CN207395717U - 一种高精度钢构车站形变监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度钢构车站形变监测系统，包括北斗/GPS双模多天线监测系统、静力水准系统、总系统数据处理分析系统；北斗/GPS双模多天线监测系统,用于通过接收若干个卫星信号接收天线传输来的信号,并输出定位信息；静力水准系统安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，用于获取被测物体相对高程变化数据；总系统数据处理分析系统；用于接收北斗/GPS双模多天线监测系统输出定位信息；以及接收静力水准系统输出的高程变化数据，并输出监测报告数据。本实用新型提供的系统采用北斗/GPS双模卫星导航系统，提高作业效率和地区定位导航能力，成本大幅度下降。

Description

一种高精度钢构车站形变监测系统

技术领域

本实用新型涉及钢结构监测技术领域，特别是一种基于北斗/GPS集成的高精度钢构车站形变监测系统。

背景技术

目前，国内对大型钢构建筑的形变数据采集大量采用视频测像法和全站仪、加速度仪、激光干涉仪、应变仪等。这些通用测量仪器都有其各自的优缺点，但存在共性的问题是自动化程度低，人员工作量大，观测易受气候和其它外界条件的影响，由于不是实时动态监测容易漏过重要和危险的信号，且数据采集无法在时间上同步等局限性。

现有建成的大型健康监测系统对位移等形变测量已经引入卫星定位技术。实际工程应用实践中，主要应用于桥梁、大坝等，而在大型建筑钢结构中应用较少，几乎为零。

现有建成的建筑健康监测系统大型钢结构监测推广应用中存在一些比较普遍的问题:现有健康监测系统中监测测试内容较多，没有专门针对建筑全钢构形变特性进行设计开发的监测系统；多数健康监测系统位移测量采用的GPS定位系统，由于GPS系统为美国开发研究，存在关键技术受限制和数据安全性隐患问题；

部分建筑健康监测系统并不是由专业人员设计，或者这些设计者缺乏丰富的桥梁检测与评估经验，使得其测点的布设不甚合理，导致系统测点布置规模差异性较大，造成关键数据缺失。

尽管GPS应用于安全监测领域有着上述种种的固有优势，但在实际应用中它也有着致命的弱点。系统的成本就是一个很大的问题，尤其对于大型的监测更是如此。跨度大、测点多，而精密的测量型GPS接收机价格都非常之高，若是采用传统的GPS监测方案，成本会随着测点的增加呈几何级数的递增，建立起一个较大型的监测系统往往就需要天文数字的预算，从经济角度来看是不适合的。因此，需要一种用于大型钢结构或建筑的位移形变监测的系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种高精度钢构车站形变监测系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型提供的高精度钢构车站形变监测系统，包括北斗/GPS双模多天线监测系统、静力水准系统、总系统数据处理分析系统；

所述北斗/GPS双模多天线监测系统,用于通过接收若干个卫星信号接收天线传输来的信号,并输出定位信息；

所述静力水准系统安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，用于获取被测物体相对高程变化数据；

所述总系统数据处理分析系统；用于接收北斗/GPS双模多天线监测系统输出定位信息；以及接收静力水准系统输出的高程变化数据，并输出监测报告数据。

进一步，所述北斗/GPS双模多天线监测系统包括天线阵列、RF转换电路、北斗/GPS接收机、微处理器和基准站；

所述天线阵列通过低噪声信号放大器与RF转换电路连接，所述RF转换电路与北斗/GPS接收机连接，所述微处理器分别与RF转换电路和北斗/GPS接收机连接；所述微处理器通过北斗/GPS接收机与基准站连接。

进一步，所述RF转换电路包括具有多信号通道接口的转换开关、开关控制电路；所述天线阵列与转换开关对应通道接口连接，所述多信号通道接口与开关控制电路连接；所述转换开关的通断状态受开关控制电路的实时控制。

