基于北斗高精度定位技术的龙洲湾隧道PPP项目运营安全监测预警系统设计

吴建良， 刘 媛， 邓洪飞， 金 鑫， 谢 鸿

(1.重庆茂和基础设施建设有限公司， 重庆 401320；2.湖南联智科技股份有限公司，湖南 长沙 410203)

1 项目概况

龙洲湾隧道工程起于重庆市巴南区职教城教育大道，自西向东，穿城投公租房、渝南大道，穿越铜锣山在红炉片区露头，上跨渝黔高速，止于南彭物流基地东城大道，全长 8 067.581 m。按城市主干路设计，设计车速为60 km/h，双向六车道，西侧职教城段标准路幅44 m，东侧南彭物流基地标准路幅40 m。

“基于北斗高精度定位技术的龙洲湾隧道PPP项目运营安全监测预警系统”作为“PPP项目全生命周期管理系统”的专业子模块系统，包括监测软件平台和现场监测硬件设施建设，主要对以下结构物进行长期自动化在线监测：

1) 隧道3座：龙洲湾隧道999 m(左洞)、967 m(右洞)；新玉隧道1 751 m(左洞)、1 700 m(右洞)；南彭隧道1 158 m(左洞)、1 185 m(右洞)。

2) 桥梁5座：大桥1座，龙洲湾大桥402 m；立交4座，分别为渝南立交、红炉立交、赵家坝立交、公平立交。

3) 高边坡3处：主线K13+209.901～K13+292.5左侧边坡、G匝道K0+086.690～E匝道K0+147.500右侧边坡、主线K11+187.740～K11+377.158右侧边坡。

2 监测预警系统设计

2.1 总体设计框架

龙洲湾隧道PPP项目运营安全监测预警系统包含硬件与软件两部分。硬件系统主要承担现场各结构物原始结构信息的采集、传输及系统供电；软件系统主要对传输到服务器端的各种监测原始数据进行解析、解译、解算，并将数据结果展示在客户端，同时具备数据分析及数据预警功能，系统总体架构如图1所示。

2.2 数据采集系统

数据采集系统主要采集结构物正常运营情况下的位移、受力等信息，并对数据信息进行处理，评价结构物的安全状态。

数据采集系统的重点是选择合适的监测传感器，本项目结合结构物的具体特点、传感器的使用寿命及性能等选择合适的传感器系统，并根据不同传感器的特点，以不同的方式安装在结构物上。具体结构物监测设备分类见表1～3。

图1 系统总体架构

表1 边坡监测设备序号边坡参数设备1地表位移监测北斗监测站2降雨量监测雨量监测站

表2 隧道监测设备序号隧道参数设备1拱顶沉降监测激光测距仪2周边收敛监测激光测距仪

表3 桥梁监测设备序号桥梁参数设备1主梁位移监测北斗监测站2主梁侧倾监测盒式倾角仪3高墩倾斜监测盒式倾角仪4支座滑移监测拉线式位移计

2.3 数据传输系统

通过前期调研，数据传输系统选定无线数据传输方案。无线数据传输方案主要包含了以下几种：4G无线传输、蓝牙传输、Zigbee传输、LoRa+网关无线传输。本项目属于市政工程项目，全线均覆盖了移动、联通、电信3大运营商网络，故选定4G无线传输，效果最佳。

2.4 数据处理与评价系统

数据处理与评估系统是针对传输来的大量原始数据资料，通过数据处理与控制系统，进行深一步的处理和分析。数据处理和控制系统可实现数据查询、存储、可视化等结构化处理，控制着结构上安装的数据采集设备，通过数据库操作实现数据的提取和处理，是对原始数据进行处理和分析的关键系统部分。

安全评价与预警系统的主要功能就是对采集数据进行统计分析。在各种情况下，监测关键参数的变化，通过数据判断出变化趋势，在遇到突发状况的时候，提前判断结构各种状况，在位移等达到限值时发出预警信息。

2.5 供电系统

供电方案主要有两种：一种为光伏+蓄电池供电，另一种为市电供电。光伏+蓄电池供电受天气影响较大，一旦出现长期阴雨天，则极易出现监测系统供电不足的情况，且光伏+蓄电池供电安装难度大，尤其在立交桥上。故本项目采用现场市电供电，所有设备供电均从隧道中引出，并配备开关电源，将交流电转换成可用的直流电为设备供电。

2.6 客户端系统

北斗智能监测云平台具备桥、隧、坡综合管理能力，具有数据展示、查询、导出、分析、预警等功能。

本项目监测预警系统数据兼容接入龙洲湾隧道工程PPP项目全生命周期管理系统中。将预警信息作为PPP项目绩效考核的指标，根据项目考核期间产生的预警信息，对本项目进行绩效考核。具体监测数据链路如图2所示。

图2 监测数据链路

2.7 系统功能

监测系统技术先进、稳定可靠、操作方便、经济实用、便于维护及扩展升级，系统各项监测参数数据的管理、分析，具有以下功能：

1) 各种不同类型设备接入及综合管理。监测系统基于硬件构成、终端分布、网络传输协议、数据采集格式等标准接入多种北斗监测终端和其他类型传感器终端，可通过向BDS接收机及其他类型传感器终端发送用户更改参数命令，调整各个监测点的位置更新率。实现对监测站接收设备远程设置功能。

2) 完整的控制、数据采集和记录功能。将多种监测终端的数据按照其各自的协议实时接入，以支持解算、解析、存储、分析、报警等应用功能。

3) 断电保护、远程控制功能。监测系统具备断电保护功能，在外部电源突然中断时，可保证数据和参数不丢失。远程重启功能，可保证系统长期稳定运行。

4) 数据解析和存储。系统可将多种监测数据进行预处理、解算、解析、格式变换、标准化等处理，并支持原始数据、处理过程和处理结果数据的海量存储。

5) 变形监测分析。通过分析归纳结构物的变形值、变形速率、变形过程、变形规律等，确定发生变形的原因及其规律性，进而对结构物的安全性能做出判断，并对其未来变形值做出预报。

