北斗桥梁变形监测系统建设方案V2.0.docx

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1、<p>北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 北斗桥梁变形监测系统 建设方案 目录 1 概述 1.1 项 目背景 . 1 1.2 项 目目 的 及意义 . 2 2 北斗 卫 星系 统 监测 工 作原 理 和应 用 概况 . 3 2.1 工 作原理 . 3 2.2 北 斗应 用 于变 形 监测 的 优势 . 4 2.3 卫 星导 航 系统 在 国内 外 桥梁 监 测中 的 应用 概 况 . 4 3 北斗 桥 梁变 形 监测 系 统设计 . 8 3.1 设 计依据 . 8 3.2 设 计原则 . 8 3.3 设 计功能 . 9 3.4 系 统总 体 设计 . 9 3.4.1 系 统性能

2、 . 10 3.4.2 系 统技 术 参数 . 11 3.5 监 测点 位 设计 . 11 3.5.1 基 准点 设 计 . 11 3.5.2 监 测点 设 计 . 16 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 3.6 数 据中 心 设计 . 18 3.7 通 讯系 统 设计 . 20 3.7.1 GNSS 接收 机 到桥 梁 机柜交 换 机 . 20 3.7.2 机 柜交 换 机到 数 据中心 . 21 3.8 供 电系 统 设计 . 21 3.9 防 雷设计 . 24 3.10 数 据 处理 系 统设计 . 26 4 北斗 变 形监 测 软件 介 绍 . 28 4.1 软 件结构 . 28

3、 4.2 软 硬件 平 台 . 28 4.3 基 本功 能 和指标 . 29 5 北斗 接 收机 介 绍 . 31 项目合作，请联系 QQ： 124751426 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 1 概述 1.1 项目背景 大桥全长 1296.32m,桥型布置为：主桥为 7 60m 刚架拱 +(80+90+80)m 中承式拱 +5 60m 刚架拱。 设计荷载标准：汽车 -20 级，挂车 -100，人群荷载为 3.5kN/m2。桥面净宽：净 -15+2 2.4m 非机动车道。 上部结构构造：刚架拱净跨径为 60m，矢跨比为 1/7，墩中距 70m，设悬臂式墩帽。 下部结构构造：中承式拱及刚

4、架拱的交界墩采用沉井基础，其他墩采 用桩基承台配空心墩，桥台采用组合式台。大桥刚架拱桥型布置见图 1-2。 大桥刚架拱桥型布置图 (单位： cm) 大桥运营 12 年来，由于车流量的不断增加，加之超限车辆的反复碾压， 项目合作，请联系 QQ： 124751426 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 该桥多处部位出现不同程度的病害，已直接影响到过往行人及车辆的安全。 根据公路桥涵养护规范 (JTGH11-2004)第 3.3.3 条有关规定，为及 时掌握桥梁各主要承重构件在运营过程中的变形情况，排除技术状况调查 中各种疑虑，建议对一些大桥、特大桥、拱桥、重要特殊的桥梁建立长期 监测系统，并定

5、期进行桥梁变形监测。 1.2 项目目的及意义 为确保大桥的正常运行，分析和总结大桥变形规律、发展趋势，研究 大桥运营中各种因素对大桥变形的影响情况，以便更好地对桥梁 进行养护， 需对桥梁进行实时变形监测。桥梁变形监测的意义主要表现在以下方面： 1、掌握桥梁在荷载反复作用下有无沉降发生 （ 特别是不均匀沉降 ） 。 2、掌握桥梁线形变化情况，并根据桥面线形的测试结果推断梁体有无 出现下挠，整体刚度有无出现弱化。挠度是桥梁结构最重要及最直观的指 标之一。桥梁结构由于主要部位出现缺损、缺陷， 如裂缝、锈蚀、错位、 沉降及混凝土的收缩等，挠度将发生变化，通过挠度长期监测，保证结构 的安全性。 3、判断

6、桥台有无继续发生沉降，对桥台基础加固后的状态进行跟踪。 4、可以了解桥梁现有病害的发展趋势、对桥梁安全运营的影响程度， 根据监测数据针对性的制定出养护方案。 5、进一步完善和建立、健全现有的桥梁管理系统， 建立和积累必要的技术档案资 料，提高桥梁管理技术水平。 6、可以验证大桥设计及施工的合理性，结构分析与模型实验的正确性， 为今后设计中重要参数的选取和设计方法提供有用的反馈信息。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 2 北斗卫星系统监测工作原理和应用概况 2.1 工作原理 北斗卫星导航系统 (BeiDou Navigation Satellite System， BDS)是中国自 行研制

