（大地测量学与测量工程专业论文）基于gps的大跨度桥梁健康监测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，随着国民经济的发展，越来越多的大跨度桥梁进入了人们的视野， 桥梁健康监测一跃成为土木工程界研究的热点，而g p s 定位技术的飞速发展f 好给桥梁健康监测注入了新的血液。因此，基于g p s 的大跨度桥梁健康监测系 统应运而生，并且已经取得了一定的进展。随着监测技术的不断提高，监测数 据的容量急剧上升，为了使监测数据及分析结果有更直观的输出形式，监测可 视化也逐渐进入了桥梁健康监测系统的范畴。 首先，本文从介绍桥梁健康监测的概念入手，分析了桥梁健康监测的目的、 意义及必要性，详细介绍了作为系统构建所需的相关学科内容，如g p s 定位、 o p e n g l 可视化、桥梁结构分析及健康评估等。 其次，从桥梁健康监测系统的设计准则出发，提出了一套完整的基于g p s 大跨度桥梁健康监测系统的总体设计方案。包括系统应具备的硬件组成和软件 组成、监测项目方案的制定方法及g p s 测点的布置、适合基于g p s 桥梁监测系 统的数据采集和传输方案、系统运行过程中要进行的数据处理和分析。 然后，作为本文研究的重点，以三跨两铰悬索桥为例，开发了一套桥梁位 移实时监测的动态演示系统。系统以v i s u a lc + + 6 o 为开发工具，o p e n g l 为 图形接口，并利用o p e n g l 提供的实体建模、光照、纹理映射的系列先进特 性，通过监测数据计算出整个桥梁的瞬时形态，实时进行实体建模，动态显示 桥梁的即时三维状态和测点的时程曲线，并且添加了系统的启动、停止、退出、 视图选择、尺寸缩放等的一些附加功能。 最后，对桥梁健康评估系统中结构位移反演结构受力功能进行了初步的构 想，而且对桥梁结构动态特性分析进行了研究。然后从桥梁健康评估系统要实 现的功能出发，总体上把握桥梁健康评估系统的构建流程，分析了其功能组成， 并介绍了预警功能的实现方法。 关键词：g p s ；大跨度桥梁：o p e n g l ：实时健康监测；安全评估 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 大跨桥梁健康监测的目的和意义 1 1 1 桥梁健康监测的概念 大型桥梁的建设和维护是一个国家基础设施建设的重要部分，每一座大型 桥梁都是人类文明发展的丰碑，而桥梁健康监测则是运用现代传感与通信技 术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结 构状况和环境因素的各种信息，由此分析结构健康状态、评估结构的可靠性， 为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。同时，大型桥梁结构健康监测对于验 证与改进结构设计理论与方法、开发与实现各种结构控制技术以及深入研究大 型桥梁结构的未知问题具有重要意义。因此，健康监测为桥粱工程的发展开辟 了新的空间i j 】。 1 1 2 桥梁健康监测的必要性 随着科学技术的进步以及交通运输的需求，许多大跨度桥梁应运而生，尤 其是悬索桥、斜拉桥以其跨度大，造型优美，节省材料而备受人们的青睐，成 为大跨度桥梁的首选。但随着跨度的增大，从几百米到3 0 0 0 米；加劲粱的高 跨比越来越小，( 1 4 0 1 3 0 0 ) ；安全系数也随之下降，由以前的4 5 下降为 2 3 。另外，由于其柔性大，频率低，对风的作用很敏感。近年来由于缺乏必 要的监测和相应的养护，世界各地出现了大量桥梁损坏事故，给国民经济和生 命财产造成了巨大损失。 例如，美国现有的约5 0 万座公路桥中，2 0 万座以上存在不同程度的损伤。 1 9 6 7 年2 月横跨美国俄亥俄河上的银桥突然倒塌，造成4 6 入死于非命。1 9 9 4 年l o 月韩国汉城发生了横跨汉江的圣水大桥中央断场5 0 m ，其中1 5 m 掉入江中， 造成死亡3 2 人、重伤17 人的重大事故。1 9 4 0 年完工的主跨8 5 3 m 的塔可马大 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 桥( t a c o m an a r r o w s ) ，只使用了三个月，便在1 9 m s 的j x l 速下造成了塌桥事 故，1 9 5 1 年主跨1 2 8 0 m 的会门大桥于j ) ( i 速1 5 1 5 2 0 m s 时因振动而造成桥体部 分损坏，等等。因此，实时掌握大型桥梁的运营状况和安全状态就显得尤其重 要 桥梁健康监测系统的建立，自够实时监测反映桥梁安全状况，借此可以合 理地进行交通管制，保障人民生命财产的安全。通过实时或准实时的损伤检测， 在遭受船舶撞击或其他事故后能评估桥梁的承载能力和结构安全。自动对大桥 运营期出现的损伤进行定性、定位和定量分析，对关键监控参数值的异常变化 实施报警处理，以确保桥梁的安全使用，避免突然性结构破坏造成的重大损失， 防患于未然。 传统的桥梁检测工作是采用人工检测手段定期或不定期( 比如桥梁结构受 到意外损伤、载荷突变、处于特殊气象环境等情况下) 分别对桥梁的关键部位 单独检测，并将现场测试数据带回实验室进行分析处理。对于一般的桥梁结构， 这种时间跨度很长的离线处理方法是可行的，但大型桥梁结构则有所不同，其 主要承重构件数量众多、尺寸巨大，运营过程中构件之间的受力关系错综复杂， 如果仍然使用传统方法，桥梁现场的实际情况难以全面掌握。