[摘要]香港特別行政區政府路政署最近采用人造衛星定位技術，應用于橋梁結構健康監測系統，借以增強和改進青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋的結構健康監測工作，這人造衛星定位系統（Global
Podtioning System or GPS）主要用作量度三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔瞬間位移，和推算其相應的導量（截面中線）位移及各相應主要構件的應力狀況。GPS監測系統是一套實時監測系統，它包括：GPS測量儀，接駁站，信息收集總控制站，光纖網絡，GPS電腦系統及顯示器等。本文主要介紹路政署于奇馬管制區內所安裝的GPS監測系統，并論述有關GPS信息在橋梁結構健康監測中的應用，如風力效應監測、溫度效應監測、交通荷載效應監測和各主要構件的應力監測等。
關鍵詞 人造衛星定位系統 結構健康 監測系統 結構評估 懸吊體系橋梁
一、引言
大橋主梁和索塔軸線的空間位置是衡量大橋是否處于正常營運狀態的一個重要標志。普遍大橋的結構設計是基于導量位移。任何索塔和主梁軸線偏高于設計軸線，都直接影響大橋的承載能力和構件的內力分布。目前香港的三座懸吊體系橋梁，均設有橋梁結構健康監測系統，簡稱"橋監系統"。用以監測大橋在營運期間的結構健康變化，繼而進行結構評估。雖然大橋主梁及索塔軸線監測已包括在大橋每年一次的大地測量范圍內，可是現存的"橋監系統"還未能對大橋主梁和索塔軸線作實時的監測。鑒于近年人造衛星定位系統（Global
Positioning System or GPS）的實時位移測量精度有顯著的提升（垂直面誤差約20mm，而水平面差誤約10mm），因此香港特別行政區政府路政署引進GPS技術用作監測大橋主梁及索塔軸線，提供全橋整體的度量位移。路政署在擬定橋梁結構健康檢測和評估項目的過程中，亦曾考慮其他測量技術方案，如運用紅外光線和激光科技，可是這些技術均需要一定視野清晰度，故在現階段仍未適合在惡劣天氣下操作。圖1顯示青馬管制區內的青馬大橋、汲水門大橋和訂九大橋的地理位置。
二、 GPS監測范圍和目的[1,2]
在上述三座懸吊體系橋梁上本已設置傳統的傳感器來測量橋身的位移狀況。包括在橋身兩端的位移儀用作量度橋身的縱向位移，及高精度加速儀用作量度橋身的垂直和橫向加速度。高頻率的加速數據經過二次積分運算后只能提供局部振幅的導量，未能準確地運算橋身整體的擺動幅度，這是因為橋身整體的慣性偏移速度較緩慢，加速儀不能準確測量；另一方面，在監測橋身固溫度變化而產生的相應位移時，雖然另設有一組創新設計的水平儀系統來直接量度橋身的垂直位移，但由于這系統是利用液壓原理運作，鑒于液體的慣性限制，系統只能以每秒一數據的采樣率來提供位移信息，未能錄取瞬間的振幅，錯過了一些較大的瞬間振幅，因而數據難免有誤差。以往路政署曾考慮應用GPS技術在懸吊體系橋梁監測上。經過近年在青馬大橋上安排的多次實地測試為驗證及改進精度，最后決定在"橋監系統"中增設備有RTK實時動態測量功能的GPS監測系統，直接量度橋梁的獨立三維實時位移，增強對橋梁結構健康監測的可靠度。現時GPS系統安裝工程已接近完成階段、數據收集會在竣工后立即開始。這GPS監測系統主要用作度量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬時位移，以及推算其相應的導量（截面中線）位移及各相應主要構件的應力狀態。
三、GPS監測系統簡介[3]
1．GPS監測系統概要
GPS監測系統是一套實時監測系統（見圖2至8），主要由四組系統組成，通過固定光纖綱絡傳輸數據而進行運作。這四個系統分別是：（l）GPS測量系統；（2）信息收集系統；（3）信息處理和分析系統；（4）系統運作和控制系統。其硬件包括：GPS測量儀（其中包括GPS天線和GPS接收器），接駁站，信息收集總控制站，光纖網絡，GPS電腦系統，顯示屏幕等。