7、的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统 （ GPS） 、俄罗斯格洛 纳 斯卫星导航系统 （ GLONASS） 之后第三个成熟的卫星导航系统，是全球 卫星 导航系统 （ Global Navigation Satellite System， GNSS） 的重要组成部分。 北斗 系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，星座部署完成后，可在 全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、 授时 服务，并具有短报文通信能力，定位精度 10 米，测速精度 0.2 米 /秒， 授时精度 10 纳秒。 北斗卫星导航变形监测系统主要采用差分相对定位的方法进行实时位 置解算，通过分析定位信息

8、确定监测对象是否产生位移。差分是 2 个或多 个测站之间的相对定位，如图 1-1 所示，如果 A 和 B 两点在同一时间内观 测了相同的一组卫星 （ 至少四颗 ） 。而且 A 是一个已知点，通过通讯数据链 路，把原始改正信息传到 B 点，那么 B 点的位置就可以得到确定。 图 2-1 差分相对定位示意图 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 2.2 北斗应用于变形监测的优势 变形监测是桥梁安全监测系统中的关键项目。传统变形监测系统在保 证工程正常运行方面发挥了重要作用，但存在如下缺陷： 1) 大量采用手工采集数据的方法，自动化测点少，自动化程度低，工 作量大，观测易受气候和其它外界条件的影响

9、，容易漏过重要和危险的信号； 2) 各监测点的变形量在时间上不是同步的； 3) 平面位移和垂直位移数据是在不同的测点上、不同的时间里采集的； 4) 传统精密水准网路线长，工作量大，时效性差。 利用北斗卫星导航系统对桥梁进行变形监测，能克服传统监测系统所 存在的缺陷，精度能满足规范要求，而且可以更全面地了解桥梁各时期的变化，甚至瞬时变化，实现连续观测与数据的自动处理。可以更有效地掌握桥梁的运行状态，及时发现问题，确保桥梁的安全，并为桥梁提供更可 靠的安全监测资料。 2.3 卫星导航系统在国内外桥梁监测中的应用概况 1) 英国亨伯桥的 GPS 监测系统 英国的亨伯悬索桥全长 2220 米，主跨 1

10、410 米，南跨 530 米，北跨 280 米 (图 2-2)。英国诺丁汉大学于 1996 年使用 2 台双频 GPS 接收机，一对甚高频数据链对该桥进行了动态监测试验。该试验以 2Hz 采样频率，分别测 量了中跨 1 2、边跨 1 2 和支撑塔顶的位移。数据处理采用随机 RTK 软 件。该试验显示桥面垂直位移最大为 40 厘米，大多数时间位移量为 15 厘 米左右，桥面横向位移最大为 14 厘米，塔顶纵向位移 1-2 厘米，横向 0.5-1 厘米。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 2-2 英国亨伯桥 1998 年，英国 Bmnel 大学使用双频 GPS 接收机对该桥进行了动载和静

11、载试验，采样率为 5Hz。本次试验动用 5 辆货车，进行了若干动、静载试 验。结果表明， GPS 测量的三维位移结果与该桥的有限元模型的计算结果 相当吻合。 2) 日本明石海峡大桥的 GPS 监测系统 明石海峡大桥是目前世界最长的悬索桥，其跨度全长 3911 米，中跨为 1991 米，两个边跨均为 960 米，如图 2-3 所示。从 1998 年开始，采用 GPS 监测系统对该桥进行连续三维位移测量。该桥安装了 3 个 GPS 接收机，分别位于左桥台、中跨 1 2 和左塔顶，如图 2-4 所示。因为温度是产生桥面垂直位移的主要因素，为了分析垂直位移与温度的相关性，同时还进行了 缆索温度和空气温

12、度测量。试验结果表明，垂直方向位移与温度的相关性 在 0.97 以上，位移与温度的关系为 -6.4 厘米度。中跨 1 2 位移范围为 0 至 168 厘米。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 2-3 日本明石海峡大桥 3) XX长江隧桥 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 2-4 明石海峡大桥 GPS 和温度传感器位置 XX长江隧桥位于 XX东北部长江口南港、北港水域，西起 XX浦东 区五号沟郊区环线立交，穿越西南港水域，在长兴岛新开河处登陆，接长 兴潘园公路立交。其中穿越水域部分达 7.5 公里。是 XX长江大桥、 XX长江隧道的统称，又称崇明越江通道、沪崇通道工程， 20