进一步，所述静力水准系统至少包括两个观测点的静力水准仪；所述静力水准仪包括贮液容器、传感器和微处理器；

所述静力水准仪的贮液容器相互用通液管连通，所述贮液容器内注入液体，所述贮液容器上设置有用于检测贮液容器中液位的传感器；所述传感器将检测到的液位信息输入到微处理器中；所述微处理器通过无线通信网络与总系统数据处理分析系统连接。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：

本实用新型提供的基于北斗/GPS集成的高精度钢构车站形变监测系统具有以下优点：

第一，当前发展最成熟、在测绘地理信息行业中广泛应用的 GPS 系统在具备诸多优点的同时也暴露出了一些缺陷，如在遮挡和多路径严重的环境下存在数据获取效率低下的局限性，尤其是在城镇测量中，例如，老城区的街道、楼房密集的园区、较大建筑物的边角等，都是 GPS 测量的盲区，而这些区域的位置数据又尤为重要。采用北斗/GPS 双模卫星导航系统，可视卫星数目显著增加，有助于改善卫星的几何分布结构，缩短了系统锁定的时间，提高作业效率，并且提高了在遮挡严重的地区定位导航能力，提高系统的可行性，同时有效降低用户对某一系统的依赖性，解决单一系统导航定位安全性不足的问题。

第二，尽管GPS应用于安全监测领域有着上述种种的固有优势，但在实际应用中它也有着致命的弱点。系统的成本就是一个很大的问题，尤其对于大型的监测更是如此。正是基于上述问题，我们研制开发出了一机多天线监测系统，它使一台北斗/GPS集成接收平台能够同时连接多台天线并保证信号完整可靠。这样在每个监测点上将只需要安装天线，而不再需要安装接收机。10个，乃至20多个监测点共用一台接收平台，整个监测系统的成本将大幅度下降。综合考虑铁路车站安全监测系统的精度要求和成本，采用北斗/GPS集成的一机多天线的形变监测系统将是一个非常理想的方案。

第三，使用高程辅助监测系统——液体静力水准测量。由于 GPS 在高程测量精度上仍无法与水准测量相比，为了进一步监测建筑物的倾斜度，可附加测量楼层四个角的高度变化情况，采用自动化的数字监测系统，与卫星定位系统相配合，进一步完善监测系统。另外，在首层对建筑物进行沉降监测，也是进一步提高垂直变形观测精度的好办法。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本实用新型的附图说明如下。

图1为形变监测系统整体示意图。

图2为北斗/GPS双模接收机硬件电路示意图。

图3为静力水准系统初始液位值工作示意图。

图中：1为北斗/GPS双模多天线监测系统、2为静力水准系统、3为总系统数据处理分析系统；11为天线阵列、12为低噪声信号放大器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的基于北斗/GPS集成的高精度钢构车站形变监测系统，采用不同卫星导航系统进行组合定位，在空间上，北斗卫星导航系统在空间上采用2000中国大地坐标系（CGCS2000），而GPS采用WGS-84坐标系。这2种坐标系统的坐标系原点、尺度定向及定向演变的定义均是相同的，使用的参考椭球也非常相近。在时间上，GPS系统采用的时间基准为GPS时GPST（GPS Time），而北斗系统的时间基准则为北斗时BDT（BeiDou Time），二者均为原子时系统，秒长定义一致，均无闰秒问题。GPST 的起算历元为 1980-01-06 T00:00:00，而 BDT 的起算历元为2006-01-01 T 00:00:00，两者除了相差 1356 整周外，系统秒差的计算公式为：GPST＝BDT＋14.0；尽管已经对北斗与GPS两者的时间基准作了统一处理，两系统仍存在65~85 ns的时间同步差，换算为距离即19~26 m。因此，在北斗与GPS双系统集成定位中，为了确保其可行性和可靠性，可采用引入未知参数求解或星间差分的方法进行处理。

