上海华测导航技术股份有限公司 上海 201700
摘要：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。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。
关键词：GNSS；北斗系统；监测；应用
引言
在上世纪80年代以前，建筑物变形监测以传统的地面测量技术以及和某些特殊的测量方法为主。随着科学技术的进步以及更先进的数据采集设备的出现，无线通讯、计算机、地球科学及空间技术等相关领域的更新与结合，带动了建筑物变形监测技术不断提高和完善。如今建筑物变形监测技术正向多学科、多领域交叉融合的边缘学科方向发展，已逐渐成为各学科研究人员合作研究开发的技术领域。
一、工程概况
郑州至徐州客运专线位于黄淮冲积平原区，沿线分布巨厚、厚层状覆盖层，中浅层为松软土地层；工程线路全长361.937km，正线新建路基工程长度21.428km，均为路堤，其他地段以桥梁方式通过，桥梁比例达93.5%，全线无隧道工程。本线为设计时速350km/h的无砟轨道铁路。全线设郑州东、开封北、兰考南、民权北、商丘、砀山南、永城北、萧县北、徐州东共9个车站，除两端的郑州东站、徐州东站为京广、京沪高铁预留工程外，共新建7个车站（商丘车站位于商丘市区，和既有陇海铁路商丘车站及正在建设的商合杭铁路商丘车站合并设站）。
沿线郑州、开封和商丘等存在由于大量抽取地下水引起的区域地面沉降问题，为此已于2012年3～8月期间开展了“郑徐客专抽取地下水引起区域地面沉降评估”专题研究工作，其后根据“专题研究”结论和建议，自2013年11月起对沉降评估较严重地段开展了现场系统监测工作，目前施工期间现场监测工作及监测报告已完成。本次拟对现场监测发现的沉降量较大地段（主要为雁鸣湖水源地、开封段和商丘段）开展运营阶段的自动监测工作，以确保高速铁路的运营安全。
结合本线工程特点、病害类型和运营阶段的监测工作的特殊性，开展了监测方案的研究。基于目前既有监测技术的调研，考虑技术的可行性、成熟性、方便性，通过多个方案（主要有人工测量方案、DCM结构沉降自动监测方案、多模卫星定位自动监测方案等）的综合比选，拟计划对附加沉降地段（兰考南站（含民权特大桥0#台～8#墩）、萧县北站）采用DCM结构物沉降自动监测方案；对区域地面沉降监测发现的严重地段采用多模卫星定位自动测量方案。而对于商丘站路基段（DK189+456.31～DK192+714.89）既受抽水影响，又存在市政开发基坑降水等多个风险因素影响地段，同时布设DCM结构沉降自动监测系统，以达到准确预报预警作用。
二、高铁线路高架桥监测项目总体设计
2.1系统设计依据
北斗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。
2.2 项目总体设计的原则
高铁线路高架桥北斗实时变形监测系统是一个集计算机技术、通信技术、网络技术、北斗技术等高新技术于一体的综合系统工程。为使高铁线路高架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、经济合理的指导思想；
2)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，必须正确反映各建筑物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
2.3 核心软件及数据处理方法
由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
差分是2个或更多个测站之间的相对定位，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，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就可以加以确定。
用滤波方法消除GNSS动态定位数据中的随机误差，人们首先想到应用最优估计的方法（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。
GNSS动态定位的离散状态空间模型如下：
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：
三、方案的具体布置
考虑到区域地面沉降影响因素复杂、影响范围广、测量工作量大，在运营阶段采用常规测量手段（如人工测量、物位计自动测量等）难以实现，同时也面临一定区域范围内难以找到精密测量所必需的稳定参照基点等困难。因此针对本线区域沉降较严重地段运营阶段的监测建议采用点面结合，常规技术与自动化监测技术相结合的方式，即采取GPS高精度高程测量+相对基点人工校正相结合办法，一方面可规避上述存在的困难，同时可兼顾施工期间既有的地面监测点、地下水位孔进行监测，基本可克服GPS自身测量精度相对较低带来的问题。建立纵向布点、周期采集、高精度高可靠性的地面沉降自动化监测预警系统，实现实时监测，实时掌握高速铁路路基轨道状况，对铁路安全运营起到预警、预报作用。
按照目前情况暂定GNSS监测点47个，基准点4个；分别按照以下区间段布置。监测点在区间段内基本按照每公里布设一个监测点，布设位置考虑在线上两侧；桥梁部分在两侧的护栏外侧翼板位置做支架，路基部分在两侧路肩位置设置观测墩；参考点在运行线路区间段基本按照每十公里左右布设一个参考站，布设位置考虑在垂直线路方向两侧0-3KM位置均可。(具体安装点位位置，根据现场实际情况来定)。GNSS基准站每半年与GNSS基岩点联测一次，修正铁路线新建基站变形量，保障GNSS新建基准站的数据准确性
四、自动化预计平台和监测结果展示
HCMAS预警平台软件是一款集GPS卫星定位、计算机通信、网络传输、数据处理与管理、分析计算及新型传感器等高新技术于一体的系统工程。该软件读取数据库的信息并进行分析处理，并可以实时查询和掌握现场监测点位的数据变化情况
五、结论
自动化监测是变形监测的发展趋势，这种技术的优点是工作效率高，劳动强度小，能实现实时监控，有利于提高测量精度。该技术不仅需要布设能够自动监测的传感器，还要建立满足数据传输和测量控制的通信网络，以及进行数据采集、传输、管理和分析等的计算机软件系统。目前，我国很多重大工程都实现了自动化监测，该项技术已进入实用阶段，但还有许多技术问题需要进一步研究。
参考文献：
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论文作者:杨致祥
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/26
标签：商丘论文; 测量论文; 技术论文; 工程论文; 系统论文; 地面论文; 位置论文; 《防护工程》2019年第6期论文;