13、09 年建成通车，为 目前世界上规模最大的隧桥结合工程。隧桥总长度 25.6 公里，其中隧道长 8.95 公里，大桥 16.65 公里。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 2-5 XX长江隧桥 大桥装有 6 对 GNSS 接收天线， 1 对位于两个主塔顶端， 2 对位于两个主跨外侧 （ 桥面两侧对称布设 ） ， 3 对分布在主跨之间 （ 分别位于 1/4 跨、 1/2 跨、 3/4 跨，桥面两侧对称布设 ） 。 GNSS 天线如图 2-6 所示。 图 2-6 XX长江隧桥 GNSS 天线 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 3 北斗桥梁变形监测系统设计 3.1 设计依据 北斗桥梁

14、变形监测系统的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和 相关行业标准进行，本方案中所引用的部分技术规范参见下表： 表 3-1 系统设计依据的国家标准和技术规范 技术规范名称 编 号 批准单位 年份 全球定位系统测量规范 GB/-2001 国家技术监督局 2001 精密工程测量规范 GB 50026-2007 国家技术监督局 2007 全球定位系统城市测量技术规程 CJJT73-2010 中国建设部 2010 UNAVCO 基准站建立规范 国际 UNAVCO 组织 IGS 基准站建立规范 国际 IGS 委员会 混凝土结构设计规范 GB 50010-2010 住房和城乡建设部 2010 公路桥涵养护

15、规范 JTG H11-2004 交通部 2004 3.2 设计原则 北斗变形监测系统是一个集计算机技术、通信技术、网络技术、 GNSS 技术等高新技术于一体的综合系统工程。为使大桥实时变形监测系统成为 一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足桥梁管理和运 营的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，本监测系统根据 监测区域的地质地貌、工程规模和工程特点，结合国内外发展现状，其设 计的总体构想是突出重点，兼顾全面，仪器布置力求少而精，使监测系统 形成一个统一的整体，遵循如下设计原则： 1) 遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的原则； 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 2)

16、 系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 面因素； 3) 可靠性：为确保桥梁安全监测系统能真正发挥应有的作用，系统必 须稳定可靠，系统所采集的数据必须准确，必须正确反映各监测点位及其基础在不同时期的变化情况，系统故障率低，发生故障时能及时排除； 4) 先进性：数据采集速度快，精度高，系统具备数据快速采集处理、 管理和预报等功能。选用稳定可靠且先进的观测设备，实现自动化观测与 数据处理； 5) 经济性：应尽可能力求功能好而成本低； 6) 系统应具有可扩展性。 3.3 设计功能 使用北斗卫星导航系统研发的北斗桥梁变形监测系统，能实现连续观

17、 测与数据的自动处理，可以更有效地掌握桥梁的实时位移变化，掌握桥梁的运行状态，及时发现问题，确保桥梁的安全。同时，为桥梁 提供更可靠的安全监测资料，克服传统监测系统所存在的缺陷，精度也能够满足规范要求。 3.4 系统总体设计 北斗桥梁变形监测系统包括基准站、监测站和数据中心。 基准站为监 测站提供监测坐标起算基准，如有多个基准站，可进行相互检核，确保基 准站位置的准确性；监测站根据监测点位需要，布设在桥梁主体结构上； 基准站数据和监测站数据通过有线或无线通讯链路，将数据实时回传至数据中心，在数据中心完成对各基准站与监测站的数据集中解析、处理、分 析和存储，并将形变结果显示给用户。 北斗变形监测

18、系统软件是北斗变形监测的核心。原始观测数据经传输 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 进入软件，在软件内部进行实时位置解算及事后位置解算，并将解算结果 实时显示，供用户分析使用。北斗变形监测软件的数据接收处理流程如图 3-1 所示。 3.4.1 系统性能 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 3-1 数据接收处理流程 北斗变形监测系统的性能主要包括自动运行能力、完整性监测能力、 自动计算能力、联网和扩充能力、数据服务能力、静态及动态高精度定位 能力等。具体有： 1） 各基准站及监测站具备自动长期连续运行的能力，仅需定期派专 人进行设备维护和清洁工作； 2） 数据中心具备自动完成基准点

19、数据接入、数据入库、差分计算、 故障报警等功能，仅需少量人员进行值班；系统发生任何故障 （ 基准点故 障或其它系统因素造成的故障 ） 时可自动警示值班人员； 3） 系统支持基准站与监测站的动态扩展，可根据实际需要对系统站 点进行增删操作。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 3.4.2 系统技术参数 北斗变形监测系统的基本技术参数如表 3-2 所示： 表 3-2 系统技术参数表 项目 内 容 指 标 定位精度 1 实时定位精度 水平优于 0.02m 垂直优于 0.05m 事后精密定位 水平优于 0.003m 垂直优于 0.005m 可用性 2 导 航 95.0% 定 位 95.0% 兼容性

