北斗精确定位的公路基础设施安全监测系统的研发与及应用项目实施方案.docx

1、北斗精确定位的公路基础设施安全监测系统的研发与及应用项目实施方案北斗精确定位的公路基础设施安全监测系统的研发与及应用项目实施方案项目实施方案项目名称：基于北斗精确定位的公路基础设施安全监测系统的研发与应用项目申报单位（制造商）：（用 户）： 项目联系人： 联系电话： 传真： 电子邮箱： 项目基本情况表项目名称基于北斗精确定位的公路基础设施安全监测系统的研发与应用制造单位单位名称主管部门单位地址 组织机构代码通讯地址邮政编码用户单位单位名称主管部门单位地址 组织机构代码通讯地址邮政编码项目联系人姓 名所在单位地 址联系电话E-mail项目起始时间完成时间主要研制和示范应用内容(300字以内)研制

2、北斗兼容型高精度位移监测接收机，实时测量精度水平方向3mm，高程方向6mm。应用北斗接收机建立针对特大桥梁、特长隧道、公路边坡、软基路段、高挡土墙的位移监测系统，建立以位移分析为主的多指标信息融合技术，实现对重要公路设施的状态评估与安全预警。同时，结合北斗精确测量、卫星通讯与GIS技术，建立面向公路行业的重要基础设施安全监控平台，实现对国家交通行业重点工程的安全监控与智能管理。技术先进性及主要性能指标(300字以内)北斗兼容型高精度位移监测接收机实时精度指标：水平方向3mm，高程方向6mm。交通领域实施位移监测的重要公路设施包括：特大桥梁、特长隧道、公路边坡、软基路段、高挡土墙等。技术先进性主

3、要表现在测量型接收机精度高、实时性强，位移监测应用了北斗卫星定位测量技术，可实现全天候自动测量，应用时不需通视、测量范围广可达几十千米。同时，将位移监测与卫星通讯相结合，对重要结构物进行实时监测与安全预警。主要技术方案(200字以内)首先，本项目通过“系统功能及产品结构分析、硬件集成电路设计与开发、软件功能设计与开发、工程样机试制与测试、产品正式投产”的技术流程研制北斗/GPS高精度位移监测接收机；然后通过测点优化、系统集成、数据传输处理、状态评估与安全预警等技术手段解决工程应用的关键问题，并在示范工程上应用与推广；最后，以数据处理技术研究为依托构建安全运营监管平台。项目研制基础（200字以内

4、）交通运输部公路科学研究所于2005年承担了“北斗二号交通部交通综合应用示范工程”开展了北斗卫星定位系统面向特大桥梁、公路边坡的安全监测研究，并与山东北斗华宸导航技术有限公司展开合作，应用HC-5型北斗卫星接收机开展了针对广州珠江黄埔大桥、福建边坡的位移监测应用。同时应用单位与制造商已经签署了北斗接收机研制协议，分年度批量采购，应用于特大桥梁、长大隧道、公路边坡的位移监测中。预期经济和社会效益（200字以内）以特大桥梁、特长隧道、公路边坡、软基路段、高挡土墙为主的公路基础设施位移安全监测市场潜力巨大，预期规模几十个亿。通过本项目的实施，针对代表性工程进行示范，推动北斗卫星导航系统在公路行业高精

5、度位移监测的应用，可以带动相关产业、技术、产品的发展。同时，应用北斗技术对重要结构实施位移监测，可以降低灾害事故的发生，保障人民生命、国家财产的安全。经费测算4200万一、项目研制背景以世界上第一颗人造地球卫星于1957年10月4日成功发射为标志，人类已经进入空间科学技术的崭新时代。近半个世纪以来，随着卫星测量技术的发展，使得测绘行业经历了一场深刻的变革。无论是测量精度、适用条件、应用范围，还是在生产效率和经济效益等方面，都发生了巨大飞跃和进步。随着高精度位移测量技术发展，大型桥梁、公路边坡、长大隧道等公路基础设施都开始应用卫星定位技术实施位移监测，尤其近些年随着桥梁等基础设施在运营中频频发生

