摘 要：針對常規GNSS自動化監測和傳統路基自動化監測技術的不足，提出了基于北斗融合多源傳感器技術的鐵路軟基穩定性監測系統的架構及實現路徑，并以北斗融合靜力水準在軟基沉降變形監測中的應用為例進行了現場試驗。結果表明：北斗融合靜力水準沉降監測系統為路基監測提供了統一的時空信息基準，可滿足鐵路路基從建設到運營全生命周期對沉降監測時序性、及時性、有效性和精確性的要求;實現了多源監測數據深度融合，協同復核分析，可以實時為路基外部及內部測點提供高精度沉降數據;通過北斗三維數據提供邊坡頂部及坡腳位置的水平位移數據，同時可為路基邊坡穩定性提供監測和預警;通過北斗監測站與靜力水準測點構成的水準附合線路，實現了各層基點數據實時分析及校核，避免了層間中繼誤差的傳導，提高了監測的實效性和精度。

　　關鍵詞：北斗定位技術;時空信息基準;多源傳感器;靜力水準儀;鐵路路基;沉降變形

　　0引言

　　為貫徹落實黨中央、國務院決策部署，加快建設交通強國，推動交通運輸領域新型基礎設施建設，交通運輸部于2020年8月印發了《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》，提出打造融合高效的智慧交通基礎設施、助力信息基礎設施建設、完善行業創新基礎設施等三大領域14項主要任務[1]。

　　推動交通基礎設施與公共信息基礎設施的統籌布局、共建共享，既能夠有利于在交通基礎設施沿線推廣應用具備多維感知、智能網聯等功能的終端設備，構建云邊協同的一體化管控平臺，又能夠為5G、物聯網、北斗系統、人工智能等推廣應用創造有利條件，支撐網絡強國、數字中國等國家戰略，是實現綜合立體交通網服務質量和效率提升的主攻方向。在新基建和數字化轉型的時代背景下，作為傳統基礎設施的路基工程需要融合新的信息與通信技術(ICT)向融合智慧交通基礎設施轉變，實現智慧路基的建設目標。

　　因此，處于感知層的具備多維感知、智能網聯等功能的終端設備的研發和應用是實現智慧路基的物理前提，處于數據匯集分析層的云邊協同的一體化管控平臺則是物理世界的數字孿生。北斗在變形監測方面已成熟應用于鐵路、公路、機場、港口、水電和礦山的邊坡監測[2-7]以及地質滑坡的災害預警[8-10]，目前針對鐵路路基的北斗融合沉降監測研究還不成熟，有待進一步開展試驗研究。本文從貫穿鐵路路基工程全生命周期的沉降監測入手，探究基于北斗融合多源傳感器技術的鐵路軟基穩定性監測系統的實用性，為以北斗定位技術為代表的新信息與通信技術賦能路基工程智慧化轉型提供借鑒。

　　1基于不同感知終端的路基監測系統

　　1.1常規GNSS自動化監測系統

　　常規GNSS路基自動化監測系統。主要監測路基表面的位移，由GNSS地基增強站、監測站、通訊系統、數據處理和分發系統構成，但缺少對于路基內部隱蔽工程的監測能力。

　　1.2傳統路基自動化監測系統

　　傳統路基自動化監測系統由感知系統、采集系統、傳輸系統和控制分析系統構成。屬于傳統的自動化監測手段，缺少統一的時空信息基準。

　　2北斗融合多源傳感器智能監測系統

　　2.1關鍵技術

　　北斗高精度變形監測技術：采用三差殘差法進行周跳探測與修復，并基于此實現事后靜態高精度定位。通過設計基于雙差模型的北斗/GPS雙系統數據融合處理算法，建立一套適合于變形監測的高精度基線處理方案。該方案首先通過NTRIP或TCP/IP協議接收與存儲接收機原始觀測數據，經解碼技術，轉換為標準數據格式。

　　通過時空基準統一、基準站與監測站組雙差，消除或削弱大部分空間相關性誤差后，經周跳探測、法方程疊加、質量控制等，篩選出最優的觀測值，組成觀測方程，最后利用最小二乘法進行參數估計，得到監測站坐標變化。多傳感器數據融合技術：鐵路變形監測方法多種多樣，不同的專業側重點不同會用到不同的傳感器。但受費用及規格等因素影響，傳感器監測存在著量程、精度、基準等方面的差異，也無法準確測量區域沉降對鐵路工程的影響，在北斗位置基準服務的框架下實施衛星定位自動化監測可避免這方面的問題。

　　融合多種傳感器對鐵路工程重點區段實施監測可提高監測效率、精度，滿足各專業對后續觀測成果數據的分析需求。鐵路工程構筑物變形高精度監測與分析技術：采用基于北斗信息處理、實時沉降測量及事后變形分析等一系列核心技術，通過長時間連續實時數據處理，提供監測點的變形情況。

　　主要通過對沉降監測點數據進行解析，采用卡爾曼濾波算法和高精度差分定位模型進行解算，得到沉降監測點的實時厘米級和后處理毫米級定位結果，實現對鐵路實體結構的高精度監測，并實現基于北斗地基增強基準的多傳感器數據融合處理及平臺接入。