20、 卫星信号 BDS B1、 B2； GPS L1、 L2、 L5； GLO G1、 G2 数据格式 接收原始二进制数据流； RTCM3.X； 接收机设备 目前主流厂商的北斗接收机 通信方式 实时用户 3G/4G/Internet 注 1： 精度数值为 1 倍中误差，定位精度指在 CGCS2000 坐标系中的精度注 2： 可用性指标为不顾及通信网络可用性条件下的指标。 3.5 监测点位设计 3.5.1 基准点设计 基准点是整个位移监测的基准框架。它长期连续跟踪观测卫星信号， 通过数据通讯网络实时传输北斗观测数据到控制中心，并实时为各监测点 提供高精度的载波相位差分数据及起算坐标。基准点建设外观如

21、下图所示。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 3-2 基准点外观示意图 基准站建设位置条件及设计、安装必须满足下面条件： 1) 基准点的选址依据 基准点要求建立在地基稳定的地点，同时基准点场地应满足以下要求： a) 站址应选在基础坚实稳定，易于长期保存，并有利于安全作业的地方 , 年平均下沉和位移小于 3mm； b) 站址与周围大功率无线电发射源 （ 如电视台、电台、微波站、通讯基站、变电所等 ） 的距离应大于 200m；与高压输电线、微波通道的距离应大于 100m； c) 站址附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体，如大型建筑物、玻璃 幕墙及大面积水域等； d) 站址视场内高度角大于

22、 10 的障碍物遮挡角累积不应超过 30； e) 站址应避开地质构造不稳定区域，如：断层破碎带，易于发生滑坡、 沉陷等局部变形的地点 （ 如采矿区、油气开采区、地下水漏斗沉降区等 ） ， 地下水位变化较大的地点； f) 站址应可方便地架设市电线路或具有可靠的电力供应；并应便于接入 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 公共通信网络或专用通信网络； g) 屋顶观测墩应选在坚固稳定的建筑物上，建筑物高度不宜超过 30m； h)基准点天线应采用 GNSS 扼流圈天线 （ 如图 3-3 所示 ）， 为了防雨淋、 日晒，防风，延长天线使用寿命，双频天线的保护罩采用专用的全封闭式 GNSS 专用天线罩；

23、 图 3-3 基准站天线示意图 i)站址选定后，应采用 5s 采样间隔，进行 4 小时以上的 GNSS 数据采 集，并进行数据分析，其中数据有效率应高于 80，多路径影响 MP10.4， MP20.5。 2) 北斗监测系统观测墩的建设要求及规格 根据实际情况，观测墩的建设应满足以下要求： a) 基岩和土层观测墩应高出地面 3m，一般不超过 5m；对于屋顶观测 墩（如图 3-4 所示 ） ，高度应大于 1.5m；当基岩和土层观测墩建设在室内时， 应高出观测室屋顶 1.5m 以上。室外部分应加装防护层，防止风雨与日照辐 射对观测墩的影响。 b) 对于基岩观测墩，内部钢筋与基岩紧密浇筑，浇筑深度不少

24、于 0.5m； 对于土层观测墩，钢筋混凝土应埋于解冻线 2m 以下；对于屋顶观测墩，内部钢筋应与房屋主承重结构钢筋焊接，结合部分不少于 0.1m。 c) 观测墩应浇筑安装强制对中标志 （ 如图 3-5 所示 ） ，要严格整平，墩 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 外壁应加装（或预埋）适合线缆进出的钢或塑料硬制管道，以保护线路。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 d) 基岩和土层观测墩与地面结合的四周，应做不少于 5cm 的隔震槽， 内填粗砂，避免震动带来的影响，起到防震作用。 e) 基岩和土层观测墩应与观测室或周围房屋的主要结构分离，以免影 响观测墩的稳定性；屋顶观测墩与屋顶结合处

25、应做防水处理。 f) 如有多于一个观测墩，则观测墩间距应大于 5m。 图 3-4 屋顶观测墩示意图 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 3-5 强制对中标志正面和侧面 3) 观测墩基体建设步骤 a) 根据相关规范以及参考站点位实际情况，进行观测墩类型选择和结 构剖面图设计。 b) 对参考站点位周边环境和地质条件进行考察。若建基岩观测墩，需 请地质专家根据以往资料对点位的地质情况作出分析，比如基岩深度、基 岩类型、土壤类型等。若点位没有以往的地质资料，需边钻探边分析。一 般把观测墩建在微风化基岩上，强风化基岩和中风化基岩不适宜建基岩观 测墩。若无法建成基岩观测墩，改成建土层观测墩，则需了