6、安全问题，对高效用、高精度的位移监测技术的需求越来越大，很多大跨径桥梁都斥巨资安装了卫星定位监测系统，但由于我国北斗导航定位系统起步稍晚，这些监测设备全部采用GPS。随着国家对发展战略性新兴产业的决心，北斗定位系统在近些年得到了迅猛发展，新的技术与新的产品不断推出，北斗兼容型高精度位移监测技术已经具备在公路桥梁、隧道边坡、水利电力等大型建筑设施的安全监测的应用能力，因此我单位在“北斗二号交通部交通综合应用示范工程”项目的工作基础上，根据已有的研究成果，结合新形势新变化，编写了“基于北斗精确定位的公路基础设施安全监测系统的研发与应用”项目实施方案。同时我单位将依托国家发改委批准建设的“桥梁结构安

7、全技术国家工程实验室”，提供实验平台，支持北斗系统的研发与应用。本章分别从国内外发展现状与项目研制意义两方面进行阐述。（一）国内外发展现状1.卫星定位技术在位移监测中的应用现状在大型的工程结构上安装高精度卫星定位接收机，实时连续的监测位移与变形，将位移监测与其他监测指标（应力、振动等）进行分析，掌握结构的运营状态，预测其行为特性，可以实现对大型结构的安全预警与智能管理。这种基于卫星定位的位移监测技术已经在特大桥梁、公路边坡、隧道施工、矿区安全、地震监测、水利设施等多个领域开展了应用示范。通过这种技术将卫星定位测量的高效率、高精度、强适应性充分发挥出来，完成了对大型结构物三维变形位移的实时测量。

8、（表1-1列举了国内外已经安装了卫星定位的重要工程）。表1-1 卫星定位技术在大型工程位移监测中的应用1 应用GPS位移监测的特大桥梁编号工程名称类型应用情况1杭州湾跨海大桥斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形2苏通大桥斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形3润扬大桥悬索桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形4金塘大桥斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形5西侯门大桥悬索桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形6青马大桥悬索桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形7广州珠江黄埔大桥斜拉桥+悬索桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形8嘉绍大桥（施工中）斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形9泰州大桥（施工中）悬索桥GPS监测主梁

9、、桥塔等部件变形10虎门大桥悬索桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形11江阴大桥悬索桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形12汀九大桥斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形13汲水门大桥斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形14湛江海湾大桥斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形15滨州黄河大桥斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形16松花江大桥斜拉桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形17宁波五路四桥斜拉桥/拱桥GPS监测主梁、桥塔等部件变形2应用GPS监测的边坡编号名称类型应用情况1福银高速南平段边坡公路边坡GPS监测地表位移2霍林河边坡矿山边坡GPS监测地表位移3安太堡边坡矿山边坡GPS监测地表位移4排干场边坡矿

10、山边坡GPS监测地表位移 3 应用GPS过江隧道江底监测与施工测量6过江隧道监测江底沉降隧道测量船GPS定位7中天山特长隧道隧道GPS施工测量8天古涯隧道隧道GPS施工测量9南水北调隧道隧道GPS施工测量10南梁-太行山隧道隧道GPS施工测量11云雾山长大隧道隧道GPS施工测量12上海吴淞口隧道隧道GPS施工测量13莲花山隧道隧道GPS施工测量14罗峰隧道隧道GPS施工测量4 应用GPS监测大坝变形1小浪底大坝水利GPS变形监测2平原水库大坝水利GPS变形监测3大东江大坝水利GPS变形监测4隔河岩大坝水利GPS变形监测5 其他1香港理工大学大厦高层建筑GPS监测风振变形2天津地区地壳垂向形变地

