浅谈基于北斗导航的桥梁健康智能监测系统应用

李燕

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

桥梁健康监测是指通过对服役期间桥梁结构状态的监控与评估，对大桥在运营状况处于异常时发出预警信号，为后期桥梁管理保护提供重要的数据支撑和理论指导。

一、传统桥梁监测存在的不足

传统的桥梁监测有:倾角仪、位移仪、测速仪等通用测量方式。这些测量方式能够适应不同的监测环境，达到一定的测量精度要求，得到桥梁的整体变形状态，但传统测量中普遍存在以下问题：

（一）准确度和便携性等方面存在一定差距。比如位移传感器测试法固然测量精度较高，但通常只能实现单向变形测量；激光干涉仪法，一般只能进行定期的检测，结构物的摇晃或震动较大时很难跟踪目标。

（二）缺少传感器的优化布设方案。为获得桥梁的健康状况，香港青马大桥曾永久性地安置了800多个各种传感器来监测桥梁的健康状况[1]。由此可见在传统的桥梁监测中缺乏对有效传感器的合理布设，采集的原始数据不能及时有效的利用。

（三）注重硬件设施，轻视健康分析。传统的桥梁监测普遍存在对监测硬件设施重视程度大于结果分析的现象，这一点在一些大跨度桥梁监测中尤为明显，尽管实现了大量数据的采集，但存在很大的盲目性，一部分硬件设施并未发挥其作用，造成了资源浪费。

二、基于北斗导航的桥梁监测优势分析

北斗导航系统主要由空间星座、地面控制系统、用户终端设备三部分构。它具有如下优势：

（一）监测空间规模覆盖面大。在高山地区的一些桥梁中，利用北斗导航监测不受地形、环境等因素的影响的特性，对于一些难以通过人工监测的易损区域，能够实现有效监测；

（二）依靠北斗定位技术，准确度高。利用差分定位观测技术，定位精度相对于传统定位技术更加准确。利用卫星技术设置方格网，将点位的中误差作为精度标准更加科学实用[2]；

（三）信息获取高效。全天时覆盖、空间覆盖面广，桥梁监测部门能够实时掌握桥梁各个部分的健康状况，在获知预警信息时，能快速对此信息做出决断，找到相关原因，及时做出桥梁健康维护措施，以保证桥梁的安全性以及人民生命财产安全[3]。

基于以上分析，为更高效、精确地实现对桥梁变形的监测，本文提出了基于北斗导航的桥梁变形智能监测系统的设计框架及其实现方法。

三、桥梁健康智能监测系统简介

（一）系统设计框架及其主要功能

1.系统框架

本系统耦合北斗导航技术和传统桥梁健康监测技术，可全天时、全天候的监测桥梁结构整体行为和智能化评估结构状态等健康状况。

桥梁结构经过长期使用或遭遇突发灾害之后，通过测定其关键性能指标，进而能获取反映结构受力状态的信息，从而对其进行综合分析，得出损伤程度和安全等级，针对相应的结果，制定相应的维护对策。

（二）系统主要功能

1.桥梁易变形部件监测

桥梁上安装有搭载了UM220北斗定位模块的传感器和北斗桥梁健康监测终端，根据北斗卫星全天时、全天候导航定位的特点，能够对桥梁易变形部件进行全天时、监测健康状况。

2.桥梁健康数据采集与存储

数据采集采用有线光纤通信和卫星通信相结合的方式，一方面结合光纤自身抗干扰性强、传输快、传输衰减小的特点，能够使得传向控制中心的数据准确性高、速度快，节约成本；另一方面结合卫星通信的特点，进行数据的实时回传和原始数据更新，保证数据的一致性、准确性和时间同步性。

3.桥梁预警与安全评估

控制中心通过筛选北斗系统及各类传感器获取的监测数据作为安全预警系统的评价指标，用于构建安全预警系统和安全评估系统。预警系统的警报作用便于及时采取灾害预防措施，把风险降到最低。

4.桥梁病害维护

控制中心通过对传感器和北斗终端传输回来的监测数据分析，得出病害出现的位置和病害出现的原因，然后“对症下药”制定相应的对策，以最大程度减轻各种病害对桥梁安全使用寿命和经济财产安全的影响。

（三）系统软件功能设计

1.北斗桥梁健康监测终端的功能

（1）通过终端内的北斗定位模块，实现桥梁部件变形监测数据实时上传，再通过北斗卫星回传至控制中心。

（2）由于要实现数据全天时实时回传，终端配有太阳能电池板，为断电等特殊情况，进行紧急供电。

（四）控制中心的功能

1.接受来自北斗卫星传输回来的桥梁部件变形监测数据信息，全天时实时确定桥梁部件的状态。

2.接受来自传统传感器通过光纤等通信设施传输回来的监测数据，并对这些回传数据进行分析处理。

3.对回传到控制中心的实时监测数据建立数据管理信息系统，对这些数据进行分类、分析、处理、存储以及数据综合分析评价，为后续的桥梁维护、桥梁监测研究以及桥梁安全监测相关部门的决策制定提供数据支持。

4.在桥梁发生预警警报时，通过北斗短报文通信技术将预警部位相关数据发送至后备维护人员的接收终端，指引维护人员立即对预警情况做出问题解决方案并将问题解决方案回传至控制中心。

四、总结

基于北斗导航的桥梁健康智能监测系统，是北斗导航技术与智能传感器相结合的联合体。该系统结合了北斗导航系统和载有北斗定位模块的传感器，能够对桥梁动态实时监测。主要优点如下：

（一）在数据收集子系统中，一方面采用嵌入式系统构架，保证了采集数据的准确性和稳定性，另一方面采用光纤通信和卫星通信相结合的方式，保证了传输数据的精确性和实时性；

（二）采用远程桥梁健康实时监测，避免了作业人员的实地进行勘察、数据采集，提高了桥梁健康的监测实时性，同时保障了人员的人身安全，节约了监测的实际成本；

（三）能够利用数据库的历史数据，对桥梁未来的健康状况进行预测，为经济、社会发展提供保障。

随着科学技术不断的发展，北斗导航桥梁变形监测技术将会有所提高，并在桥梁变形监测中更好的应用，为桥梁变形监测带来更多的优势。