26、解冻土层厚度、 土壤类型等。若建楼顶观测墩，则需了解 的结构分布图，分析其主梁承重能力。 c) 施工方严格按照设计方案施工，邀请第三方或者建设方作为监理对 整个施工过程进行监督。 d) 经过观测墩稳定性测试之后，严格整平，在观测墩强制对中器上安 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 装 GNSS 天线以及铺设线缆。 3)混凝土施工要求 a) 材料要求：普通硅酸盐水泥，强度等级 P.O 42.5； 5 40mm 级配良好的石子、中砂，水须宜采用饮用水，不得使用海水。 考虑到耐久性要求，混凝土按 C30 强度设计，根据以往施工经验，推荐以下配合比： 表 3-3 参考用料表 材料名称 水 水泥 中

27、砂 石子 （最大粒径 40mm） 单位 kg kg kg kg 用量 180 300 600 1226 单位 m3 m3 m3 m3 用量 0.18 0.30 0.44 0.82 注：上述配合比是根据以往施工经验编写的，仅供参考。如有质监部门提供的 C30 混凝土配合比，可以采用。 b) 模板的接缝不应漏浆，浇筑前要清理模板内侧杂物并刷隔离剂，采用 木模时应浇水湿润。拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下， 平均气温在 0 以上时，拆模时间不得少于 12h；气温在 0 以下时，必须 加入防冻剂，拆模时间不得少于 24h。 3.5.2 监测点设计 1) 监测站的布设方案 桥面监测点的具体

28、位置需联合桥梁本身的结构特性、实地测试的效果 等具体确定。接收机采用与基准点相同的设备，天线采用监测型天线 （如 图 3-6 所示 ） ，使用的观测数据质量分析软件为 TEQC。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 3-6 监测型天线示意图 TEQC ( Translation、 Editing、 and Quality Checking) 是功能强大且简单 易用的 GNSS 数据预处理软件，是由 UNAVCO 研制的为地学研究 GNSS 监 测站数据管理服务的公开免费软件，主要功能有格式转换、编辑和质量检 核。其中，格式转换可将许多不同厂家的 GNSS 接收机观测文件 (二进制 )

29、转换为RINEX 文件，也可以在 RINEX 文件的不同格式之间转换；编辑功 能可用于 RINEX 文件字头块部分，也可进行数据文件的任意切割与合并、 观测值类型的删减、卫星系统的选择及特定卫星的禁用；质量检核可以反 映出 GNSS 数据的电离层延迟、多路径影响、接收机周跳、卫星信号信噪 比等信息，并实现了可视化。 TEQC 数据分析过程如图 3-8 所示。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 图 3-7 TEQC 数据分析过程截图 2) 各监测点立柱的设计方案 a) 考虑桥面通车及人行道人流量，桥面监测点立柱高度设计为 3m； b) 对于塔顶监测点，宜采用打膨胀螺栓至桥塔上横梁顶面的方式

30、 。 （如 果现场塔顶有护栏，影响 GNSS 卫星接收，可加装立杆，具体高度须根据 现场情况决定；如踏顶视野开阔，即按原定方案设计。 ） c) 立柱顶部安装天线罩的位置采用材料为不锈钢，同时预留通线孔和 固定天线罩孔； d) 立柱的材料要有刚性，以尽量减小风、桥梁自振引起的立柱振动幅 度等。立柱的设计必须要考虑 GNSS 天线电缆走线的方便。 3.6 数据中心设计 数据中心是整个系统的核心单元。由机房、中心网络和软件系统组成， 具有数据处理、系统控制和网络管理的功能。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 数据中心计算机网络要求为十兆或百兆以太网，计算机上安装 “ GNSS 北斗桥梁变形监测

31、系统建设方案 V2.0 高精度桥梁变形监测软件 ” ，软件将在本方案第 4 章做详细介绍。数据中心机房的建设应符合以下标准： 1) 机房内温度应维持在一定范围内，比较合适的温度是 22 5 ，空调是维持温度范围的主要保证条件。室内热量主要来自设备耗热量、工作 人员散热、照明灯及太阳增热等。系统运行过程中应克服这些影响温度急 剧变化的因素，保证设备在规定的温度范围中正常运转。 2) 机房应有明亮和均匀的照明，光源分布不致使设备间有深浓的阴影， 要求桌面照度水平为荧光灯 80 100LX，采用嵌入顶棚日光灯组，建议采用方形奶白色 （ 或磨砂 ） 有机玻璃灯罩，每组三根日光灯管，二根为经常 照 明，

