近年来，我国在修路筑桥方面增加了大量的人力、物力和财力投入，加快桥梁等基础设施建设^[1]。随着各种斜拉桥、悬索桥等大跨度的桥梁相继出现，我国一跃成为世界桥梁大国。但由于老化、超载，以及设计、施工和维护管理不足等原因, 正在运营的大部分桥梁都存在着或轻或重的各种“病患”, 导致我国桥梁安全事故频发^{[2, 3]}。以哈尔滨阳明滩大桥为例，该桥在建成后不到一年垮塌，除了建筑质量原因外，未采取安全监测措施也是没有提早发现隐患的原因之一^[4]。

传统的桥梁安全监测方法有人工光学测量法、连通管法、引张线法等^[5]，但大多数方法自动化程度低、工作量大、观测易受气候和其他外界条件的影响，容易漏掉重要和危险的信号，且数据采集无法在时间上同步等^[6]。基于此，本文系统采用我国自主可控的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)与GIS的集成技术^[7]，设计和研发了一套基于北斗高精度的桥梁形变监测系统，具有全天候、全自动、高精度、高可靠性的特点^[8]，将其运用到武汉白沙洲长江大桥的形变监测上，取得了较好的安全监测效果。

1 形变监测系统硬件布设方案及技术指标

基于北斗高精度的桥梁形变监测系统主要由基准站、监测站、监控中心以及通信网络组成^[9]。基准站是建立在监测站附近的具有稳定基础的位置，作为实时形变监测的参考基准，提供差分数据，主要设备为北斗高精度接收机及天线^[10]。监测站安置在桥梁的关键位置，主要设备包括北斗高精度接收机和天线，通过有线通信网络将实时数据流传至监控中心^[11]。监控中心获取基准站和监测站的观测数据后，利用北斗实时高精度数据处理软件进行形变量获取，并进行图形化显示，提供给该系统。通信网络连接监控中心和基准站、监测站，将基准站、监控站的北斗数据实时传至监控中心^[12]。

1.1 北斗监测点布点方案 1.1.1 北引桥

武汉白沙洲长江大桥北引桥监测范围从11号墩至0号墩，跨径布置为50 m简支T梁+30 m简支T梁+9×40 m简支T梁，共布置了12个断面、22个测点，如图 1所示，图 1中实心三角形为静态测点；空心三角形为动态测点，下文相同。

1至10号墩墩顶布置两个测点，11号墩顶布置1个测点，监测桥墩横向沉降变形，共21个点，均为静态观测点。

在11-10号的50 m跨跨中布置1个断面，监测主梁的变形，共1个点，均为动态观测点。

北斗测点安装在专用支架上，支架距离桥面高度为3 m，支架应具有足够的刚度，确保汽车振动不造成北斗测点的非结构变形振动。

1.1.2 主桥

主桥监测范围为0至5号主墩，共布置19个断面、34个测点，如图 2所示。

主塔塔顶布置1个测点，监测塔顶空间位移，全桥共有两个点，均为动态测点。边墩和辅助墩墩顶各布置两个测点，上下游各1个，监测地基沉降，全桥共8个点，均为静态测点。

边跨监测跨中断面，上游布置1个动态测点，全桥共两个。次主跨监测三分点断面，每断面布置两个测点，上下游各1个，监测主梁变形，全桥共8个点，为动态测点。主跨监测八分点断面，每断面布置两个测点，上下游各1个，监测主梁变形，全桥共14个点，均为动态测点。

1.1.3 南引桥

南引桥监测范围从5号墩至22号墩，跨径布置为17×50 m简支T梁+40 m简支T梁+50 m简支T梁，共布置24个断面，43个测点，如图 3所示。

6至24号墩墩顶均布置两个测点，监测桥墩横向沉降变形，共38个点，均为静态观测点。

在5-6跨、9-10跨、13-14跨、17-18跨、21-22跨(均为50 m跨)跨中各布置1个断面，监测主梁的变形，共5个点，均为动态观测点。

1.2 北斗基准站布点方案

武汉白沙洲长江大桥形变监测采用短基线解算的方式进行，根据桥梁和地表沉降监测范围, 参照国家标准进行站点选址(见表 1)、数据分析，最后结合监测点与备选点的基线长度来合理确定备选点的位置。目前, 受房地产行业发展的影响, 监测桥梁的周边、沿河、沿江地区密集的高层住宅小区严重影响了基准站的可视空间。另外, 土地的商业开发造成基准站建设用地补偿、拆迁补偿及其他经济原因补偿实施困难。因此, 该项目基准站建设用地采用与地方院校、事业性单位合作解决，基准站布点方案见图 4。