因此，在桥梁建 造施工阶段将各种传感器预先埋设在桥梁关键部位的内部或在桥梁运营阶段 布设无损检测设备，构成桥梁健康监测系统，实时自动监测桥梁结构的交通载 荷和环境载荷，是大型桥梁结构检测方式的发展趋势。 1 1 3 桥梁健康监测意义： 评估和预警 可阻实时掌握桥梁现场的交通状况，有利于桥梁管理部门进行合理的交通 管制，及早发现桥梁病害，确定桥梁损伤部位并进行定性和定量分析，在突发 事件之后还可以评估桥梁的剩余寿命，为维修养护和管理决策提供依据和指 导，在桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，有效预防安全事故，保障人民 生命财产的安全。 设计验证 由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段安 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 全掌握和预测其力学特性和行为特性是非常困难的。因此，通过桥梁健康检测 所获得的实际结构的动静力行为来检验大桥的理论模型和计算假定具有重要 意义。不仅对设计理论和设计模型有验证作用，而且有益于新的设计理论的形 成。 研究与发展 桥梁健康监测带来的将不仅是监测系统和某种特定桥梁设计的反恳，它还 可能并成为桥梁研究的现场实验室。由于运营中的桥梁结构及其环境所获得信 息不仅是理论研究和实验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规 律的最真实的信息。 1 。2 桥梁健康监测的研究现状 1 2 1 国内外桥梁健康监测的应用 基础设旌的建设发展大致经历以下三个阶段：大规模新建阶段、新建与技 术改造并重阶段、既有结构的维修加固阶段。桥梁工程也不例外，随着桥梁结 构的自然老化和损伤积累，也因为车辆荷载的增加和养护维修的欠缺等不利因 素的影响，桥梁病窖日益严重，承载能力和工作状态不满足规定要求的越来越 多。在西方工业发达国家，自上世纪8 0 年代后，其研究和工作的重点也转移 到桥梁的健康监测、检测评估、维修加固阶段。 1 9 6 7 年1 2 月，俄亥俄河上的银桥倒塌，这使得桥梁健康检测发生了重大 发展。在1 9 7 1 年，美国制定了国家桥梁检测标准( n b i s ) ，提供了检测方法的 细节，检测时间间隔和检测人员资格的统一的指导。从而奠定了桥梁结构检测 和监测的基础。8 0 年代中后期开始，各种规模的桥梁结构健康监测系统相继建 立起来，用以验证设计假定、监视施工质量和服役安全状况，例如，英国在总 长5 2 2 m 的三跨变高度连续钢箱梁桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆 与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场， 该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析 和数据网络共享。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的s k a r n s u n d e t 斜拉 桥( 主跨5 3 0 m ) 、美i 雪主跨4 4 0 m 的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 斜拉桥、丹麦主跨 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 是g p s 卫星信号解算精度的提高，t 、，以实现实时、高动态、高精度位移测量， 为大型结构物实时安全性监测提供了条件。现在g p s 技术测量采样率可达1 0 h z ， 精度平面内1 c m ，高程2 c m ，而大跨桥梁主要振动频率都在o 5 h z 以下，振 幅在车辆随机激励下在l o c m 左右，在台风作用下可达米级，目前g p s 采样率 完全可以满足振动测试的需要。因此，采用g p sr t k 技术对大型桥梁结构进行 健康监测成为现实。 国内外已有许多采用g p s 进行大型结构物动态监测的许多成功的事例，例 如加拿大的卡尔加里塔、英国的亨伯大桥、日本明石的凯约大桥、香港青马控 制区的三桥、新加坡的共和国大厦，以及中国的虎门大桥和深圳帝王大厦等， 都成功地应用了g p s 技术进行动态监测工作。这里主要介绍g p s 在桥梁动态监 测方面的几个例子【引。 日本明石海峡大桥，这是一座主跨长度为1 9 9 1 m 总长为3 9 1 0 的悬索桥。 g p s 用于测定桥中跨的中点、一个塔的塔顶和桥梁一端锚地点的三维坐标，其 中锚地点的坐标用于做参照，对监测点三维坐标进行换算以计算在桥梁轴线方 向上的位移。同时测定相应点处的温度和风力风向，以获取位移值和温度的对 应关系、风速与位移值的关系。g p s 接收机为l e i c a m c l 0 0 0 型，在地震和强台 风时的数据采样频率为2 0 h z 。监测系统建立的目的是保证交通安全和结构的稳 固性。 在香港青马控制区的三座悬索或拉索桥也安装了g p s 桥梁监测系统。该系 统由g p s 测量系统、信息采集系统、数据处理系统和系统运行与控制系统四部 分组成。g p s 接收机主要安装在桥面两侧和塔顶处，一共装有2 7 个g p s 接收机。 数据采样频率是l o h z 。通过差分g p s 实时动态测量的方法得到监测点的三维坐 标，并通过信息采集系统同步地传输到信息处理与分析中心。