本实施例提供的基于北斗/GPS集成的一机多天线监测系统,包括北斗/GPS双模多天线监测系统1（即北斗/GPS多天线控制器）、天线阵列11、传输系统(包括低噪声信号放大器12)、供电系统、基准站系统和数据处理；其中北斗/GPS集成多天线控制器是该系统的核心部件之一,它将无线电通讯中的微波开关、信号传输、计算机实时控制等有机地相结合,使接收机能够互不干扰地接收若干个卫星信号接收天线传输来的信号,再通过后处理获取精确定位信息。一机多天线控制器的硬件部分由具有多通道的微波开关、相应的微波开关控制电路、一台北斗/GPS接收机以及相应的处理芯片组成。微波开关中的信号通道的断通状态受开关控制电路的实时控制,并能够方便地由预设各个通道的开通时间。其中微波开关中各通道GPS信号的处于隔离状态；GPS多天线控制器的供电为交直流两用,还外接太阳能、风能发电等储能供电,非常适合于各种恶劣环境。

为了能够弥补了卫星定位系统在高程垂直位移和倾斜度的监测误差相对较大的问题，本实施例使用高程辅助监测系统（即静力水准系统2）——液体静力水准测量。静力水准系统是测量两点间或多点间相对高程变化的精密仪器。主要用于大型建筑、基坑等垂直位移和倾斜的监测。静力水准系统安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，通常采用一体化模块化自动测量单元采集数据，通过有线或无线通讯与计算机连接，从而实现自动化观测，同时能够实时监测地基沉降观测。

实施例2

如图1，本实施例提供的车站钢结构形变监测系统，主要包括三大部分，第一部分是北斗/GPS双模多天线监测系统1；第二部分是高程辅助监测系统——静力水准系统2；第三部分是总系统数据处理分析系统3；三部分通过无线方式进行数据传输，共同构成了高精度车站钢结构形变监测系统。

北斗/GPS双模多天线监测系统主要包括卫星信号多天线控制器、天线阵列、传输系统(包括信号放大器)、供电系统、基准站系统和微处理器等模块。多个阵列天线与RF转换开关相连，RF转换开关与北斗/GPS接收机相连，一机多天线控制器中的微处理器相连与RF转换开关、北斗/GPS接收机相连。同时，基准站系统与微处理器相连。

多天线转换器包括具有8个信号通道接口的开关和开关控制电路天线阵列组与相应通道接口连接，且该8个信号通道的通断状态受开关控制电路的实时控制，能够方便地由预设各个通道的开通时间。

图中，基准站的天线架设在大地坐标已知点位上，基准站北斗/GPS接收机根据接收到的定位信号和该已知点的坐标得到差分改正数，并不断将差分改正数据通过光纤传输发射到监测站；监测站将差分改正数据通过处理，经过无线网络传输到监控中心。本实施例提供的天线阵列中的天线是通过设置与底座上的圆形凹槽和与凹槽匹配的球状体来安装的；所述球状体上设置天线头，球状体在外力作用下能够改变天线方向以适于天线对准不同方向。所述凹槽外部设置有弹性圈，所述弹性圈通过螺纹调节弹性圈直径，以适于固定凹槽内部的球状体。

同时，为了弥补卫星定位监测中垂直形变监测精度较低的问题，使用高程辅助监测系统，利用液体静力水准测量的方法，在适当位置布设静力水准仪，水准仪的动态数据通过微处理器处理再无线传输至监控中心。

所有数据经过中心服务器进行建模分析，最终得出监测报告，如果出现危险形变问题，及时将结果通过手机端发送报警信息，告知相关负责人员。

如图2所示，UM220通过多个天线接收北斗和GPS卫星信号，解算出导航定位信息，通过USB接口传送给接收机。USB接口具有使用简单、速度快、应用范围广、易于扩展、纠错能力强、总线供电的特点。UM220的通信接口为串口(LVTTL电平)，不能直接与微处理器的USB接口连接，需设训一串口(LVTTL电平)转USB口电路，还需要设计DC/DC电路给UM220模块及外围电路供电。微处理器的USB接口5V电压接到1117芯片的输入端，输出3.3V的VCC1供电电压。DC/DC电路选用的是AMS公司设计生产的1117芯片，这是一种通用的线性稳压器，它具有良好的电压调节功能，其片上微调能够把基准电压调整到1.5%的误差以内。系统采用2.85V电源的有源天线，通过SMA接口连接UM220模块的ANT引脚，利用发光二极管做稳压二极管，将3.3V电压稳定到2.85V，给天线供电。研究只使用了UM220模块的RXD1,TXD1引脚，在这2个引脚上接入了一个LVTTL电平串口用于检测，RXD1,TXD1引脚还与CH340G芯片连接，CH340G芯片与USB接口连接，实现LVTTL电平到USB口的转换。