11、震监测GPS监测地壳形变3新加坡共和广场大厦高层监测GPS监测变形4深圳帝王大厦高层建筑GPS监测变形从表中可以看出以GPS为代表的卫星定位技术在大型工程健康监测中的应用已十分广泛，内容涉及了特大桥梁、隧道边坡、水利工程、高层建筑以及地震监测。以桥梁为例，由于卫星定位测量不需要通视、可以全天候自动测试，在桥梁运营信息化管理中得到广泛应用，特别是特大桥梁的健康监测系统中都研究安装或准备安装基于卫星定位的位移监测系统。例如法国的Leroy等于1995年1月，对全长为2141mm的诺曼底大桥进行了测试，证明了GPS能够以厘米级精度进行实时水平位移监测。英国Nottingham大学的Roberts等人

12、从1997年开始用GPS进行悬索桥监测的应用研究，他们对主跨为1410m的亨伯大桥进行了振动位移测量，分析结果显示，大桥垂直频率为0.116Hz，水平频率0.052Hz，与有限元模型的结果吻合。青马大桥于1998年2月进行了GPS实时监测位移的实验，在5级风力时，桥体横向最大位移为64mm,周期为16s,该结果与设计计算值及加速度计积分结果均符合。虎门大桥于1999年布设了基于GPS的自动化实时位移监测系统，该系统于2000年开始运行，是国内首次应用GPS技术对悬索结构特大型桥梁进行实时监测。 2.卫星定位技术在位移监测中的研究现状 目前针对卫星定位技术在位移监测领域的研究主要还是以GPS为主

13、，研究包括卫星定位测量控制网设计、卫星数据的解算方法、应用位移监测对结构物状态评估方法等内容。 卫星测量控制网设计主要是针对工程结构物地形特点建立能够满足精度要求的测点布置方案，目前主要针对跨海大桥桩基定位、隧道施工控制点定位、特大桥梁、公路边坡位移监测方案设计而研究。卫星数据的解算方法研究主要是通过对GPS接收数据解算方法的研究与应用，获得能够满足精度要求的、稳定的位移数据。利用位移监测对结构评估方法研究主要是将位移监测数据与其他指标监测数据结合，充分发挥卫星定位连续、实时、稳定、精度高的特点，通过对变形的分析找出结构损伤。虽然目前研究都已取得了不错的结果，并且在很多工程得到了应用，但这些研

14、究都是针对GPS而开展的，而对北斗卫星导航系统在位移监测中应用的研究却少之又少。交通运输部公路科学研究所于2005年11月获得了“国防科工委关于公路基础设施安全监测系统项目可行性研究报告的批复”，正式启动了北斗二号在公路基础设施安全监测领域的研究工作，通过近些年的研究，我单位研发了可用于大型桥梁和公路边坡的安全监测系统，并分别在广州珠江黄埔大桥、福建高速公路边坡建立了卫星定位监测系统（GPS），同时我们已经购置了兼容型北斗接收机，正在建设第一个应用北斗技术与GPS连续解算的大跨桥梁及公路边坡的监测系统（广州珠江黄埔大桥与福银高速南平段公路边坡，见图1与图2）。 图1 珠江黄埔大桥 图2 福银高

15、速边坡山东北斗华宸导航技术有限公司从事北斗卫星通信、导航、系统集成研发、生产、销售等业务，公司主要致力于北斗/GPS高精度卫星定位软硬件研发，目前公司生产的HC-5型接收机（见图3）已经被交通运输部公路科学研究所批量采购应用于桥梁与边坡的安全监测。图3 已应用的北斗卫星接收机3. 卫星定位技术在位移监测中的发展趋势目前，北斗技术已经在大气环境、道路交通管理、海运水运、航空运输、应急救援、精密授时、精细农业中广泛应用。利用北斗技术，组建地球大气观测系统，完成对环境中风云电的观测，促进我国天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测，也可以提高空间天气预警业务水平，提升我国气象防灾减灾的能力；通过在

16、车辆上安装北斗导航定位设备，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站，这些位置信息可用于道路交通管理，指示车辆走畅通的道路，限制进入拥挤的道路，有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。在铁路运输领域，通过安装卫星导航终端设备，可极大缩短列车行驶间隔时间，降低运输成本，有效提高运输效率；在船舶上安装北斗导航定位设备，使海上和水路运输更为高效和安全，北斗卫星导航系统将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障；利用卫星导航精确定位与测速的优势，可实时确定飞机的瞬时位置，有效减小飞机之间的安全距离，甚至在大雾天气情况下，可以实现自动盲降，极大提高飞行安全和机场运营效率；通过将北斗卫

