大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用和功能的實(shí)現(xiàn)

趙賢任，王立新，嚴(yán)琨

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070）

大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用和功能的實(shí)現(xiàn)

趙賢任1，2，王立新1，2，嚴(yán)琨1，2

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070）

廣東多座大型橋梁相繼建成了強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣，為了及時(shí)處理與評(píng)估地震事件對(duì)橋梁的影響，必須建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及安全評(píng)估系統(tǒng)?；贘ava技術(shù)、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地震報(bào)警、橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、橋梁快速仿真和安全評(píng)估功能。系統(tǒng)成功應(yīng)用于多座大型橋梁的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣，可以為橋梁管理部門(mén)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供科學(xué)決策，為橋梁的地震安全評(píng)估及抗震設(shè)計(jì)與加固提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

橋梁工程；強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)；安全評(píng)估；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

0 引言

大型橋梁在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于荷載作用、老化、疲勞和腐蝕等各種因素的影響會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，監(jiān)測(cè)修復(fù)這些損傷是養(yǎng)護(hù)部門(mén)的日常工作，也是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要服務(wù)對(duì)象。同時(shí)地震對(duì)橋梁所造成的影響也不可忽視，一旦破壞性地震發(fā)生，其造成的后果也是非常嚴(yán)重的，如2008年汶川地震就造成了上千座橋梁受損或倒塌。而大跨度橋梁在遭受長(zhǎng)周期地震動(dòng)以及近斷層大震的影響，同樣會(huì)造成落梁、倒塌破壞等，這些大橋一般造價(jià)高昂，樞紐作用明顯，一旦倒塌或者封閉，造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。所以借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的橋梁安全評(píng)估理論方法，開(kāi)發(fā)大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)地震事件處理決策以及后續(xù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與性能評(píng)定將是有益的輔助措施，而且可為橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文首先介紹了大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的主要功能，然后確定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案，根據(jù)相應(yīng)的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)了6大功能模塊，使用Java[1]、數(shù)據(jù)庫(kù)與網(wǎng)頁(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)了該系統(tǒng)，最后介紹了本系統(tǒng)在大橋強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)是利用布置在大型橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的力平衡式加速度傳感器[2]，對(duì)橋梁的振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)定的閾值對(duì)地震事件進(jìn)行報(bào)警，利用選定的評(píng)價(jià)方法、設(shè)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合橋梁仿真模塊，對(duì)大橋遇到地震事件后的安全狀況進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)主要用戶包括橋梁管理方、地震部門(mén)、設(shè)計(jì)部門(mén)以及其他研究機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能：用戶管理、橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、橋梁仿真及安全評(píng)估[3]。系統(tǒng)功能圖見(jiàn)圖1所示，各功能的具體說(shuō)明如下：

（1）用戶管理。根據(jù)不同用戶需求，劃分權(quán)限，對(duì)不同用戶顯示或者限制特定內(nèi)容和操作。

（2）數(shù)據(jù)采集。采用中國(guó)地震局制定的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)制定數(shù)據(jù)表，編寫(xiě)軟件端口，采集存儲(chǔ)橋梁實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)時(shí)報(bào)警。實(shí)時(shí)計(jì)算分析橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，對(duì)地震、撞擊等事件進(jìn)行報(bào)警。

（4）數(shù)據(jù)分析。采用若干特定的橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)處理和分析方法，編寫(xiě)Java代碼將其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，獲得不同方法計(jì)算得到的橋梁損傷指標(biāo)，并設(shè)計(jì)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。

（5）橋梁仿真?；诳焖贅蛄簲?shù)值仿真技術(shù)，建立大型橋梁的三維有限元模型，獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)及振型，結(jié)合ActiveX控件，實(shí)現(xiàn)三維直觀顯示，并針對(duì)設(shè)定地震動(dòng)或?qū)嶋H地震記錄作為輸入，計(jì)算橋梁的地震響應(yīng)，對(duì)大橋的抗震性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（6）安全評(píng)估。結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及大橋地震響應(yīng)仿真結(jié)果，綜合評(píng)估橋梁的地震安全性

圖1 系統(tǒng)功能Fig.1 Function of the system

2 系統(tǒng)方案比選

根據(jù)上述系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，目前較成熟的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案主要有下面兩種：

第一種：基于Java或C#的B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式，這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，維護(hù)和升級(jí)方式簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性和重用性強(qiáng)，維護(hù)部署成本降低，用戶權(quán)限管理方便，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，客戶機(jī)上只要安裝一個(gè)瀏覽器，服務(wù)器安裝SQL Server、Oracle、MYSQL等數(shù)據(jù)庫(kù)。瀏覽器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和顯示，服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和保存，但是應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷較重。