1.3 通信网络布设方案

由于本项目监测点数据的最大监测频率为20 Hz，单点数据速率达到22 kB/s, 数据要求传输质量高、时延小、环境适应性强、稳定性好, 故选用光纤作为主要传输媒介。所有桥上的传输连接线加光纤收发器，光纤全部采用1 310 nm的单模光纤。

北斗监测站通过光网络单元(optical network unit, ONU)把监测数据由电信号转化为光信号。由于监测点数量较多，设计使用分光器把监测点光信号数据汇聚后再进行信号传送。每座桥设计使用若干个分光器, 由分光器把汇聚数据通过光纤传送到光线路终端(optical line terminal, OLT)。OLT连接路由器运营商VPN(virtual private network)把监控数据传输到公司数据机房。

考虑工程走线的实施难度，该项目首先把监测点数据汇聚到分光器，分光器放置在其管理监测点的中心位置，和接收机共机柜，每20个监测点汇入一个1分24的分光器。

考虑到监测数据安全和后期职守难度，该项目在桥梁现场即把监测数据接入通信运营商VPN网络，OLT配置的接口板根据需要进行增配。同时，OLT连接路由器，再由路由器通过运营商VPN网络转发所有监测点的原始监测数据到中心机房，进行数据统一处理。

1.4 北斗桥梁形变监测数据中心硬件组成

以云计算技术为基础, 满足武汉白沙洲长江大桥形变监测大数据存储、管理、服务等需求, 未来可面向武汉市大中小型各类桥梁的安全监测要求, 构建北斗桥梁安全监测云数据中心，其主要硬件由服务器群和数据存储组成。

服务器群包括解算服务器、数据库服务器、应用服务器、虚拟化服务器、管理服务器、卫星时钟同步服务器等。数据存储包括数据中心主存储、数据库在线存储、离线存储。该数据中心将来还可以通过云计算无限动态扩展, 服务全武汉市桥梁安全监测的需求。

1.5 主要技术指标

经过测试，该系统的主要技术指标见表 2。

2 形变监测系统的功能设计与开发 2.1 系统软件功能

该系统利用北斗高精度定位技术，提供北斗位置信息的实时采集与动态解算，实现了传统监测方法难以实现的高精度、全天候、全天时、三维立体式形变监测。其主要功能模块分为图形显示模块、实时监测模块、分析评估模块等。

1) 图形显示模块主要是显示桥梁上所有监测站点的位置情况，以三维模式浏览当前桥梁的视图，并可以进行三维相应的操作，如旋转、放大、缩小等。

2) 实时监测模块以曲线、表格、桥梁三维模型的形式，可视化实时监测桥梁测点的三维坐标数据、水平和垂直位移数据、位移变化速率数据、位移水平和垂直加速度数据以及测点历史曲线、位移趋势等。

3) 分析评估模块是在处理、分析测点实时监测数据和历史监测数据的基础上, 对桥梁形变进行安全评价，预测点位在水平和垂直两个方向的位移趋势，并综合考虑测点所在处桥梁部件应力变化等影响因素，对整个桥梁的安全性进行评价，为桥梁管理者提供决策支持。

2.2 系统集成开发模式及应用展示

本系统基于ArcGIS Engine，采用了组件式二次开发模式。ArcGIS Engine是一套完备的嵌入式GIS组件库和工具库，支持包括COM、.NET框架、Java和C⁺⁺等多种开发语言，能够运行在Windows、Linux和Solaris等平台上，可以方便地将GIS功能嵌入到目标开发软件中。桥梁管理者可以通过软件查看监测点的位移实时信息及历史信息, 掌握桥梁的位移变化趋势。根据监测点不同程度的位移情况，系统提供了3个级别的报警, 并可根据不同的报警级别采取不同的处理方式。除了软件界面实时报警之外，系统还可以通过短信和邮件的方式发送报警信息，确保桥梁管理者在任何时间都可以及时掌握桥梁安全状态信息，如图 5所示。

3 结束语

该系统通过综合北斗卫星导航定位、地理信息系统、现代传感、网络通信、信号分析与处理、分析预测及桥梁结构分析等多个领域的先进技术，实现了高精度、高可靠、全天候、全自动、三维立体式形变监测，提高了桥梁安全监测的准确性和预测评估的可靠性，并将其运用在武汉白沙洲长江大桥的形变监测上。实验结果表明，该系统达到了预定的桥梁安全监测效果。该项目的成功实施对保障国家和人民生命财产安全，拉动北斗及相关产业以及促进区域经济发展具有积极的作用。