监测的目的是为 了实时获得桥体和桥塔的瞬时位移，以便进一步计算桥体主结构的压力，评估 桥的载荷能力、工作状态和耐久 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 科学家们爿i 仅需要通过图形、图像来分析计算机算出的数据，而且需要了解在 计算过程中数据的变化。随着计算机技术的发展，可视化的概念已经大大扩展， 它不仅包括科学计算可视化，而且包括工程数据和测量数掘的可视化l l ”。 可视化是人们直观研究和分析海量数据的强有力手段。在构筑物的实时监 测系统中，监测数据的可视化可以非常清楚地反映出结构的动态变化情况。因 此，对监测数据信息的可视化，是大型构筑物健康动态监测系统必不可少的功 能之一。通常对不同的监测结果采用不同的可视化。例如，温度的日变化曲线、 监测点在三维方向上的位移曲线、在特定方向( 如轴向) 上位移变化图、温度 与位移的关系图、温度与载荷的关系图等等。此外，就长跨的悬索桥而言，加 劲粱在垂直方向上的实时位移对分析桥梁变形与载荷的关系就是十分有效的。 正如上面所说，诸多的桥梁监测系统绝大部分都是将测量数据进行了二维 显示。采用最多的方式是时程曲线，绘制测点坐标随时间变化的轨迹。为了能 够更加直观地观察桥梁在任何时候的状态和形状，以三维实体的模型来做实时 动态演示才是最好的实现方法。但是由于要将实时测得数据可视化，进行实体 建模，诸多的绘图软件就捉襟见肘了。如现在常用的3 d m a x 建模软件，许多的 动画、加工模型、建筑物效果图等，都常用它来建模，但是要让它采用实时的 数据来建模进行显示，却有相当大的难度了。a u t o c a d 提供了二次开发的方法， 但是它没有提供实时刷新功能，所以也很难用于实体的动态演示。因此，我们 考虑采用更底层的图形开发途径，0 p e n g l 作为独立于操作系统和硬件环境的三 维图形库，给我们带来了有利条件，0 p e n g l 有强大的图形功能和跨平台的能力， 被人们广泛应用于科学可视化、实体造型、c a d c a m 、模拟仿真等诸多领域。 而且在现有许多桥梁实时监测系统中，也有一些采用0 p e n g l 作为图形开发工 具进行可视化的。 如虎门大桥的监测系统中，加入了三维位移实时动态演示系统。采用g p s 测量得来实时的测点坐标数据，不但使位移图形演示完全做到实时，而且还可 以实现对桥梁的实时漫游，并可以同时显示出桥身的位移一时程曲线。如下图 所示【2 1 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 可靠性。为此，进一步改进各评估理论的缺陷并探讨综合多种评估理论进行评 估的可行性成为当务之急。针对大型桥梁状态综合评估的特点，以及评估技术 的现状，将“软科学”中的综合评估方法应用于大型桥梁状态综合评估中不失 为一种有意义的尝试。 1 3 本文研究的主要内容 如上所述，基于g p s 的大跨度桥梁健康监测的研究己在国内外迅速展开， 许多的g p s 监测系统应运而生。本文作为一个综述，从总体上构建了一套完整 的基于g p s 的大跨度桥梁健康监测系统，而且加入了一些新的功能。如桥梁位 移实时监测的动态演示系统，不仅实现了测点时程曲线的绘制，而且实现了桥 梁三维实体的实时建模和动态演示。另外对桥梁健康评估系统中对于结构位移 反演结构受力功能进行了初步的构想。 本文研究的主要内容： 1 、首先介绍大跨桥梁健康监测的概念、目的和意义，以及现阶段国内外 桥梁健康监测及相关技术( 如g p s 、可视化、桥梁安全评估等) 的发展状况， 然后重点介绍了g p s 的基本知识和r t k 位移监测的基本原理，对于用于本论文 中构建动态演示系统的o p e n g l 可视化技术也作了详尽的阐述和说明。 2 、基于g p s 大跨桥梁健康监测系统的总体设计。从桥梁健康监溯系统的 设计准则出发，提出了系统应具备的硬件组成，分析了监测项目方案的制定方 法及g p s 测点的布置，构建了适合基于g p s 桥梁监测系统的数据采集和传输方 案。对监测启动时要进行的数据处理分别进行了介绍，最后基于监测系统的软 件系统的组成和设计原则作了一定分析。 3 、桥梁位移实时监测的动态演示系统。本文以v i s u a lc + + 6 o 为开发工 具，0 p e n g l 为图形接口，并利用o p e n g l 提供的实体建模、光照、纹理映射的 一系列先进特性，通过监测系统的测点数据计算出整个桥梁的瞬时形态，用 o p e n g l 进行实体建模，并动态显示出桥梁的即时三维实体状态和测点的时程曲 线，且实现了系统的启动、停止等基本功能和视图、尺寸缩放等附加功能。 4 、桥梁结构分析与安全评估。实时监测与理论分析结合起来分析全桥情 况，通过监测部分位移，计算桥梁主要构件受力及桥梁结构的动力特性。然后 从健康监测评估系统要实现的功能出发，总体上把握桥梁健康监测评估系统的 构建流程，系统功能组成及预警系统的研制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章基于g p s 的大跨桥梁健康监测相关技术 2 1 全球定位系统( g p s ) 简介 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国国防部主要 为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立 的。该系统从本世纪7 0 年代初开始设计、研制，历经约2 0 年，予1 9 9 3 年6 月建成，井投入使用。g p s 系统由三部分构成，分别为空间星座部分、地面监 控部分、用户设备部分，空间星座和地面监控部分由美国国防部控制，用户使 用g p s 接收机接收卫星信号进行高精度的精密定位以及高精度的时间传递。