17、星导航系统与其他系统的有效结合，将为航空运输提供更多的安全保障，通过卫星导航，可实现对贵重货物或危险品运输的远程跟踪与监管，是现代物流业的新应用；卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援，在发生地震、洪灾等重大灾害时，救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。北斗卫星导航系统除导航定位外，还具备短报文通信功能，通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况，有效缩短救援搜寻时间，提高抢险救灾时效，大大减少人民生命财产损失；精确的时间同步对于涉及国家经济社会安全的诸多关键基础设施至关重要，通信系统、电力系统、金融系统的有效运行都依赖于高精度时间同步，北斗卫星导航系统的

18、授时服务可有效应用于通信、电力和金融系统，确保系统安全稳定运行；随着卫星导航技术的发展，使得农业生产方式由传统粗放式耕作转为精细管理成为可能，通过将卫星导航和地理信息相结合并应用于农业生产，可有效提高农业产量、降低成本、保护环境，北斗卫星导航系统的定位服务，可有效支持现代精细农业生产方式，充分利用农业资源，保护生态环境，产生显著的经济效益和环境效益。随着卫星定位技术广泛应用，高效率、高精度、便携式的卫星定位设备必将在土木工程位移监测领域中遍地开花。继车辆、船舶等导航领域开始逐步应用北斗系统后，随着高精度且兼容GPS的北斗卫星接收机的推出，土木工程的位移监测也将会逐步应用北斗卫星定位系统。因此开

19、展基于北斗的测量控制网设计、高精度位移解算及北斗位移数据评估结构状态方法的研究也是迫切需要的。由于目前高精度北斗测量技术还刚起步，所以应该开发和应用兼容GPS的北斗测量型接收机，通过与GPS信号的联合监测，提高测量精度，使北斗技术能够应用在大型结构物的安全监测上。4. 卫星定位技术在位移监测应用中主要问题虽然卫星定位技术在位移监测应用前景广阔，但目前仍处于起步阶段，存在着一些问题，概括起来有以下几方面： 第一，卫星定位技术应用在大型结构物监测中存在着一些需要解决的技术难题，主要体现在系统集成与信息融合两方面。在系统集成上，具体表现为如何能够将卫星监测与应力、振动、环境等其他指标的传感器合理的结

20、合起来，设计出一套能全面反映结构真实状态的监测方案？在信息融合上，具体表现为如何对来自多个指标数据进行多级别、多方面、多层次的处理，从而产生新的有意义的信息，而这种信息是任何单一传感器无法获得的，就本项目而言，难点在于如何建立一个针对典型结构物的以位移分析为主、其他指标分析为辅的多级别、多层次的综合分析方法。 第二，最大程度的提高北斗接收机的测量精度以满足结构监测的需要。结构位移是衡量大型工程是否安全的重要指标，因此精度满足要求是北斗接收机能否推广应用的关键。大型结构物位移监测需要厘米级的精度要求，目前北斗测量仍处于起步阶段，因此应该开发兼容GPS信号的北斗接收机，通过联合解算提高精度，推广北

21、斗高精度位移监测产业的发展。第三，GPS几乎垄断了我国重要结构物的位移监测市场，其中的很多工程都是关系到国计民生的重要工程（比如杭州湾跨海大桥、小浪底水利大坝等），从战略意义上增加了很多不安全因素，并且位移监测采用的基本上都是从国外进口的高精度的测量型接收机，价格十分昂贵。因此开展基于北斗卫星定位的位移监测应用有着重要的经济、社会意义。第四，能否研制出针对位移监测的低成本接收机是推广卫星定位监测的关键之一。众所周知，应用于结构监测都是带有动态RTK差分功能的GPS接收机，基本上都是国外原装进口，按照设备费、软件费、系统集成费考虑，每个监测点的均造价都在7至10万左右，以桥梁健康监测系统为例，一