32、另一根为 UPS 不间断电源，停电时自动开启。日光灯一律不用电子镇 流器启动，以免干扰仪器运作。 3) 机房内部要求空气洁净、防尘、易清扫，应采取以下措施： a) 密闭门，双层玻璃窗 （ 或全墙面不设窗 ） ； b) 墙、地、顶面用易清扫、不吸尘、不积尘材料； c) 空调通风前和后加过滤器； d) 防静电活动地板； 4) 为方便电缆走线敷设、美观和地板板下式送风，机房室内地面做架 空防静电活动地板，夹层下结构水泥地面要求抹光涂油漆，保持洁净，与架空地板形成送风空调箱。在架空地板夹层里，通过地板送出处理后的适宜的空气，可以直接向安置部位送风，在上方天棚回风，这种地板下送风和暗装在天棚的回风，可以

33、非常灵活的调整设备布置，并使室内工作人员 感受舒适。 5) 加湿器可以安装在通向机房的送风支管上，不能采用直接向室内喷 雾加湿。天棚采用防火或阻燃材料 （ 如石膏防火、洗尘、隔热 ） ，天棚夹 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 层内布设回风管道、嵌入式日光灯和自动喷淋 1211 消防装置。 6) 各层机房内按需要设置玻璃隔断墙，将值班区、计算机房、工作间 等分隔开来，并设置走廊通道，以免互相干扰。玻璃隔断墙为铝 （ 或不锈钢）框架镶嵌玻璃。 3.7 通讯系统设计 本监测系统数据传输包括两大部分，即 GNSS 接收机到桥梁机柜交换机和机柜交换机到控制中心，可根据桥梁具体通讯条件，确定通讯方

34、式。 3.7.1 GNSS 接收机到桥梁机柜交换机 各 GNSS 接收机，经标准 RS232 串口输出 GNSS 原始数据流，通过 Nport 串口设备联网设备由串口数据变成 RJ45 口，通过网线接入交换机。对于支 持 RJ45 输出的接收机，可直接通过网线接入交换机。 1) Nport 串口服务器介绍 Nport 串口服务器的功能就是让传统的串口设备输出转换成具备 RJ45 接口网络外设输出，根据机柜内设备的数量，可选用 MOXA NPort5110、 5210、5410 三种型号。 产品简介如下： Nport 5110/5210/5410 提供 WindowsXP、 Windows 95

35、/98/ME, Windows NT, 和 Windows 2000 Native COM 驱动程序 , 而且完全兼容基于普通串口开发的应用程序。 NPort 5110/5210/5410 的串口设备联网服务器可让工业串口设备立即连上网络。 NPort 5110/5210/5410 的串口设备联网服务器体积小巧，是将 RS-232 或 RS-422/485 串口设备，如 PLC，测量仪，和传感器连接到 IP-based Ethernet LAN 最佳的选择，让您的软件可以存储本地 LAN 或网络上的任何串口设备。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 2) 标准 的 TCP/IP 界面和多种

36、操作模式 NPort 5110/5210/5410 的串口设备联网服务器提供了 TCP Server， TCP Client 和 UDP，可确保与使用标准的网络 API（ Winsock， BSD Sockets） 的网络软件具备兼容性。 3) 支持现有软件 Real COM/TTY 驱动程序 Real COM/TTY 驱动程序可用于 COM/TTY 口的软件，可以随时用于TCP/IP 网络。这项特点不但让您不需要更换软件，更可以让串口设备立即连网。 4) 简单的安装和设置 NPort 5110/5210/5410 的串口设备联网服务器支持自动 IP 设定协议 （ DHCP， BootP） ，

37、以及透过 Web Browser console 手动设置。两者都提供了快速有效的安装方法。有了 NPort 5110/5210 的 Windows Utility，执行安装的动作简单愉快，所有系统的设置都可存储并复制到其他设备联网服务器上。 3.7.2 机柜交换机到数据中心 机柜交换机到数据中心通过有线或无线网络进行通讯，如果桥梁本身 具备通讯接口，则可就近汇总至桥梁通讯线路，通过该线路连接至数据中 心。对于没有通讯接口的桥梁，可采用无线通讯的方式，利用 3G/4G 网络 将卫星信号远程传输至数据中心。此时，需要额外配置相应的无线通讯设备。 3.8 供电系统设计 为保证监测系统正常运行，北斗