目 前，二十多颗g p s 卫星已覆盖了全球，每颗卫星均在不问断地向地球播发调制 在两个频段上的卫星信号。在地球上任何一点，均可连续地同步观测至少4 颗 g p s 卫星，从而保障了全球、全天候的连续地三维定位。 g p s 系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。g p s 的空间部分 是由2 4 颗g p s 工作卫星所组成的。这些g p s 工作卫星共同组成了g p s 卫星星 座。其中2 1 颗为可用于导航的卫星，3 颗为活动的备用卫星，这2 4 颗卫星分 布在6 个倾角为5 5 。的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为1 2 恒星时， 每颗g p s 工作卫星都发出用于导航定位的信号，g p s 用户正是利用这些信号来 进行工作的。g p s 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系 统。根据其作用的不同这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。g p s 的 用户部分由g p s 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器 等所组成。它的作用是接收g p s 卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定 位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的g p s 系统。 全球卫星定位系统的迅速发展，引起了各国军事部门和广大民用部门的普 遍关注。g p s 定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力。也引 起了广大测量工作者的极大兴趣。特别是近二十年来，g p s 定位技术在应用基 础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速发展。 目前，这一定位技术已普遍应用在大地测量、工程测量、工程和地壳变形测量、 地籍测量、航空摄影和海洋测绘、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程 地籍测量、航空摄影和海洋测绘、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 变形监测、资源勘察、地球动力学等诸多测量领域。可以认为，g p s 定位技术 已经使经典的测量技术经历了一场意义深远的变革，从而进入了一个崭新的时 代【3 。 由于对测量而言，导航方式的定位精度太低，因此，主要利用相对定位的 方式进行测量，即同时使用两台以上的g p s 接收机进行测量。由于同时工作的 相邻的两台g p s 接收机的信号具有共同的误差特性，在差分解算的过程中，这 些公共误差将被抵消，最后可得到具有较高精度的两台接收机之间的相对坐 标。通常一台接收机固定不动，作为已知站，另一台作为未知站，以固定的方 式( 静态) 或流动的方式( 动态) 放置。参考站和流动站同时观测相同的卫星， 参考站将观测到的数据通过数据链( d a t al i n k ) 传送到流动站，流动站将该数 据与本身观测到的数据进行差分解算，从而得到流动站与参考站之间的相对位 置，这种相对位置具有较高的精度。 在测量上，这种差分形式具体可分为三类，第一种为实时差分( r e a lt i m e d i f f e r e n c e ) ，即在运动中利甩伪距进行实时差分解算，精度可达米级；第二 种为静态测量，即静态地采集载波相位观测值，然后再对这种观测值进行后处 理，其精度可达数毫米，是目前精度最高的一种定位方式；第三种为实时动态 ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) ，即在运动中利用载波相位进行实时差分解算，精度 可达厘米级。 对于监测大型桥梁位移来说，相对于经典测量技术，这一新技术的主要特 点如下： 1 、由于g p s 是接收卫星定位，所以桥上各点只要能接收到5 颗以上g p s 卫星及基准站传来的g p s 差分信号，即可进行g p sr t k 差分定位。各监测站之 间勿需通视，是相互独立的观测值，而且可以实现不同测点问的同步观测。 2 、g p s 观测工作可以在任何地点，任何时间连续地进行，受外界大气影响 小，目前的g p s 卫星定位仪都具有防水装置，可以在暴风雨中进行监测。 3 、g p s 测定位移自动化程度高。从接收信号，捕捉卫星，到完成r t k 差分 位移都可由仪器自动完成。所测三维坐标可直接存入监控中心服务器进行桥梁 安全性分析。 4 、g p s 定位速度快、精度高。在精确测定观测站平面位置的同时，可以精 确测定观测站的大地高程，提供三维坐标。g p sr t k 可达l o h z 到2 0 h z 速率输 出定位结果，实时定位精度平面可达l o 啪，高程可达2 0 i i l 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 g p s 中r t k 技术的主要原理： r t kg p s 即实时动态g p s 技术，它是一种可以实时获得测点最终三维坐标 的g p s 测量方法，r t k 测量也叫单基站载波相位d g p s 测量，与单基站伪距d g p s 测量的主要差别是，前者的d g p s 数据为载波相位校正值。