22、座特大桥的GPS位移监测平均需要10个测点，一个测点按8万元计算，一座特大桥就需要80万，我国目前有2341座特大桥，每年拿出200座监测，仅此一项费用就要1.6个亿，因此高昂的价格制约卫星技术在我国土木监测行业中的推广应用。因此开发出低成本的卫星监测技术对推广北斗卫星监测有着重要意义。（二）项目研制意义 开展北斗定位系统在大型土木工程位移监测的应用具有重要意义，具体表现在促进技术进步、保障社会安全、推动经济发展方面，具体如下： 第一，应用北斗兼容性高精度位移监测技术，可以发挥卫星定位实时性好、测量不需要通视、监测范围广的优势，推进大型结构自动监测技术的发展与普及。以北斗为代表的卫星定位技术精

23、度高、测量不需通视、可连续自动工作的特点最能符合自动监测的需求，通过卫星定位技术对大型结构物的位移进行实时测量，管理者可以掌握结构的工作状态，判断是否出现损伤，及时的采取防护措施，最大程度的控制事故发生的风险，保障人民生命、国家财产的安全。 第二，开展卫星技术监测基础设施位移的应用为北斗技术提供了良好的实践平台，有利于促进北斗定位系统自身的发展。对比车辆导航、船舶定位、农业灌溉，位移监测对精度的要求要高得多，至少要达到厘米级，而且设备基本上运行在野外、强振等恶劣的条件下，对接收机精度、稳定性、可靠性的要求极高，如果北斗产品能够满足这些需要，成功的应用在基础设施位移监测中去，对促进北斗技术发展、

24、产品推广都有着深远意义。第三，应用北斗技术进行位移监测有较强的战略意义。通过前面的论述可知，我国目前重要的公路基础设施全都采用国外进口的GPS设备进行监测，这其中不乏大量关乎国计民生的咽喉工程，比如杭州湾跨海大桥、苏通长江大桥等，采用美国的GPS技术对其进行监控是具有很大安全风险的，但是在北斗技术出现前，由于大型桥梁运营安全的需要，又迫使我们不得不采用GPS技术。因此推广采用北斗设备监测大型桥梁的研究对保障国家安全有着重要的战略意义。第四，大型工程位移监测市场潜力巨大，开展北斗卫星技术监测基础设施位移具有重要的经济意义。现在越来越多的大型结构都要求建立运营安全监测与预警体系，而位移作为监测体系

25、的首要指标是非常重要的。以我国的桥梁健康监测为例，截止2011年底，我国拥有桥梁689417座，其中特大型桥梁2341座，每座特大桥梁都需要在关键部位安装实时的三维位移监测设备，按每座特大桥需要10个卫星监测点计算（包括基站），按目前的市场价格，2341座特大桥位移监测费用也需要近10个亿，若再考虑我国桥梁数量的增长速度，以及边坡、隧道、高速公路特殊路段等其它设施的需求，如果技术成熟、价格合理，保守计算，其监测的市场规模在几十个亿左右。二、项目研制内容（一）主要研制和示范应用内容研制北斗/GPS双模式的兼容型高精度位移监测接收机，研发远程无人值守实施监测预警网络系统，开展北斗卫星定位系统在公路

26、基础设施位移监测领域的应用、示范与推广，建立基于北斗卫星定位系统的大跨度桥梁、公路高边坡位移监测示范工程，研究基于北斗卫星定位技术的公路基础设施位移监测与评价方法，形成行业指南，具体内容如下：1 研制北斗/GPS双模式的兼容型高精度位移监测接收机设备，具体包括：1研制适用于大型结构物变形监测的北斗与GPS/GLONASS兼容双频高精度接收机。选用具有同时接收和处理北斗/GPS卫星信号能力的OEM模块，研制适用于桥梁位移监测的北斗与GPS/GLONASS兼容双频高精度接收机。接收机结构见下图:图2-1 接收机部件结构图针对大跨度桥梁、公路高边坡复杂环境，研究多路径探测技术及消除方法。在大跨度桥梁