6) 数据可视化功能。以北斗+安全智能监测预警云平台为载体，用图、表的方式对监测数据进行展示，监测云平台兼容国内各主流传感器，可将实时采集的监测数据通过有线/无线数据传输至平台进行存储、分析，并将分析结果和预警信息反馈客户，同时配套提供分析报告，以满足用户对结构管养运维需求。

7) 数据预警、报警及决策功能。监测系统可通过计算分析，得到可能危害结构物安全的变形信息，发出多种形式的预警和报警，为管理决策和应急管理提供支持。预警和报警可通过短信、邮件、电话等多种形式发出，同时生成用于决策的预案和响应流程。

8) 历史数据查询。系统提供多种历史数据查询方式，并可基于历史数据进行数据的分析和挖掘。历史数据可按照时间、变形参数等进行查询后以图表等多种方式输出。

9) 数据上传功能。包括对数据库数据的备份、导入、导出等多种操作。

10) 日常管理功能。具备数据后台处理、数据库管理、数据备份、系统管理、数据存取、操作日志、故障日志预警记录等功能。

3 核心技术

3.1 北斗高精度解算技术

卫星在空中连续发送载波和伪距信号供接收机接收。受传输距离影响，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，因此，可以通过信号传播时间来确定卫星到接收机的距离。卫星与接收机间的距离是北斗定位的基础，根据定位数据解算方法的不同，北斗定位又分为单点定位和相对定位两种；单点定位精度为米级，相对定位精度能达到毫米级。本项目北斗高精度解算软件解算模式为相对定位，解算算法为载波相位差分算法，水平方向精度能够达到±2 mm，高程方向精度能够达到±4 mm。

双频北斗接收机的观测量通常有4类：L1 载波、L2 载波、P1 伪距、P2 伪距。相对定位[3]是根据监测站和基准站接收机的4类观测量来确定监测站与基准站之间相对位置的方法。主要步骤是：基准站和监测站接收机同步观测一组相同的卫星，然后将数据实时发送到数据中心服务器，服务器对数据进行解码和解算， 从而计算出2个测站点在空间坐标系中的相对位置；最后形成基线向量，并通过平差方法求得监测站高精度坐标。相对定位采用的载波相位差分技术能够利用基准站和监测站的差分消除大部分误差，并通过整周模糊度固定得到毫米级高精度监测结果。定位原理如图3所示，不同卫星之间、不同接收机之间和不同观测历元之间的观测量之差。计算如式(1)所示。

图3 相对定位基本原理

(1)

式中：j、k为两个不同的卫星；A、B为2个不同的地面接收机；t为不同的观测历元；φ为载波相位观测量。

3.2 北斗解算流程及原理

1) 数据接收。项目现场接收机将采集到的原始数据发送到数据中心服务器。

2) 数据解码。接收机采集到的数据格式为压缩过的16进制原始数据，因此数据中心要按照数据协议对原始数据进行解码，得到监测站和基准站的4类观测数据以及卫星的广播星历数据。

3) 模型构建。根据载波相位差分原理利用观测数据构建双差方程。

4) 模糊度固定。模糊度固定[4]为载波相位差分算法的核心内容，其基本原理为：接收机的L1载波、L2载波测量实际上就是以载波波长λ1、λ2为“尺子”来测量卫星至接收机间的距离，而接收机仅能记录锁定卫星后的整周计数(n)以及不足一周的小数(f)部分，假设卫星与接收机间的距离为S，则：

S=λN+λ(n+f)+ξ

(2)

式中：λ为载波波长；N为未知的整周模糊度；n+f为接收机载波观测量；ξ为模型误差。整周模糊度固定实际是根据P1、P2观测量、双差模型、各类误差的方差模型，估算出整周模糊度N的值，将模糊度固定为整数。

5) 基线长度计算。根据固定后的整周模糊度计算基准站和监测站之间的距离。

6) 基线平差。步骤5得到的基线长度中包含了随机误差和粗差数据，需要通过基线平差得到监测点的精确位置和形变信息。

经过以上解算步骤，就可以得到监测点的高精度位置数据。

3.3 多系统集成的云物联平台构建技术

基于一个平台+N个应用、模块化构建及多子系统集成的思路，重点研究了可在多领域综合应用、各模块和子系统互不干扰且兼容互联的平台系统。

该平台还是一个采用最新微服务架构的分布式微服务IOT平台，整体平台遵循子系统独立、系统模块化、功能高度封装等原则，具有低耦合、高扩展性等特性。通过多种系统监控、日志分析、健康管理、自动化运维工具等功能，实现平台自动化运维、集群统一化管理。外部数据通过标准API接口输入输出，且支持定制化数据接入；数据输入输出与主系统隔离，外部数据接入使用4A级权限认证体系进行数据通讯；内部与主系统使用内网鉴权进行安全数据传输。所有接口建立统一授权、鉴权机制，做到数据准确、安全高效[5]。

4 结语

以龙洲湾隧道PPP项目运营安全监测项目为背景，重点介绍了一个基于北斗高精度定位技术的多系统集成的结构物安全监测预警系统。该系统不仅与PPP全生命周期动态管理系统全面兼容，且与边坡、桥梁、隧道等各类复杂结构物监测并存于系统时能稳定运行，是一个可在多领域综合应用，各模块和子系统互不干扰且兼容互联的平台系统。该系统的建立为保障该PPP项目的安全运营发挥了重要作用，为后续PPP项目建设运营安全监测预警系统提供了很好的基础。