如图3所示，设计出静力水准系统又称连通管水准仪，系统至少由两个观测点组成，每个观测点安装一套静力水准仪。静力水准仪的贮液容器相互用通液管完全连通，贮液容器内注入液体，当液体液面完全静止后系统中所有连通容器内的液面应同在一个大地水准面上▽0，此时每一容器的液位由传感器测出，即初始液位值分别为：H10、H20、H30、H40、•••••Hi0，图中贮液容器从坐到右依次为测点1、测点2、测点3和测点4。假设被测物体测点1作为基准点，测点2的地基下沉，测点3的地基上升，测点4的地基不变等等，当系统内液面达到平衡静止后形成新的水准面▽i0，则各测点连通容器内的新液位值分别为：H1、H2、H3、H4•••••Hi0，系统各测点的液位由静力水准仪传感器测得，各测点液位变化量分别计算为：△h1=H1-H10、△h2=H2-H20、△h3=H3-H30、△h4=H4-H40•••••△hi=Hi-Hi0。其中计算结果：△hi为正值表示该测点贮液容器内的液面升高，△hi为负值表示该测点贮液容器内的液面降低；在此，选定测点1为基准点，则其它各测点相对基准点的垂直位移(沉降量)为：△H2=△h1-△h2、△H3=△h1-△h3、△H4=△h1-△h4、•••••△Hi=△h1-△hi。其中计算结果：△Hi为正值表示该测点地基抬高，△Hi为负值表示该测点地基沉降；如果知道两测点间的水平距离L，则两测点间相对倾斜的变化也可算得。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的保护范围当中。

Claims (4)

1.一种高精度钢构车站形变监测系统，其特征在于：包括北斗/GPS双模多天线监测系统、静力水准系统和总系统数据处理分析系统；

所述北斗/GPS双模多天线监测系统,用于通过接收若干个卫星信号接收天线传输来的信号,并输出定位信息；所述静力水准系统安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，用于获取被测物体相对高程变化数据；所述总系统数据处理分析系统；用于接收北斗/GPS双模多天线监测系统输出定位信息；以及接收静力水准系统输出的高程变化数据，并输出监测报告数据。

2.如权利要求1所述的高精度钢构车站形变监测系统，其特征在于：所述北斗/GPS双模多天线监测系统包括天线阵列、RF转换电路、北斗/GPS接收机、微处理器和基准站；

所述天线阵列通过低噪声信号放大器与RF转换电路连接，所述RF转换电路与北斗/GPS接收机连接，所述微处理器分别与RF转换电路和北斗/GPS接收机连接；所述微处理器通过北斗/GPS接收机与基准站连接。

3.如权利要求2所述的高精度钢构车站形变监测系统，其特征在于：所述RF转换电路包括具有多信号通道接口的转换开关和开关控制电路；所述天线阵列与转换开关对应通道接口连接，所述多信号通道接口与开关控制电路连接；所述转换开关的通断状态受开关控制电路的实时控制。

4.如权利要求1所述的高精度钢构车站形变监测系统，其特征在于：所述静力水准系统至少包括两个观测点的静力水准仪；所述静力水准仪包括贮液容器、传感器和微处理器；

所述静力水准仪的贮液容器相互用通液管连通，所述贮液容器内注入液体，所述贮液容器上设置有用于检测贮液容器中液位的传感器；所述传感器将检测到的液位信息输入到微处理器中；所述微处理器通过无线通信网络与总系统数据处理分析系统连接。