　　智能預警技術包括瞬時閥值和累計閥值兩個重要數值。瞬時閥值是指列車經過時自身荷載對路基產生的瞬時壓強造成路基沉降變形瞬時變化值，列車駛出該段路基后沉降變形恢復正常，此時在滿足路基強度和變形要求的基礎上設定一個沉降變形安全值即為瞬時閥值，超過這一數值時系統自動報警。

　　累計閥值是指在一段時間內路基與列車軌道荷載作用下對該段路基的累計壓強造成的沉降變形累計變化值。北斗智能預警技術既可實現鐵路路基沉降變形值的瞬時預警、累計沉降值預警，也可通過無線數據傳輸技術的應用，利用衛星定位信息反饋到監測終端進行解算預警，超前預判鐵路路基及沿線周邊沉降變形安全隱患，起到控沉、防沉的作用，具體內容包括了衛星定位、嵌入式GIS、移動通信以及現場多模式數據采集。

　　2.2實現路徑

　　北斗融合多源傳感器智能監測系統平臺采用成熟的J2EE架構技術，基于MVC體系結構進行開發。其技術結構主要包括4個主要部分：業務功能模塊、數據庫、平臺基礎服務和平臺支撐服務。業務功能模塊是平臺的用戶接口，提供方便的查詢服務和相關系統管理功能等;數據庫是平臺的數據存儲中心，負責存儲基準數據和多源監測業務數據，具備大并發數據量處理能力;平臺基礎服務負責監測終端的接入，數據處理和平臺服務總線的功能;平臺支撐服務提供了平臺運行的基礎數據支撐。

　　3北斗融合靜力水準路基穩定性監測試驗應用

　　常規的靜力水準儀，主要采用連通器原理監測計算路基內部測點和路基外部基準點之間的壓力差來換算沉降值，屬于區域性相對沉降量。常規GNSS自動化變形監測，雖然是絕對測量值，但目前主要用來監測路基表層及邊坡等無遮蓋區域的沉降變形，無法測量路基內部變形沉降。如何在統一的GNSS時空基準下，對路基內部和外部同時進行高精度時序性自動化沉降變形監測，是未來PNT體系下路基全生命周期健康監測的重要內容。從路基全生命周期穩定性最重要的路基沉降指標，來探討北斗在路基監測過程中的融合應用。

　　3.1常規自動化變形監測技術

　　貫穿路基建設和運營全生命周期的變形監測的重要指標就是沉降和水平位移。傳統的測量主要采用水準儀、經緯儀和全站儀等光學設備進行的周期性人工測量;進入自動化監測時代主要采用測量機器人(自動全站儀)、靜力水準儀、單點(多點)沉降計，剖面儀和深層水平位移計等自動化測量終端進行的全天候自動化數據采集。

　　在主要以沉降控制為主要指標的現代路基工程中，應重點關注路基沉降監測的時空信息基準、有效性、精確性和及時性�，F有路基沉降監測主要采用壓差式靜力水準儀進行測點數據采集，通過對液體和大氣的壓差的測量，將壓力信號轉化為電信號，實時計算得到豎向位移高程;可設定基準點和測點，測點相對基準點的豎向位移高程就是相對沉降值，再加上基準點的絕對沉降值，可以得到各測點的絕對沉降值。常用路基沉降自動監測系統布設。

　　現有路基沉降監測技術的主要問題是：測線只有一端有基點，構成的水準線路既不是閉合線路，也不是附合線路，測量精度無法校核;多層測點共用一個坡腳基點，路基表層基準值通過層間預留中繼桿傳導坡腳基點基準值，存在施工破壞風險和傳導累積誤差;坡腳基點絕對基準值通過人工定期復測向下入巖基準桿或向上基準樁獲取，頻次較低且存在人為誤差，也不能提供實時絕對基準數據;無法監測路基邊坡水平位移變化;沒有預埋傳感器通道，測線易損壞，后期維護更換困難。

　　3.2北斗融合靜力水準自動化沉降變形監測技術

　　3.2.1系統組成及原理

　　根據GNSS自動化變形監測和壓差式靜力水準自動化監測各自特點，在北斗三號高精度定位授時技術的基礎上融合研發的基于北斗時空信息基準的路基高精度時序性自動化沉降變形監測系統[11-12]。北斗融合路基監測系統構成示意。

　　北斗融合路基監測裝置數據采集發布流程。主要流程為：北斗衛星坐標數據與壓差式靜力水準傳感器監測數據采集后，通過無線傳輸網絡發送到互聯網云平臺上進行后臺數據處理分析，再通過客戶端將路基各測點監測數據及預警情況實時發布到用戶終端。