基准站接收机所测 得的载波滞后相位为 心 ：+ a c ：! ( t ) + 叫( t ) = ( t ) + ! 掣兄+ c 【d i ( t ) d 耳( t ) 】 ( 2 一1 ) 式中：五为以米为单位的g p s 载波波长；n ：为基准站接收机对第j 颗g p s 卫星作载波相位测量的波数；五c ! ( t ) 为基准站接收机对第j 颗g p s 卫星作载波 相位测量时在时元t 的多普勒计数；? ( t ) 为基准站接收机对第j 颗g p s 卫星 作载波相位测量时在时元t 的小于一个周期的观测值( 以米为单位) ；p ! ( t ) 为 基准站接收机至第j 颗g p s 卫星在时元t 的真实距离；a ：( t ) 为基准站接收机 对第j 颞g p s 卫星作载波相位测量的电离层效应影响系数；f 为载波频率；d t ：( t ) 为第j 颗g p s 卫星时钟在时元t 相对于g p s 时系的偏差( 卫星钟差) ；d t r ( t ) 为 基准站接收机时钟在时元t 相对于g p s 时系的偏差( 接收机钟差) ；c 为电磁波 的传播速率。 根据基准站r 的已知三维坐标和第j 颗g p s 卫星在时元t 的在轨位置，算 得基准站r 至第j 颗g p s 卫星在时元t 的真实距离p ；d ，进而求得g p s 载波 相位测量的校正值： ? ( t ) ： x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 似的三维景象。另外0 p e n g l 还可以进行三维交互、动作模拟等。其体的功能 主要有以下这些内容。 ( 1 ) 模型绘制 o p e n g l 能够绘制点、线和多边形。应用这些基本的形体，可以构造出几乎 所有的三维模型。0 p e n g l 通常用模型的多边形的顶点来描述三维模型。 ( 2 ) 模型观察 在建立了三维景物模型后，就需要用o p e n g l 描述如何观察所建立的三维 模型。观察三维模型是通过一系列的坐标变换进行的。模型的坐标变换在使观 察者能够在视点位置观察与视点相适应的三维模型景观。在整个三维模型的观 察过程中，投影变换的类型决定观察三维模型的观察方式，不同的投影变换得 到的三维模型的景象也是不同的。最后的视窗变换则对模型的景象进行裁剪缩 放，即决定整个三维模型在屏幕上的图象。 ( 3 ) 颜色模式的指定 o p e n g l 应用了一些专门的函数来指定三维模型的颜色。程序开发者可以选 择二个颜色模式，即r g b a 模式和颜色表模式。在r g b a 模式中，颜色直接由r g b 值来指定；在颜色表模式中，颜色值则由颜色表中的一个颜色索引值来指定。 ( 4 ) 光照应用 用o p e n g l 绘制的三维模型必须加上光照才能更加与客观物体相似。o p e n g l 提供了管理四种光( 辐射光、环境光、镜面光和漫反射光) 的方法，另外还可以 指定模型表面的反射特性。 ( 5 ) 图像效果增强 0 p e n g l 提供了一系列的增强三维景观的图象效果的函数，这些函数通过反 走样、混合和雾化来增强图像的效果。反走样用于改善图像中线段图形的锯齿 而更平滑，混合用于处理模型的半透明效果，雾使得影像从视点到远处逐渐褪 色，更接近于真实。 ( 6 ) 位图和图象处理 0 p e n g l 还提供了专门对位图和图像进行操作的函数。 ( 7 ) 纹理映射 三维景物因缺少景物的具体细节而显得不够真实，为了更加逼真地表现三 维景物，0 p e n g l 提供了纹理映射的功能。o p e n g l 提供的一系列纹理映射函数 使得开发者可以十分方便地把真实图像贴到景物的多边形上，从而可以在视窗 内绘制逼真的三维景观。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ( 8 ) 实时动嘲 为了获得平滑的动画效果，需要先在内存中生成下一幅图像，然后把已经 生成的图像从内存拷贝到屏幕上，这就是o p e n g l 的双存技术( d o u b leb u f f e r ) 。 0 p e n g l 提供了双缓存技术的一系列函数。 ( 9 ) 交互技术 目前有许多图形应用需要人机交互，o p e n g l 提供了方便的三维图形人机交 互接口，用户可以选择修改三维景观中的物体。 2 3 2o p e n g l 工作流程 图2 2o p e n g l 的基本工作流程 其中几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集，这些数据经过流 程图的上部，包括运算器、逐个顶点操作等；图像数据包括象素集、影像集、 位图集等，图像象素数据的处理方式与几何顶点数据的处理方式是不同的，但 它们都经过光栅化、逐个片元( f r a g m e n t ) 处理直至把最后的光栅数据写入帧缓 冲器。在0 p e n g l 中的所有数据包括几何顶点数据和象素数据都可以被存储在 显示列表中或者立即可以得到处理。0 p e n g l 中，显示列表技术是一项重要的技 术。 o p e n g l 要求把所有的几何图形单元都用顶点来描述，这样运算器和逐个顶 点计算操作都可以针对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图形碎 片；对于象素数据，象素操作结果被存储在纹理组装用的内存中，再和几何顶 点操作一样光栅化形成图形片元。 