估計(jì)的算法）進(jìn)行差分解算。

HCMonitor的算法對(duì)系統(tǒng)的硬件要求較高，在高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，而RTK的算法總是由GNSS接收機(jī)生產(chǎn)廠商提供，固化在GNSS接收機(jī)內(nèi)部。

精度

HCMonitor直接應(yīng)用GNSS接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)，參考站和流動(dòng)站的觀測數(shù)據(jù)保持嚴(yán)格的同步，所以，大氣層延遲造成的公共誤差被抵消，HCMonitor還采用濾波方法消除GNSS動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)中的各種隨機(jī)誤差，是輸出的定位結(jié)果更符合真實(shí)的情況，所以HCMonitor根據(jù)采用的GNSS接收機(jī)和GNSS天線的不同，可以保證毫米級(jí)的定位精度，而通常的RTK接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位精度為厘米級(jí)。

在一個(gè)靜止點(diǎn)上，采用普通的雙頻GNSS接收機(jī)天線進(jìn)行RTK進(jìn)行定位，得到結(jié)果如下圖所示：
 

可見RTK的定位精度平面在2個(gè)厘米之內(nèi)，高程在4個(gè)厘米之內(nèi)。

采用同樣的GNSS接收機(jī)，在一個(gè)靜止的點(diǎn)上，觀測5個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，用HCMonitor軟件對(duì)其進(jìn)行處理，得到結(jié)果如下圖所示：

可見HCMonitor能顯著提高GNSS的定位精度。上圖中，平面精度在5mm左右，高程精度在1厘米左右。如采用高精度雙頻GNSS天線，能更進(jìn)一步提高其精度。
 

通訊

因?yàn)?/span>HCMonitor僅要求收到GNSS接收機(jī)的原始觀測數(shù)據(jù)，所以，原則上，應(yīng)要求軟件（服務(wù)器）與GNSS接收機(jī)之間僅要求實(shí)現(xiàn)單向通訊。而通常的RTK方法，要求參考站和流動(dòng)站之間進(jìn)行通訊，又要求流動(dòng)站和數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行通訊。

在HCMonitor方式下，流動(dòng)站的原始數(shù)據(jù)僅需要一次串口數(shù)據(jù)通訊和一次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，就可以到達(dá)數(shù)據(jù)中心，參考站可以直接與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器相連。

系統(tǒng)可靠性

RTK通常應(yīng)用于測量、高精度導(dǎo)航等，對(duì)于RTK接收機(jī)而言，如GNSS信號(hào)發(fā)生失鎖那么接收機(jī)需要重新初始化，求解整周模糊度，從而造成短時(shí)間隔內(nèi)不能正常輸出厘米級(jí)定位解。而HCMonitor專為形變監(jiān)測而設(shè)計(jì)，適用于橋梁、大壩、礦區(qū)、滑坡等的形變監(jiān)測，軟件能長時(shí)間持續(xù)可靠工作，諸如RTK經(jīng)常需要重新初始化等缺點(diǎn)在HCMonitor里并不存在。HCMonitor軟件運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)上，整個(gè)計(jì)算功能可以設(shè)計(jì)成冗余模式，增加系統(tǒng)的可靠性，而RTK方法不能實(shí)現(xiàn)類似的功能。

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