桥梁健康监测系统解决方案

1、桥梁健康监测系统解决方案上海华测自主研发了一整套以HCMonitor为核心的变形监测系统，曾获得科技进步二等奖，并先后成功应用于润扬大桥、东海大桥、阳逻江大桥、上海长江大桥、闵浦大桥等国家重点项目，实践证明，以HCMonitor为核心的实时形变监测系统是一个非常有效的桥梁监测技术，GNSS能够与其它传感器完美结合用于桥梁健康监测。图为东海大桥（2006年开始运行华测桥梁健康监测系统）背景GNSS自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替（逐渐地）

2、常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程形变监测中也逐步得到广泛的应用。随着社会经济和科学技术的快速发展，造桥技术不断进步，桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展。与此同时桥梁的载重、跨径和桥面宽度不断增长，结构型式不断变化。传统的形变监测手段越来越不能满足形变监测要求，这就迫切需要性能更可靠的桥梁健康监测系统。目前，随着GNSS技术的不断成熟，GNSS自动化监测系统已经在桥梁、建筑、地震、大坝等行业中应用并取得很好的效益。GNSS自动化监测系统仪器以其卓越的性能受到专家的好评。目前，采用GNSS技术用于桥梁等工程形变监测的手段已经被广泛的应用于世界各地。例如：英国

3、Humber桥的GNSS监测系统、日本明石海峡大桥的GNSS监测系统、虎门大桥GNSS监测系统、青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的GNSS监测系统。HCMonitor的系统结构软件结构HCMonitor软件通过网络或串口（RS232，或者CAN总线）获得GNSS的原始数据（载波相位和伪距），对其进行差分处理和滤波，并根据系统设置，实现图形显示、记录、报警、输出、分析。输出的各监测点三维坐标的格式我们会依据客户的要求做相应修改，保证客户端软件正常读取数据。另外软件还提供了一个远程组件，方便用户的二次开发。软硬件平台硬件平台：至强服务器2CPU，4G内存（GNSS专用）软件平台：Windows200

4、8数据库平台：SQL网络平台：十兆或百兆以太网；GNSS所有的应用软件均部署在上述的硬件平台上。必须保证软件在正常工作时CPU的平均使用率不超过60。基本功能和指标1)可对GNSS原始数据进行实时差分处理，数据更新率可达1Hz、5Hz、10Hz、20Hz；2)可根据系统参数设置，对不同的监测站的实时差分结果进行Kalman滤波，达到不同的动态要求和精度要求；3)最多可同时处理多个基站和32个监测站的数据；4)输入接口协议：RS232、CAN、TCP/IP；5)输出接口协议：TCP/IP；6)实时显示基线的变化情况，点位的移动情况等，软件包括如下视图：实时数据视图、实时网图、趋势图、卫星视图、三

5、维视图、数据管理。7)原始数据、解算结果的自动保存功能，可根据用户需求进行设置；8)对监测站、基站接收机的远程设置功能，软件上有各个GNSS接收机的独立监控模块，可以向GNSS接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角等）；9)系统完备性监测功能，可对整个系统的健康状况进行监测，包括软件和硬件，比如，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启；10)每个监控站的监控范围可根据用户设置，相应的精度可从2毫米到1厘米(具体精度还与所使用的GNSS接收机及其天线有关)。11)回放功能。回放功能分为两个层次：原始数据层，软件记录原始数据后，可以任意截取其中

6、部分数据，并根据原始数据重新解算并回放的功能；历史状态层，即根据所选择的时段，对系统的实际工作状态进行回放。12)实时的数据采集的延迟不大于1秒。13)可以调整各个监测站的位置更新率；14)连接数据库，记录用户需要保留的各项信息；记录的内容如下：15)第三方软件接口，用COM组件的方式实现，可实现远程查询、管理、报警；16)报警功能，报警项可根据用户要求设定，可通过短信、电子邮件等方式进行报警。17)权限管理：一般用户只能浏览数据，系统管理员才可能对一些参数进行设置。18)数据分析功能：根据用户要求，对监控点进行频域和时域分析。19)可靠性：724小时持续可靠工作。实时显示各监测点的点位信息H

7、CMonitor的特点（与RTK比较）集成了RTK功能的HCMonitor软件，除了也能采用RTK方法之外，采用其自身与RTK不同的算法后，还具有如下一些特点。算法相比RTK方法而言，HCMonitor的算法具有如下特点：uHCMonitor采用采用同时刻（在1微秒之内）的GNSS原始观测值进行差分解算；而RTK方法不需要差分改正数和流动站的观测数据保持同步，一般的参考站接收机差分改正数广播更新率为1Hz，因此，一般情况下差分改正数会延迟0.5秒到2秒不等，在特别情况下，流动站能允许1分钟之前的差分改正数参与解算；uHCMonitor可以采用扩展的动态非线性Kalman滤波算法（通过系统输入输

8、出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法）进行差分解算。uHCMonitor的算法对系统的硬件要求较高，在高性能计算机上运行，而RTK的算法总是由GNSS接收机生产厂商提供，固化在GNSS接收机内部。精度HCMonitor直接应用GNSS接收机的原始数据，参考站和流动站的观测数据保持严格的同步，所以，大气层延迟造成的公共误差被最大程度地抵消，HCMonitor还采用滤波方法消除GNSS动态定位数据中的各种随机误差，是输出的定位结果更符合真实的情况，所以HCMonitor根据采用的GNSS接收机和GNSS天线的不同，可以保证毫米级的定位精度，而通常的RTK接收机动态定位精度为厘米级。在一个静止点

9、上，采用普通的双频GNSS接收机天线进行RTK进行定位，得到结果如下图所示：可见RTK的定位精度平面在2个厘米之内，高程在4个厘米之内。采用同样的GNSS接收机，在一个静止的点上，观测5个小时的数据，用HCMonitor软件对其进行处理，得到结果如下图所示：可见HCMonitor能显著提高GNSS的定位精度。上图中，平面精度在5mm左右，高程精度在1厘米左右。如采用高精度双频GNSS天线，能更进一步提高其精度。通讯因为HCMonitor仅要求收到GNSS接收机的原始观测数据，所以，原则上，应要求软件（服务器）与GNSS接收机之间仅要求实现单向通讯。而通常的RTK方法，要求参考站和流动站之间进行通讯，又要求流动站和数据中心之间进行通讯。在HCMonitor方式下，流动站的原始数据仅需要一次串口数据通讯和一次网络数据通讯，就可以到达数据中心，参考站可以直接与数据中心服务器相连。系统可靠性RTK通常应用于测量、高精度导航等，对于RTK接收机而言，如GNSS信号发生失锁那么接收机需要重新初始化，求解整周模糊度，从而造成短时间隔内不能正常输出厘米级定位解。而