整个流程操作的最后，图形片元都要进行一系列的逐个片元操作，这样最 后的象素值b z 送入帧缓冲器实现图形的显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 2 3 3 0 p e n g l 图形操作步骤 ( 1 ) 根据基本图形单元建立景物模型，并且对所建立的模型进行数学描述 ( o p e n g l 中把点、线、多边形、图像和位图都作为基本图形单元) ； ( 2 ) 把景物模型放在三维空问中的合适的位置，并且设置视点以观察所感 兴趣的景观； ( 3 ) 计算模型中所有物体的色彩，其中的色彩根据应用要求来确定，同时 确定光照条件、纹理粘贴方式等； ( 4 ) 把景物模型的数学描述及其色彩信息转换至计算机屏幕上的象素，这 个过程也就是光栅化。 在这些步骤的执行过程中，o p e n g l 可能执行其他的一些操作，例如自动消 隐处理等。另外，景物光栅化之后被送入帧缓冲器之前还可以根据需要对象素 数据进行操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第三章基于g p s 的大跨桥梁健康监测系统的总体 设计 桥梁结构健康监测的设计应遵循如下设计准则： 一、监测系统的设计首先应该考虑建立该系统的目的和功能。第一章所述 的桥梁健康监测三方面的意义也正是桥梁健康监测的目的和功能所在。对于特 定的桥梁，建立健康监测系统的目的可以是桥梁监控与评估，或是设计验证， 甚至以研究发展为目的。一旦建立系统的目的确定，系统的监测项目就可以基 本上确定。 二、系统投资额的限制。监测系统中各监测项目的规模以及所采用的传感 仪器和通信设备等的确定需要考虑投资的限度。因此在设计监测系统时必须对 监测系统方案进行成本效益分析。根据功能要求和成本效益分析可以将监测项 目和测点数设计到所需的范围之内，并最优化地选择并安装系统硬件设施。 三、确保桥梁结构的安全运营是桥梁设计的首要任务，监测项目的选择必 须是桥梁设计中起控制作用的部位或设计所希望考察的关键部位或参数。 从实际需求出发，桥梁健康监测系统在设计时应包括以下一些内容： 测量与数据自动采集与传输 数据存储管理与查询应用 结构实时形变动态演示 安全报警 结构健康与安全评估 3 1 系统组成概述 基于g p s 的大跨桥梁健康监测系统的硬件主要由g p s 基准站、g p s 监测站、 光纤通信链路和g p s 监铡中心，而监测中心由工作站、服务器和局域网组成。 各个部分的功能如下： g p s 基准站：输出r t c m 数据和原始数据。 g p s 流动站：输出r t k 差分结果和原始数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 附加传感器：如风速计、温度计、车辆称重仪等。提供桥梁结构变形 分析的监测数据。 工控机：采集g p s 流动站的原始数掘和r t k 差分结果，向g p s 流动站 发送控制命令。通过切换开关控制共享、分配器的工作。 远程控制器：远程启动和复位g p s 流动站，改变g p s 接收机的采样频 率。 共享、分配器：把差分信号由1 路分成多路，每路差分信号和对应的 控制命令通过切换开关共享一路。 局域网：网络包括网络光调制解调器、光纤、集线器和网线等，提供 数据库存取和文件操作的通道。 服务器：运行数据库，处理工控机发送来的数据供工作站显示和分析。 工作站：显示终端，实时显示桥梁监测结果，如桥梁的动态演示，进 行结构分析和健康评估，将分析和评估结果显示出来。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图3 一lg p s 监控系统总体设计图 3 2 监测项目方案制定 目前已有的桥梁健康监测系统的监测项目和规模存在较大差异，原因主要 是桥梁的结构形态、桥梁所处的地理环境不尽相同，还有每个监测系统的功能 要求和资金投入也有很大差别。监测系统的监测项目、内容和对象是决定能否 为桥梁结构的工作状态和安全状态提供准确的评估结论的前提和基础。要确定 监测系统的监测项目，首先应该考虑建立该监测系统的目标和功能。对于特定 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 的桥梁，建立健康监测系统的目标可以是结构监控与评估，或者是结构设计验 证，甚至是以桥梁设计理论的研究发展为目标。而监测系统中各个监测项目的 规模以及所采用的传感仪器和通信设备的选择则需要考虑投资的限度。在监测 系统的总体设计阶段，应当对监测系统方案进行成本效益分析。根据功能要求 和成本效益分析的结果，可以充分利用有限的项目资金，对监测项目和测点数 量进行优化设计。 基于g p s 的大跨桥梁健康监测，主要是利用g p s 进行桥梁结构整体性能的 监测。包括桥梁结构位移变形的监测和桥梁动力特性及振动水平的监测。 桥梁结构位移变形监测，重点考虑桥梁基础沉降变形监测和加劲粱挠度和 桥塔位移变形监测。桥梁结构基础的稳定，是确保桥梁安全运营的前提，桥梁 基础的沉降会给桥梁结构造成多方面不利影响。过大沉降，特别是基础不均匀 沉降会引起桥梁结构前半生过大的附加内力、桥梁线形的恶化以及桥梁附属设 施( 支座、伸缩缝、栏杆等) 的损坏。桥梁作用下的加劲粱的轴线和桥塔位置 是桥梁整体安全状态的重要标志。活载作用下，加劲梁的挠度是评价桥梁使用 功能和安全性的重要指标之一，是桥梁整体刚度的重要标志。通过对桥梁基础 沉降变形监测和加劲梁挠度以及桥上运行荷载的监测，可以从整体上把握桥梁 健康和安全状态。 