27、施工及运营中，由于钢结构构件多，进行卫星定位时，多路径效应将成为主要干扰源之一。由于多路径效应受测站环境、星座情况、观测时间等多种因素的影响，很难精确模型化，因此一般将多路径效应当作随机误差处理，这在精度要求不高或采用大量观测数据（如1天）进行数据处理分析时是可行的，但对于大型结构物变形监测，如果要使单历元变形监测结果达到mm级精度，则必须采用适当的方法，我们通过获取精密轨道星历、双差法消除对流层、电离层误差，获取接收机钟差，结合通过联测国际IGS站得到高精度的点位坐标,解析出多路径相应误差。研究兼容型北斗位移监测接收机高程测量精度达到mm级的方法。公路高边坡、大跨度桥梁等大型结构物变形监测要

28、求高程精度也要达到毫米级。由于高程精度与大气延迟误差等强相关，因此相比平面位置的精度，高程精度还要差一些，即使在静态监测时，也很难达到mm级精度，在动态监测时就更差。本项目将针对北斗系统中长距离基线，做进一步研究，采用北斗/GNSS组合精密单历元单点定位算法提高精度，解决在变形监测当中实现mm级精度的实时监测。2 建立长大桥隧、公路边坡的北斗位移监测系统，结合其他监测指标构建大型结构物的实时监测安全预警系统，研究以位移监测为主导的多指标数据融合分析评价技术，通过卫星定位实现对大型结构物状态评估与安全预警，内容包括：特大桥梁结构位移监测、状态评估与安全预警；根据公路桥涵设计通用规范规定总长大于1

29、000米或单跨超过150米的桥梁属于特大桥，我国桥梁总数689417座，特大桥2341座，建立特大桥梁的位移监测系统包括卫星测点监测网设计、卫星监测系统集成、数据分析、安全预警方面的内容。卫星测点监测网设计主要包括结构关键位置遴选与测点控制网设计两方面。关键位置遴选是通过有限元计算找到结构物最需要的监测位置，测点控制网设计是通过优化卫星测点网的形状使精度达到最高。因此本节内容是要结合有限元结构分析与测量控制网优化两种方法，既要遴选出结构物的关键监测点，又要使监测网的形状达到最高监测精度的要求。卫星监测系统集成研究是指通过将结构位移监测与应力监测、振动监测、环境监测结合起来，建立以位移分析为主的

30、多指标数据融合分析评价技术。数据分析是通过对卫星位移监测数据的分析，掌握结构的位移变化，通过模态分析、有限元计算等多种手段，结合应力、振动等其他监测指标完成对结构物状态的评估。安全预警是当评估结果达到不安全的状态时进行及时的预警与报警。目前预警信息的传输主要通过电缆、光纤与手机通讯网的方法传送，在常规条件下预警信息可以传送，但是发生比较重大的灾害（地震、泥石流）时，有线中断、通讯基站倒塌手机信号无法传送时，监测信息便很难传输了。利用北斗卫星通讯系统，可以将重要的监测信息通过卫星信号传输，克服了常规传送方式的局限性，从而可以构建一个利用卫星监测位移同时有利用卫星进行信息传输的卫星安全监测平台。高

31、等级公路边坡稳滑塌、隧道周边地质灾害及软质路基下沉的监测及安全评估；公路边坡滑塌、隧道周边滑塌与软质路基下沉是目前我国频发的地质灾害之一，主要原因就是对土体的位移缺乏有效的监测，通过卫星定位系统可以对土体滑移进行有效监测，实现对公路边坡与隧道周边土体的滑移的监测。技术路线是以我国北斗卫星导航系统为技术依据，提出采用北斗兼容型高精度位移监测技术、卫星遥感数据接收处理系统等技术，建立一个具有高可靠性和时效性的公路边坡、软质路基及隧道周边地址灾害监控系统。利用北斗卫星所具有的定位和通信双重功能，解决边坡位移数据监测及数据传输的问题。 (3)研究北斗卫星定位系统在高精度位移监测应用中，由各相关设备集成的系统的计量检定技术、计量标准及现场计量方案。随着越来越多大型复杂集成的设备出