　　3.2.2技術創新點

　　北斗融合技術與傳統靜力水準監測技術的對比。北斗融合監測技術已經取得相關專利授權[11-12]，在創新應用方面具有以下特點：

　　(1)實現了衛星坐標數據與壓差式靜力水準傳感器監測數據深度融合，協同復核分析，可實時為路基外部及內部測點提供高精度沉降數據。采用基于北斗信息處理、實時沉降變形測量及事后變形分析等一系列技術，通過長時間連續實時數據處理，提供路基表面監測點的變形情況;通過融合壓差式靜力水準儀和測斜數據，可獲得路基結構體內部的沉降變形情況。通過對沉降監測點數據進行解析，采用卡爾曼濾波算法和高精度差分定位模型進行解算，得到沉降監測點的實時厘米級和后處理毫米級定位結果，實現對鐵路路基結構的高精度監測。同時，通過預埋剖面管通道，實現了測線上不同測點傳感器的定位，也實現了后期設備維護、測點同位替換，以及既有線路基內部測點的埋設定位。

　　(2)通過衛星坐標數據提供路基邊坡頂部及坡腳位置的水平位移數據，為施工過程、靜置期及運營期的路基邊坡穩定性提供監測和預警。通過全天候監測可對路基的沉降及水平位移健康狀態進行實時監測，實時反饋邊坡關鍵點位的水平和沉降變形數據，能夠及時發現路基病害及周邊地質災害風險，為路基施工期提供實時數據支撐，也提升了運營期工務段的監測管理水平，有助于消除鐵路運營中的重大隱患，為路基提供了全生命周期保障。

　　(3)通過衛星坐標傳感器與豎向位移傳感器構成了水準復合線路，實現了基點數據實時分析及校核，避免了路基表層和底層監測過程中繼誤差的傳導，提高了監測的實效性和精度。底層坡腳豎向位移基準點及表層路肩豎向位移基準點位置同時設置衛星定位坐標傳感器，通過衛星坐標數據為各層監測傳感器實時提供基準數據，并通過每層遠端測點也同步設置的衛星校核坐標傳感器獲取實時校核數據，構成水準測量的復合線路，實現各測點測量數據的精度控制。各層獨立校核的情況下，可以取消各測線間的中繼連接桿�？朔�了常規變形監測系統的分散、滯后、低效及人為干擾因素多等缺點。

　　3.3北斗融合靜力水準沉降監測現場試驗應用

　　3.3.1系統設計

　　在某高鐵復合地基試驗段，為對比研究干濕法深長雙向攪拌樁沉降控制效果，設置了北斗地基增強站、監測站、靜力水準物位計、單點沉降計、沉降磁環和測斜管等多源沉降變形監測設備。在試驗斷面分別設置了北斗融合靜力水準的沉降監測系統。北斗融合靜力水準的沉降監測系統功能。基于北斗的自動化變形監測平臺界面。

　　4結語

　　隨著微電子技術的不斷發展和北斗三號星座系統組網完成并服務全球，壓差式靜力水準測量技術和衛星自動化變形監測等關鍵技術進一步完善、可靠性高，采用多源融合的方式形成的路基沉降變形監測技術成熟度較高，且可以迭代升級。基于北斗融合多源傳感器技術的鐵路軟基穩定性監測系統主要推廣應用價值如下：

　　(1)采用多種關鍵技術，提高路基多元監測基準點的觀測精度。北斗融合路基監測系統采用多模GNSS系統數據融合技術，對北斗、GPS等系統的觀測數據進行融合，對各系統間的時空基準進行統一。從多角度全方位提高了衛星定位系統在路基多元監測系統中的精度，實現了路基監測坐標基準的實時自動維護，推動了衛星定位系統，特別是北斗定位系統在路基健康監測中的融合發展，賦能路基全生命周期健康狀態監測、病害監測及地質災害預警。

　　(2)實現了路基運營期長期實時多元自動化監測。北斗融合路基監測系統可適用于新建線監測、既有線影響監測、運營期監測等多種工況。通過衛星定位系統與路基多元自動化監測的融合技術，可以實現對路基基礎、本體、表層不間斷地實時高精度三維坐標監測。

　　(3)推動了“北斗+”的標準化技術應用。通過“北斗+路基監測”示范應用，推動了新建鐵路“北斗+”的標準化技術應用，賦能路基自動化變形監測方案設計。

　　參考文獻(References)：

　　[1]交通運輸部.交通運輸部關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見[J].中國水運,2020(8):16−18.MinistryofTransportofthePeople'sRepublicofChina.GuidingopinionsoftheMinistryofTransportonpromotingnewinfrastructureconstructioninthefieldoftransport[J].ChinaWaterTransport,2020(8):16−18.

　　[2]強小俊.北斗定位技術在高速鐵路沉降變形監測中的應用[J].鐵道建筑,2020,60(7):81−84.QIANGXJ.ApplicationofBeidoupositioningtechnologyinsettlementmonitoringofhighspeedrailway[J].RailwayEngineering,2020,60(7):81−84.

　　[3]劉永琦,詹志英.北斗高精定位在輸電桿塔邊坡監視上的研究與應用[J].電氣技術,2021,22(1):79−84.DOI:10.3969/j.issn.1673-3800.2021.01.016.

　　作者：時洪斌，劉柏林，毛忠良