第二種：基于編程語(yǔ)言（Java、C++、C#、VB等）的C/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式，客戶端和服務(wù)器端都需要單獨(dú)編寫(xiě)。這種模式的實(shí)時(shí)交互性強(qiáng)，功能強(qiáng)大，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可擴(kuò)展性和重用性低，維護(hù)和升級(jí)成本非常高。

基于本項(xiàng)目系統(tǒng)的功能劃分，用戶管理是系統(tǒng)的一個(gè)主要功能，B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較容易；系統(tǒng)的另一個(gè)主要功能是實(shí)時(shí)報(bào)警，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，C/S結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)交互性強(qiáng)；另外，由于系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)服務(wù)于橋梁監(jiān)測(cè)，在此期間，數(shù)據(jù)分析和損傷識(shí)別的技術(shù)可以預(yù)見(jiàn)會(huì)有較大的進(jìn)展，安全評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有所改進(jìn)，所以系統(tǒng)宜更新方便，功能擴(kuò)展容易；最終，綜合開(kāi)發(fā)維護(hù)成本限制的考慮，權(quán)衡利弊，本項(xiàng)目選擇方案一作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

根據(jù)功能要求，將系統(tǒng)分為用戶管理、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、橋梁仿真、安全評(píng)估等6個(gè)模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件MySQL，利用Java語(yǔ)言，基于模型-視圖-控制器（MVC）設(shè)計(jì)模式框架JSF和對(duì)象關(guān)系映射框架Hibernate技術(shù)，結(jié)合JSP、HTML、JavaScript、AJAX、ActiveX等網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，構(gòu)建Web應(yīng)用。JSF框架使用戶界面代碼（視圖）與應(yīng)用程序數(shù)據(jù)和邏輯（模型）清晰分離，Hibernate對(duì)JDBC（Java數(shù)據(jù)庫(kù)連接）進(jìn)行了對(duì)象封裝，以對(duì)象編程思維來(lái)操縱數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣搭建的系統(tǒng)分層清晰，易于管理。

3.1 用戶管理模塊

系統(tǒng)服務(wù)的對(duì)象有多個(gè)，每一個(gè)服務(wù)對(duì)象的需求也不盡相同，因此系統(tǒng)中根據(jù)需求劃分出多種用戶權(quán)限，主要包括：①普通用戶，只可瀏覽數(shù)據(jù)；②科研部門(mén)用戶，可以瀏覽數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和橋梁仿真；③管理部門(mén)用戶，具有瀏覽數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)報(bào)警的權(quán)限；④超級(jí)用戶，具有所有權(quán)限及用戶管理權(quán)限。用戶管理模塊基于JSF和自定義標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)用戶輸入的帳號(hào)密碼，獲取用戶權(quán)限，根據(jù)該權(quán)限對(duì)比所有菜單所需權(quán)限，得到該用戶的菜單，編寫(xiě)標(biāo)簽顯示菜單，實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理[4]，圖2是權(quán)限管理圖。

圖2 用戶權(quán)限管理圖Fig.2 User permission

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

用Java語(yǔ)言編寫(xiě)模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯集、傳輸。首先采集模塊按設(shè)定的數(shù)據(jù)采集器Socket地址和端口號(hào)請(qǐng)求連接，接著數(shù)據(jù)采集器響應(yīng)采集模塊的請(qǐng)求，把Socket的描述發(fā)給采集模塊，最后采集模塊確認(rèn)此描述并建立連接，開(kāi)始讀寫(xiě)的行為[5]，流程參見(jiàn)圖3。

3.3 實(shí)時(shí)報(bào)警模塊

根據(jù)橋梁場(chǎng)地條件，設(shè)定橋址自由場(chǎng)地或大橋主塔基礎(chǔ)處峰值加速度的地震報(bào)警閾值，以Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算該位置的振動(dòng)幅值，利用JavaScript實(shí)現(xiàn)彈窗報(bào)警，對(duì)橋梁可能遭遇的地震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別。

3.4 數(shù)據(jù)分析模塊

目前本系統(tǒng)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析主要采用四種獨(dú)立的損傷分析方法：主成分分析法、小波包能量法、重構(gòu)相空間法[6]和二次協(xié)方差矩陣法[7]。得到的四個(gè)指標(biāo)從不同的方面反映了橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。

3.5 橋梁仿真模塊

與廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院合作，建立了橋梁快速仿真模塊，實(shí)現(xiàn)了模態(tài)振型的三維顯示。另外，本模塊可以輸入自定義地震波或者預(yù)設(shè)地震波，針對(duì)特定宏單元設(shè)置剛度折減比例，實(shí)現(xiàn)橋梁的快速地震響應(yīng)仿真，并對(duì)橋梁在損傷狀態(tài)下的抗震性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。橋梁仿真模塊以JSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)，如圖4所示，模型以ActiveX控件來(lái)顯示，如圖5所示。