桥梁动力特性参数( 频率、振型、阻尼等) 和振动水平( 振动强度和幅值) 也是桥梁整体安全的重要标志，桥梁质量的退化会引起结构振动特性的改变， 例如桥梁结构刚度的降低会引起桥梁自振频率的降低，桥梁局部振型的改变可 能暗示着结构局部损坏。因此对桥梁动力特性及振动水平的监测能够起到整体 上对桥梁结构健康状态监测的目的。 g p s 测点的布置。首先要在选定的相对稳定的桥外固定点上安景g p s 接收 机，作为g p s 基准站。加劲梁的主跨跨中一般来说是桥梁变形最大的部位，因 此要在该部位设置g p s 测点。为了能够即时根据测点数据得出加劲梁的线型， 在1 4 跨分别为安置g p s 接收机，同时可测量加劲梁在变形时的挠度及振动特 性。在桥塔顶部，考虑到桥塔为高耸结构，在较大风速下变形较大，故监测该 部位。大桥的钢索索力状态是衡量大桥是否处于正常运作状态的一个重要标 志，因此如果资源充足，可以在g p s 主缆上设置g p s 测点。若边跨跨度较大， 在边跨跨中设置g p s 测点，能够更加准确地得出桥梁线型和评估桥梁的安全状 态。 要全面评价桥梁的健康状态，不仅要对结构整体性能监测，而且要监测结 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 构的耐久性，包括混凝土无损监测、预应力损失监测、预应力钢筋锈蚀监测、 主缆和吊索断丝监测、主缆和吊索的锈蚀及安全性监测、桥墩冲刷状况监测等。 还有加劲粱、主缆、吊索等的应力监测。 根据项目的建立目的，如桥梁产生较大变形的原因，要进行桥梁工作环境 监测，一般包括风速风向、环境温度与结构温度分布、车辆荷载等等。 3 3 数据采集和传输系统的方案制定 对于整个监测系统而言数据采集部分是基础，是整个监测系统数据的来 源。桥梁健康监测系统能否对桥梁结构的健康状态和安全寿命做出正确的评 估，能否为验证设计和修改规范提供科学的依据，取决于数据采集系统能否采 集到准确、可靠、有代表性、能如实反映结构状态的各种特征信息。 大跨桥的位移监测系统，要求能够2 4 小时连续、实时自动地工作，监控 桥梁在风荷载、温度变化、地震车辆行驶作用下的位移状况，具有实时性高、 采样数据量较大的特点，对数据采集及传输方面提出了较高的要求。 g p s 监测系统是一组不停运作的实时监测系统，当悬吊体系桥梁遇上恶劣 天气和运作环境时，g p s 监测系统所得的数据更为宝贵，故此对数据传输的稳 定性和可靠性都有较高要求。因此系统采用高效率和高稳定性的光纤网络。由 于光纤不受电磁波干扰，在恶劣作业环境下，如雷暴、高压电流的电磁场影响、 强风等，光纤通讯阿络仍能维持高水平的数据传输质素和速度。先进的光纤收 发仪器更能侦测光纤网络信息的中断并发出警号，让维修人员实时知道通讯网 络出现问题的位置，确保系统工作效率。 g p s ( r t k ) 实时位移监测系统信号流程 1 、差分信号的传送 由于大桥实时监测系统的精度要求较高，水平x 、y 的误差为1 c m ，高 程误差为2 c m ，所以采用的r t k 差分方式，差分信号传递的实时性比较强。为 减少信号延迟，在系统的设计时差分信号回路应减少控制。差分信号的传递路 径如图3 ： 图3 2 差分信号流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 2 、控制命令的传递 根据数据的分析要求和监测系统的实际情况，g p s 接收机应能单独输出o 一2 0 h z 采样频率的r t k 数据，也能同时输出r t k 结果和原始数据，这样系统能 根据实际的需要远距离设置桥上g p s 接收机的参数。系统的实现是先由工作站 的设置程序通过网络通信去控制工控机上的数据采集程序，再由采集程序根据 工作站的命令控制切换开关，向各个g p s 接收机发送指令。控制命令的具体流 程见下图： 图3 3 控制命令流程 3 、r t k 差分结果和原始数据传递 r t k 数据、原始数据的采集是系统工作的核心，通信回路上的数据量也是 最大的。系统能处理两种数据任意频率的组合，通过工控机的处理，r t k 结果 以数据库方式存入服务器，原始数据以文件形式写入，具体流程如下图： 3 4 监测数据处理 图p 4r t k 数据、原始数据流程 桥梁结构健康动态监测系统中，要进行的数据处理与分析主要包括：w g s 一8 4 坐标到桥梁局部坐标系变换、风对大桥位移的影响、温度对大桥竖向位移 的影响、车辆对大桥竖向位移的影响、频谱分析、监测数据压缩存储等。 监测数据预处理 对于任何一个监测系统，其监测数据中或多或少会存在一些奇异值，尤其 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 是g p s 接收信号存在噪声，在用作演示前凄进行监测数据的平滑处理，在变形 分析的开始，有必要将该奇异值进行剔除。该系统是无人值守2 4 小时连续实 时监测系统，在传输过程中也难免会出现一些数据丢失的现象，这时应根据丢 失点的前后数据通过插补得到该数据，以保证监测数据序列的连续性。 坐标变换 由于g p s 位移实时监测系统获得的监测点的坐标是w g s 一8 4 坐标系下的坐 标，为了便于分析桥梁的变形，通常应将所得到的w g s 一8 4 坐标按高斯投影变 成平面坐标，然后变换成桥梁局部坐标系下的坐标。在监测站。接收来自卫星 的信号和来自基准站的信息，采用g p s 软件进行实时差分处理，可得到监测站 的三维坐标，并以一定的采样率发送到监控中心：监控中心接收各监测点的监 澳4 结果，并通过数据处理软件作进一步的处理与分析，可以得到结构在特定方 向上的位移、旋转角等参数。 