GPS接收器備有24個衛星跟蹤通道，以雙頻（LI及L2）同步跟蹤測量12顆GPS衛星的偽距與全波長的載波相位；GPS監測系統以劃一的高速度采樣率，利用27組的GPS測量儀同步進行定點位移測量，以每秒10次的點位更新率提供獨立三維RTK實時的點位解算結果，高精度點位輸出的時間延遲小于0.05秒，令到GPS信號的同步接收、RTK厘米級點位數據輸出，光纖網絡傳輸、數據及圖像處理及橋梁位移圖像屏幕顯示之過程都在2秒內完成，提供實時位移監測。另方面，GPS監測系統可以在無人值守的情況下進行24小時作業，配合可調校的數據備份系統，將貯存的GPS位移數據與其他現存的橋梁監測數據加以整合，再作多樣化的結構分析和評估；利用大橋主梁及索塔軸線的整體變化周期和幅度資料，及選定時段的橋梁整體位移變化資料，來改進橋梁結構健康檢測和評估工作。
2．GPS定點測量
GPS測量儀的定點測量位置主要安裝在橋身的兩旁和橋塔的頂端，在三座橋上總共有27個定點測量位置（見圖3）。GPS測量儀的選位配合現存位于跨中的加速儀。在青馬大橋橋面上共裝有四對GPS測量儀，主懸索纜有一對。另外在汲水門大橋橋面及訂九大橋橋面上分別裝有一對及兩對GPS測量儀。除了提供每秒10個的定點實時測量，GPS監測系統更能運算橋身主軸線的三維瞬間位移，和橋身扭轉振動的時程數據（見圖9至11）。同樣，從塔頂的點位解算結果，GPS監測系統能運算出汀九大橋單腳塔頂的位移，和另外兩座橋之雙腳塔頂的個別位移（見圖12至14）。經數據及圖像處理后，信息屏幕可顯示全橋實時擺動的活動圖像（見圖15至20）。現時路政署采用GPS接收器的定位延遲誤差為0.03秒，突破早期GPS定位數據與實際點位不能完全一致的難題，這技術可應用于速度不均的運動狀態，
足夠應付高速度實時位移監測的基本要求。
GPS接收器采用抗電磁干擾金屬外殼密閉封裝，并加上振動隔離裝置（見圖8），進一步減除振動操作環境對GPS設備的影響，加強其抗震性能。在橋上的GPS定點測量位置均采用精密微帶天線（見圖8），為減低對人造衛星信號接收的障礙，所有天線的安裝高度須維持水平15度以上的無屏障朝天范圍，及避免頻繁的雙層和高身車輛在使用慢線行車道時形成的障礙。位于貯物大樓房頂的基準站則采用扼流圈環狀天線（見圖6），進一步減少多路徑效應對定位測量的影響，確保不斷發送至定點測量站的差分改正信息準確無誤?；旧螱PS測量儀在出廠后毋須定期校對，從而減省養護工作。
3．GPS信息傳輸系統
GPS監測系統是一組不停運作的實時監測系統，當懸吊體系橋梁遇上惡劣天氣和運作環境時，GPS監測系統所得的數據更為寶貴，故此對數據傳輸的穩定性和可靠性都有較高要求。GPS信息傳輸系統采用了高效率和高穩定性的光纖網絡（見圖3）。由于光纖不受電磁波干擾，在惡劣作業環境下，如雷暴、高壓電流的電磁場影響、強風等，光纖通訊網絡仍能維持高水平的數據傳輸質素和速度，先進的光纖收發儀器更能偵測光纖網絡信息的中斷并發出警號，讓維修人員即時知道通訊網絡出現問題的位置，確保系統工作效率。信息收集總控制站設于青衣行政大樓，在每座橋上均設有一組網絡接駁站，用以匯集各處GPS定位測量站的數據傳輸分支網絡。聯接總控制站與接駁站的光纖網絡使用單模光纖，最長距離約3km；而聯接定位測量站與接駁站的分支光纖網絡則使用多模光纖，最長距離約l.3km。每組GPS測量儀需要三條非同步串列傳輸管道（Async
Serial Channel）操作，這三條管道分別用作資料收集、差分改正信息傳送及遙距監控，而每條管道傳輸速度達
19 200Baud。光纖傳輸速度能力高，一條多模光纖已能取代多條傳統的銅蕊資料傳輸電線。GPS信號從多模光纖傳送至網絡接駁站后，即被匯集成更高頻信號，由更高質素的單模光纖傳輸至信息收集總控制站，使原本需要百余條鋼資料傳輸電線的傳統通訊網絡簡化為每座橋只需一條單模光纖的光纖通訊網絡，大大改進了網絡的操作效率和養護維修工作。
4．GPS信息處理的運作