圖3 接口程序流程圖Fig.3 Flowchart of the interface programming

圖4 地震輸入圖Fig.4 Earthquake input

3.6 安全評(píng)估模塊

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)給出了四種指標(biāo)來(lái)反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，但是單一指標(biāo)的損傷識(shí)別方法可能存在誤判和漏判的情況，從而降低了損傷識(shí)別的可靠性。因此，本系統(tǒng)將上述多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行融合，以此提高識(shí)別精度和效率。具體地，采用自適應(yīng)加權(quán)最小二乘法實(shí)現(xiàn)4個(gè)獨(dú)立指標(biāo)的融合[8]，得到橋梁的綜合評(píng)估指標(biāo)，以此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

利用上述思路和方法開(kāi)發(fā)了大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，并應(yīng)用于多座大型橋梁的監(jiān)測(cè)，如圖5所示。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下其功能：①實(shí)時(shí)記錄橋梁振動(dòng)，并對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，提供地震事件的報(bào)警信息；②提供四個(gè)獨(dú)立的損傷指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的結(jié)果反應(yīng)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；③三維直觀顯示結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性結(jié)果，并對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行快速仿真；④通過(guò)對(duì)上述多個(gè)損傷指標(biāo)進(jìn)行融合，并結(jié)合橋梁的快速地震響應(yīng)仿真結(jié)果，對(duì)大型橋梁的地震安全性進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用JSF框架搭建系統(tǒng)，Hibernate封裝管理MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，JSP、HTML、JavaScript、AJAX、ActiveX等技術(shù)豐富界面，開(kāi)發(fā)出安全友好實(shí)用的大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)。系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)難度可控，數(shù)據(jù)管理有條不紊，擴(kuò)展性強(qiáng)，升級(jí)更新容易，維護(hù)成本低，用戶安裝和使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以滿足地震事件的在線監(jiān)測(cè)和報(bào)警，橋梁多種指標(biāo)的綜合評(píng)估，模擬地震

作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)等需求。本系統(tǒng)可以為橋梁管理方對(duì)突發(fā)事件的處理提供有力的決策支持，為震后快速評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性提供了多種方式，同時(shí)可為橋梁的抗震設(shè)計(jì)和加固提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)實(shí)施效果圖Fig.5 System implementation effect

[1]Ian F.Darwin.Java經(jīng)典實(shí)例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]趙賢任，王立新，姜慧.封閉車(chē)道對(duì)珠江黃埔大橋振動(dòng)的影響分析[J].建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià)，2014，7（1）：12-17.

[3]姜慧，王立新，嚴(yán)琨，等.大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)研究[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2016，11（2）：261-271.

[4]楊安印，王保保.基于JSF和標(biāo)簽的Web權(quán)限控制實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（9）：1945-1947.

[5]吳永權(quán)，黃文輝.JOPENS流服務(wù)與TDE-324系列地震數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流接口程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華南地震，2011，31（3）：50-59.

[6]聶振華，馬宏偉.基于重構(gòu)相空間的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（1）：83-92.

[7]Takens，F(xiàn).Detecting strange attractors in turbul-ence.In: Rand，D.and Young,L.S.(eds)，Dynamical Systems and Turbulence.Springer Lecture Notes in Mathematics[M]. New York：Springer，1981.

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Development and Implementation of Online Monitoring and Evaluation System of Seismic Safety for Long-span Bridges

ZHAO Xianren1，2，WANG Lixin1，2，YAN Kun1，2
（1.Earthquake Administration of Gudong Province，Guangzhou 510070，China；2.CEA Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

Many long-span bridges in Guangdong province have built a strong motion monitoring array,in order to deal with and assess the impacts of seismic events on the bridge,data processing and safety assessment system should be established.This paper developed online monitoring and evaluation system of seismic safety for longspan bridges base on Java technology and MySQL database.The system realizes the functions of earthquake alarm,bridge vibration data real-time analysis,fast simulation and safety assessment of bridge.System successfully used in long-span bridges strong motion monitoring array can provide scientific decision-making for bridge management to respond to emergencies,basic data for the bridge seismic safety evaluation and seismic design and reinforcement.

Bridge engineering；Strong motion monitoring；Safety assessment；System development

U442.55；U446

A

1001-8662（2016）03-0029-06

10.13512/j.hndz.2016.03.004

2016-06-20

由廣東省重大科技專項(xiàng)（2012A080102008）、中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金、廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（2011A060901006）、地震科技星火計(jì)劃（XH16031）共同資助

趙賢任（1982-），男，工程師，主要從事強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)方面研究工作.

E-mail：felix0930@me.com

趙賢任，王立新，嚴(yán)琨.大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用和功能的實(shí)現(xiàn)[J].華南地震，2016，36（3）：29-34.[ZHAO Xianren，WANG Lixin，YAN Kun.Development and Implementation of Online Monitoring and Evaluation System of Seismic Safety for Long-span Bridges[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：29-34.]