38、接收机的配电直接采用市电供电。数据中心建议配备 UPS 电源， UPS 要求参考意见： 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 本系统建议选用在线式 UPS，在线式 UPS 能够为负载提供更佳的电源环境，无论从稳压输出范围、频率范围、输入杂讯的滤除，乃至市电模式 与电池模式零转换时间等方面考虑，在线式均是最佳的 UPS 结构，同时 还 要求有极高的可靠度，除了全面供应长效机以外，可以使用双机热备份， 是故障率大为降低，有效提高使用电源的安全性与可靠性，为用户最重要 的设备提供安全无忧的电力保障。 UPS 电源的性能包括以下几个方面： 1) 正弦波输出 无论在市电模式或电池模式， UPS 在市电

39、模式与电池模式之间的切换 是完全没有转换时间的，有效保证了负载运行的可靠性。 2) TVSS 功能 即 TRANSIENT VOLTAGE SURGE SUPPRESS 突破电压保护功能。用 于 FAX、 TELEPHONE、 MODEM 网络等转换保护功能。 3) 双机热备份 当用户的最重要负载设备绝对禁止断电时，容量 6KVA 以上的机种， 能够全面支持双机热备份功能，用户可以使用两台 UPS 进行主、备份使用， 当其中一台出现故障时，另一台则负责供电。即使出项了 UPS 故障，用户 仍然可以使用到纯净、安全与稳定的电源，使断电的危险性降至最小。 4) 输入功因修正 UPS 具备输入功因修

40、正功能，在满载情况下，输入功因可以达到 0.9 以上，使用户的电网环境不会受到污染。 5) 直流启动 在市电停电状态下，若需要使用 UPS 启动计算机或其它负载设备，城 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 堡系列 UPS 可以直接以电 池进行直流开机，使 UPS 的使用更加方便、可靠。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 6) 旁路保护 旁路供电功能使 UPS 的应急处理能力大大加强，同时在用户的负载设 备对电源具有特殊要求时，如电压不能过高，城堡系列 UPS 提供旁路供电 电压过高保护，使用户的负载设备免于高压危险。 7) 自动启动功能 当市电异常，进入电池模式供电直到截至， UPS

41、 将关机，当市电恢复 正常时，城堡系列 UPS 回自动启动开机，正常供电，无需用户 开机。 8) 长效机强大充电能力 长效机除了放电时间延长外，电池回充能力也很强，可以提供约 5 10A 的初始充电电流。 9) 自我检查功能 可以进行模拟断电的情况，进入电池模式供电，此功能既可通过面板 上的自检按键随时执行，也可以配合山特监控软件，按定期或不定期方式进行。 10) 强力抗干扰 针对电磁波干扰与射频干扰，要求依循国际标准 EN50091 2 和 IEC61000 4 系列标准设计，有效提高了 UPS 使用的安全性与可靠性。 11)可搭配发电机使用 宽广的输入电压与频率范围，可以与主要品牌发电机搭

42、配使用，使用 时间更加延长，同时有效去除了发电机所产生的不良的电力，为负载提供 纯净、安全、稳定的电源。 12) 免费监控软件 为了使用户对 UPS 的管理更加便捷、有效，要配置免费网络版监控软件，实现智能化管理。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 13) 配备 Intelligent Slot 智能插槽 配备至少一个 Intelligent Slot 智能插槽，用户可以选购山特 WebPower 智能监控卡，通过 Internet 国际互联网进行全球化管理，或者通 SNMP 网管， 实现集中监控或远程监控等功能。 14) 蓄电池 要求标准机搭配高品质的蓄电池，以良好的电池质量，保证 U

43、PS 使用 安全性与可靠性，长效机的电池选配，可依用户的需求自定。 3.9 防雷设计 1) 雷电的危害性 本监测系统中各站点必须要考虑到防雷电措施，雷电所产生的高电压 电磁脉冲对没有相应保护措施的电缆 （ 如：同轴电缆，天线，数据通讯电 缆，电源电缆等 ） 产生强烈的毁坏作用，最终导致损坏所连接的电子设备。 所以本系统必须安装避雷装置。 电涌是微秒量级的异常大电流脉冲。它可使电子设备受到瞬态过电的 破坏。随着半导体器件的集成化程度的提高，元件间距的减小，半导体厚度的变薄，使得电子设备受到瞬态过电破坏的可能性越来越大。如果一个电涌导致的瞬态过电 压超过一个电子设备的承受能力，那么这个设备或者 被

44、完全破坏，或者寿命大大缩短。 2) 监测系统雷电防护要求 监测站内设备必须加装电力线电涌防护设备，通信线 （ 数据线 ） 电涌 防护设备、射频线电涌防护设备，建筑物雷电防护设备。 电力线电涌防护一般要进行三级防护，对接收机电源进行末端保护。 接收机天线电缆、通讯射频电缆在引入观测室内前，必须加装射频线 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 电涌防护器，射频线防护器应符合以下规定：阻抗： 50 ；工作频率： 2GHz； 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 插入损耗： 0.1DB；雷电通流量： N： 50KA， DIN 7/16： 100KA；残值峰值： 7.3V；筑波系数： 1.15；雷电

