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发表于:2015-11-12 14:52
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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)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 2CPU4G内存(GNSS专用)

软件平台:Windows2008

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1Hz5Hz10Hz20Hz

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:RS232CANTCP/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:7×24小时持续可靠工作。


实时显示各监测点的点位信息

HCMonitor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:

HCMonitor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;

HCMonitor可以采用扩展的动态非线性Kalman滤波算法(通过系统输入输出观测数据,对系统状态进行最优估计的算法)进行差分解算。

HCMonitor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。

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HCMonitor专为形变监测而设计,适用于桥梁、大坝、矿区、滑坡等的形变监测,软件能长时间持续可靠工作,诸如RTK经常需要重新初始化等缺点在HCMonitor里并不存在。HCMonitor软件运行在数据中心的计算机上,整个计算功能可以设计成冗余模式,增加系统的可靠性,而RTK方法不能实现类似的功能
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