從27個GPS定點測量儀輸出的GPS大地坐標經緯數據，分別以每秒10個的采樣率透過光纖網絡信息收集系統同步傳送至信息處理和分析系統。信息處理和分析系統安裝于青衣行政大樓的橋梁監察室內，由兩臺電腦工作站組成（見圖4）：（1）第一臺為運作工作站（GPS-OWS），用作信息和圖像處理，以活動圖像實時顯示初步的橋身和塔頂三軸向位移動態，及運算橋身扭轉振動的幅度（見圖15及18），同時以時程數據形式顯示各定點的度量位移（見圖16，17，19及20），GPS一OWS亦負責系統運作和控制，用作監察GPS測量儀和光纖通訊網絡的運作狀況，當系統出現問題或位移數超出預設極值時，這系統會發出警號和紅色燈號，提醒系統管理員。（2）第二臺為分析工作站（GPS-AWS），將經過初步處理和分析的信息進行結構分析和評估，并用作進階圖像處理和執行圖輸入蹦出工作。這兩組電腦工作站均與現存的"橋監系統'充腦系統聯系在一起，供數據整臺之用。表1及表2列出了這兩臺工作站的主要硬件和操作軟件，在需要的情況下，GPS-AWS操作系統作為后備工作站以維持正常運作。
四、橋架結構侵康檢測和評估的應用[1,2]
GPS監測系統為"橋監系統"中的一個新增設施，其主要作用為直接測量三座懸吊體系橋梁的橋身和橋塔的瞬間度量位移，并推算其截面中線相應的導量位移，繼而再配合其他結構分析軟件來評估各相應主要構件的應力狀況。目前"橋監系統"對大橋結構的評估有三大方面，分別為承載能力、營運狀態和耐久能力。承載能力是有關大橋結構或構件的極限強度、穩定性能等，其評估目的是要找出大橋結構的實際安全儲備，以避免橋梁發生災難性的損毀。營運狀態則與大橋結構或其構件在日常荷載下的變形。裂縫、振動等有關，其評估結果有助于安排合適的定期養護維修，而這類評估亦較為重要。耐久能力的評估則專注于大橋的損傷及其成因以及其對材料物理特性的影響。
GPS監測系統對大橋整體結構的位移監測，可更直接改進"橋監系統"的一般檢測和評估工作，例如：（1）報告大橋整體結構的位移從而反映其工作環境和荷載的變化；（2）進一步分析運算主要構件的實際內力分布，例如主懸索纜、縱向主梁等；（3）驗證不尋常荷載記錄，例如臺風、地震、超重交通荷載或被車船撞擊事故等；（4）從而推算大橋主要構件有否損壞或累積性的損壞；（5）推算大橋的承載能力及論證設計施工假設和參數的有效性；（6）為大橋營運和維修決策者提供大橋超載的警告信息。
五、橋梁整體性營運狀態監測【1，2】
1．風力效應監測
大橋設計中所進行的抗風能力分析和風洞測試，是基于一所離開大橋橋址較遠的氣象站所收集到的風結構資料。由于橋址和氣象站所處的位置有高度上的和地形上的差別，再加上懸吊體系橋梁對風振有較大的反應，因此測量大橋橋址的風結構和論證大橋的抗風設計假設和參數的有效性，成為大橋抗風振監測的主要部分。配合"橋監系統"的風速、風向監測，利用從GPS監測系統得出的橋身、塔頂、主懸索纜的三軸向位移資料，可對大橋進行風力效應監測及結構的抗風振驗算復核；測量特定風速的持續周期，用以檢測橋梁的渦激共振的平均持續周期。另外，亦會與在橋身中同步測量的加速儀數據互相驗證，確定大橋結構的抗風振的效應。
2．溫度效應監測
由于溫度變化是與太陽輻射強度、材料熱能散發率、環境溫度及風速風向等因素有關，因此大橋的溫度參數的極值不能從個別因素去推論。監測大橋環境溫度和橋梁結構上溫度的分布狀況，可用作推算大橋的有效橋梁溫度和差別溫度的極值，此為大橋溫度荷載監測的主要部分。GPS監測系統長時間監測大橋整體結構的位移變化，可引證因環境溫度而引發的日夜和季節性的位移變化周期，例如主懸索纜的垂直位移。橋身的縱向、橫向及垂直位移，與相應的塔頂的橫向及垂直位移等，再與"橋監系統"的結構有效溫度和差別溫度的極值互相驗證，增強大橋整體溫度荷載監測的可靠性。
3．交通荷載效應監測
對一般大跨度橋梁而言，交通擠塞是交通（車輛）荷載的主要設計考慮因素，而大橋的交通荷載長度（Loaded
Lengths）設計是基于：（1）每天交通擠塞形成的次數；（2）交通擠塞發生的位置，持續時間和車輛的分布模式；（3）交通擠塞時的交通流量等假設。測量和論證交通荷載設計假設和參數的有效性，是大橋交通荷載監測的主要項目。從GPS監測系統得出的橋身、塔頂、主懸索纜的三軸向位移資料，可與"橋監系統"的交通荷載及分布狀況的監測資料互相驗證，協助進一步制定橋梁結構的各級應力階段，并用作大橋主要構件的疲勞估算。