45、防护主要指建筑物整体、站内外电子设 备的雷电防护，严格执行 GB 7450 标准。 对于基准站必须增加避雷针，从而对其进行直接雷防护，严格执行 GB 7450 标准。 3) 具体防雷措施 a) 直接雷防护 建筑物顶部的避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地，避免建 筑物的燃烧和爆炸，对于本监测系统，仅基准点需要自己架设避雷针，各 监测点可以利用大桥现有直接雷避雷系统。 基准点 GNSS 天线和接收机附近必须安装避雷针，避雷针与天线横向 距离不小于 3m，避雷针高度按照 “ 滚球法 ” 确定 （ 如图 3-9 所示 ） ，粗略计 算可以按照 45 度角考虑。 图 3-8 “滚球法”防雷计算示意

46、图 本变形监测系统需要在基站分别安装避雷针并埋设接地桩就近接入大 地。 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 监测站直击雷防护利用桥体本身的防护系统，人工接地体在土壤中的 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 埋设深度不应小于 0.5m。埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢 ;人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。圆钢直径不应小于 10mm；扁 钢截面不应小于 100 mm2,其厚不应小于 4mm;角钢厚度不应小于 4mm;钢管 壁厚不应小于 3.5 mm。 用扁铁将接地体连成接地网，接地扁铁采用焊接，并加涂防锈漆再埋 设。在腐蚀性较强的土壤中 ,应采取热镀锌等防腐措施或加大截面。避

47、雷针 安装完成后，应保证接地电阻小于 10 欧姆。 在高土壤电阻率地区 ,降低防直击雷接地装置接地电阻宜采用下列方法： a)采用多支线外引接地装置 ,外引长度不应大于有效长度b)接地体埋于较深的低电阻率土壤中。 c)采用降阻剂。d)换土。 避雷针与天线的距离选择大于 3 米，是以中等强度的雷电流通过避雷针接地泄流时所产生的感应电磁场到达天线时其强度可衰减到安全值的范围之内。 b) 电涌防护 电涌是微秒量级的异常大电流脉冲。它可使电子设备受到瞬态过电的 破坏。随着半导体器件的集成化程度的提高，元件间距的减小，半导体厚度的变薄，电子设备受到瞬态过电破坏的可能性越来越大。如果一个电涌导致的瞬态过电压

48、超过一个电子设备的承受能力，那么这个设备或者被完 全破坏，或者寿命大大缩短。 3.10 数据处理系统设计 北斗桥梁变形监测数据处理系统的核心是北斗动态定位算法。要用滤 波 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 方法消除北斗动态定位数据中的随机误差，首先应用到最优估计的方 法 北斗桥梁变形监测系统建设方案 V2.0 0 0 0 （即 Kalman 滤波器 ） ，将真实的状态 （ 定位结果 ） 从各种随机干扰中实时最优地估计出来。但应用 Kalman 滤波器进行最优估计 （ 滤波 ） ，需建立较准确的系统模型和观测模型，因而，不仅要对运动载体建立准确合理的动 态模型，而且要对各种随机误差准确建模

49、。 GPS 动态定位的离散状态空间模型如下： X (k 1) (k 1, k) X (k) W (k) Y (k 1) h X (k 1), k 1 V (k 1)式中 X 为 n 维状态向量， h(x) 为关于状态的 m 维非线性函数， Y 为 m 维输出量， (k 1, k) 为 n n维系统转移矩阵。 W (k) ,V (k) 分别为 n,m 维随机向量序列，并满足如下统计特性： EW (k ) EV (k ) 0 EW (k )WT (k ) Q(k )EV (k )V T (k ) R(k )EW (k )V T (k ) 0 Q(k) 为 n n维半正定对称阵， R(k) 为 mm

50、 维正定对称阵。 设初始状态 X(0)为满足如下统计特性的随机向量： E X (0) X 0 E( X (0) X )( X (0) X )T M 当非线性系统在其标称轨线上进行泰勒展开，近似取其线性部分，并 用通常的 Kalman 滤波器进行状态估计时，便得到著名的扩展 Kalman 滤波器如下： X (k, k 1) (k, k 1) X (k 1) X (k) X (k, k 1) K (k)(S (k) h( X (k, k 1), k) P(k, k 1) (k, k 1)P(k 1)(k, k 1) Q(k 1) K (k) P(k, k 1)H (k)H (k)P(k, k 1)H (k) R(</p>