风载、温度、车辆荷载对桥梁位移的影响 实时记录桥梁所在位置的风速、风向，根据g p s 所得测点的对桥身、塔顶、 主缆的三轴向位移资料，可对大桥进行风力将就监测及结构的抗风振验算复 核。g p s 监测系统长时间监测大桥整体结构的位移变化，可引证因环境温度而 引发的日夜和季节性的位移变化周期。对一般大跨度桥梁而言，交通挤塞是交 逶( 车辆) 荷载的主要设计考虑因素。测量和论证交通荷载设计假设和参数的有 效性是大跨桥交通荷载监测的主要项目。从g p s 监测系统得出的桥身、塔顶、 主缆的三轴向位移资料，可与交通荷载分布状况的监测资料互相验证，协助进 一步制定桥梁结构的各级应力阶段，并用作大桥主要构件的疲劳估算。 绘出位移时程曲线图，对照相应时问内的风速、环境温度、车辆荷载等， 便可很直观地显示出桥梁位移随风速、温度和车辆荷载变化而变化的趋势，定 量地分析出在某一温度、某一风速、某种荷载时桥梁前产生的最大位移，最后 由这些成果来分析风速、温度和车辆荷载对桥梁位移的影响程度。 频谱分析 通过分析监测点位移时程曲线，可以得到桥梁的震动频率和振幅。利用快 速傅立叶变换的方法，通过频谱分析可以得到监测点功率谱曲线，与设计的理 论值或不同时段的功率谱曲线进行比较，以诊断桥梁结构的稳定性。 监测数据压缩存储 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 桥梁动态监测系统是一个长期的动态监测系统，因而从监测系统中采集的 监测数据是海量的，以至很难采用传统的文件形式管理监测数据，必须采用一 定的措旎。此外，对来自监测系统数据处理与分析子系统的统计数据、处理和 分析结果也应该进行有效的管理。数据库技术是管理海量数据的有利工具，而 且采取一定的数据压缩技术，会对数据的存储更为有利。最为有效的办法是对 监测数据建立动态数据库，并能进行监测数据的定期更新、备份和恢复。 3 5 软件系统的设计与实现 软件系统由以下模块组成： 数据采集及通信软件 桥梁监测数据库管理软件 g p s 数据处理软件 桥粱结构实时形变动态演示软件 预警系统软件 结构分析评估软件 远程管理软件 软件设计原则： 桥梁结构健康监测系统的软件包括应用软件和系统软件。应用软件与被测 对象直接有关，贯穿整个测试过程，出研究人员根据系统的功能和技术要求编 写，它包括测试程序、数据处理程序、系统界面生成等。桥梁结构健康监测系 统的软件设计应遵循下列设计原则： 一、优化界面设计，方便用户使用。 界面是桥梁结构健康监测系统的“造型”，是系统显示功能信息的主要表 现。美观、大方且使用方便的界面反映了系统设计者的技术水平和审美观。 二、使用编制、修改、调试、运行和升级方便的应用软件。 软件是实现、完善和提高桥梁结构健康监测系统功能的重要手段。软件设 计人员应充分考虑应用软件在编制、修改、调试、运行和升级方面的方便，为 桥梁结构健康监测系统的后续升级、换代设计做好准备。 三、丰富软件功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 无论智能仪器、自动测试系统，还是专家系统，设计时都应在程序运行速 度和存储容量许可的情况下，尽量用软件实现设备的功能，简化硬件设计。事 实上，利用软件设计，可以很方便地实现测量量程转换、数字滤波、f f t 变换、 数据融合、故障诊断、逻辑推理、知识查询、通信、报警等多种功能，大大提 高了桥梁结构智能化程度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 第四章桥梁位移实时监测的动态演示系统 现代g p s 技术可以对大跨度桥梁进行精确的实时监测。然而，为了给用户 以简洁直观的印象，便于用户及时掌握桥梁的变形情况，在整个监测系统中加 入三维桥梁位移实时动态演示。 演示系统的技术要求及能够达到的效果： ( 1 ) 可以与监测系统通讯，直接分析传入数据； ( 2 ) 能够通过分析测点位移平滑得到全桥沿长的位移状况： ( 3 ) 能够做到对位移的实时显示； ( 4 ) 做到桥梁三维实体的实时演示，可以调节变形的显示比例； ( 5 ) 可以显示测点的位移一时程曲线。 4 1 基于v e + + 的o p e n g l 应用程序框架建立 m i c r o s o f t 公司在v i s u a lc + + 2 0 以上的版本中内置了0 p e n g l ，这就为 o p e n g l 的应用创造了有利条件。软件开发者利用v i s u a lc + + 就能够享受到 0 p e n g l 所带来的强大的图形功能，使图形系统具备高级三维图形绘制能力。 在目前众多的w i n d o w s 应用程序开发工具中，微软公司的v c 6 o 已经成为 0 p e n g l 图形应用的酋选开发工具。而要使用o p e n g l 图形库来开发2 d 3 d 的应 用程序，就必须解决程序框架的问题。由前面介绍的0 p e n g l 基础知识可以知 道，不能直接象利用g d i 开发图形程序那样使用o p e n g l ，以下就介绍基于对话 框应用程序情况下的开发框架。 由于o p e n g l 本身是独立于硬件系统、窗口系统及操作系统的，所以，在 v c + + 6 o 中调用o p e n g l 的函数编写程序之前，应加入一些相应的设置。 1 、在工程项目中加入“g l 9 1 h ”、“g l 9 1 u h ”、“g l g l a ux h ” “a f x t e m p l h ”头文件。其中，9 1 h 是o p e n g l 核心函数的头文件；g l u h 是 o p e n g l 工具库的头文件；9 1 a u x h 是o p e n g l 辅助库的头