4．鐵路荷載效應監測
對青馬大橋和汲水門大橋而言，鐵路機車的荷載亦成為另一主要的設計考慮因素。青馬大橋和汲水門大橋的鐵路路軌承臺是由縱向工字鋼梁承托的，鐵路機車荷載從縱向工字鋼梁傳到大橋橋身的加勁梁構件，再分布到其內的橫向框架上。由于"橋監系統"中沒有傳感器能直接測量鐵路機車在大橋上所產生的荷載，因此，只能通過安裝在大橋中跨的縱向工字鋼梁上的應變儀，進行鐵路荷載的監測，繪制相應的感應線來推算單一機車車盤的荷載，再進一步推算整列車的荷載。同樣地，GPS監測系統得出的橋身、塔頂住懸索纜的三軸向位移資料，可作進一步驗證結構應力與位移的相互關系系數。
5．大橋鋼索索力的監測
大橋的鋼索索力狀態是衡量大橋是否處于正常運作狀態的一個重要標志。利用GPS監測系統的青馬大橋主懸索纜得出的三軸向位移資料，運用有關的素力公式去推算鋼索承受的拉力，定期監測鋼索索力的狀況，并進一步分析橋身和主懸索纜的應力分布相互關系。
6．大橋主要構件應力監測
大橋的結構設計普遍上是基于導量位移，任何索塔和主梁軸線偏離于設計軸線，都會影向大橋的承載能力和構件的內力分布，結構評估工作先從GPS監測系統得出的橋身截面中線度量位移，將其輸入其模擬橋身等效剛度的魚骨結構分析電腦模型，藉矩陣運算，得出全橋整體的內力分布；再利用局部的結構分析模型來模擬橋身的主要構件，再推算出主要構件的個別應力狀況。在恒載和交通荷載作用下，大橋主梁與各構件有著不同的內力分布，通過"橋監系統"對主要構件部位進行的應力監測，整臺GPS位移數據對相應構件的應力推算，不僅能多方面驗證各構件的應力和位移相互關系，從而為評估大橋的承載能力、營運狀態及耐久能力提供更有力的依據；此外還能通過監測應力或位移的變異來偵查大橋結構有否損壞或潛在損壞的狀態。
六、結論
近年人造衛星定位系統提供的實時位移測量精度有顯著的提升，將此測量技術應用于直接量度橋梁整體的三維位移，直接監測大橋主跨梁及索塔軸線的位移變化，配合結構分析模型來模擬橋身主要構件的內力狀況，可增強橋梁結構健康監測和評估的可靠度，并偵查大橋結構有否潛在損壞的危機，提高養護維修工作的效率和效果。
致謝
對路政署署長允許本文的發表和刊登，本文作者特向他致以謝意，并特此聲名，本文的任何見解和結論，只代表本文作者的個人意見而且。
參考文獻
[1]劉正光，黃啟遠．橋梁結構健康監測系統．第十三屆全國橋梁學術會議論文集（第 53-63頁）．上海：同濟大學出版社，
1998， 11
[2] Wong, K. Y., Lau, C. K. and Flint, A. R., "Planning
and implemementation of the Structural health Monitoring
system for Cable-- Supported Bridges in Hong Kong",
proceedings of SPIE Conference on Nondestructive Evaluation
of highways, Utilities and Pipelines IV (PP. 266 --
275), at Newport Beach, California, U. S. A., during
7-9 March 2000.
[3] Highways, "GPS/IMS System for Monitoring
of Tsing Ma bridge, Kap Shui Bridge and Ting Kau Bridge
at Tsing Ma Control,Atea", Specification of Contract
Document for Electrical & Mechanical Services
Department Contract No. 1084/EM99(on behalf of Highways
Department) The Government of Hong Kong SAR, 2000
