輕型監(jiān)測系統(tǒng)在干線公路橋梁狀態(tài)評估中的研究與應用

張春進

蘇交科集團股份有限公司 江蘇 南京 211112

正文：

1、引言

隨著這些年橋梁健康監(jiān)測技術應用逐步從特大跨徑橋梁向常規(guī)橋梁拓展，常規(guī)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)分散性強、單個項目規(guī)模小、現(xiàn)場供電通訊等基礎條件差、系統(tǒng)免維護要求高等特點，我們現(xiàn)有的主要針對跨江越海特大型橋梁的以工控機為采集系統(tǒng)核心的健康監(jiān)測系統(tǒng)表現(xiàn)出越來越多的不適應性，其系統(tǒng)龐大復雜，成本缺乏競爭力，配置靈活度不足，功耗高造成難以應用太陽能發(fā)電等新型供電技術，系統(tǒng)對后期維護要求高。同時，江蘇省作為全國的橋梁大省和強省，在十三五期間結合普通干線公路重點橋梁監(jiān)測部署實施序列主要考慮“需求導向”、“分布實施”等原則，分5年完成實施75座干線公路橋梁安全監(jiān)測。因此，急需要形成輕型健康監(jiān)測系統(tǒng)頂層設計、開發(fā)低功耗嵌入式現(xiàn)場控制系統(tǒng)、有線無線混合組網(wǎng)等技術，并形成面向工程需求的干線公路橋梁輕型監(jiān)測系統(tǒng)解決方案。

2 、橋梁輕型監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術研究

2.1 系統(tǒng)頂層設計研究

干線公路橋梁輕型監(jiān)測系統(tǒng)主要針對橋梁運營期進行監(jiān)測，重點關注主要結構部位應力變化、混凝土裂縫發(fā)生與發(fā)展、大的結構變形以及車輛荷載等指標。由于中小橋梁量大面廣、結構相對簡單，以及資金與人力等方面的限制。系統(tǒng)應具有有效性、可靠性、經(jīng)濟性及靈活性的特點。橋梁輕型健康監(jiān)測系統(tǒng)由以下兩大子系統(tǒng)構成：傳感器、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸子系統(tǒng)；中心控制及數(shù)據(jù)管理與分析子系統(tǒng)。不同于特大型大跨度橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不同，輕型監(jiān)測系統(tǒng)需要經(jīng)濟實惠、易于保養(yǎng)與維修，需要將各個橋梁上采集的信號，集中傳送到一個數(shù)據(jù)中心。

2.2 嵌入式現(xiàn)場控制系統(tǒng)研究

傳統(tǒng)橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)通常在采集現(xiàn)場配置專用工業(yè)控制計算機，搭載各種擴展接口，如RS232、RS485等，以適應多種測量參數(shù)的要求。為了達到系統(tǒng)簡易性同時提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，本項目提出了一種嵌入式現(xiàn)場控制系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的廣闊應用為數(shù)據(jù)的處理和傳輸提供了堅實的處理平臺。嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素——“嵌入性”，“專用性”，“計算機系統(tǒng)”為橋梁監(jiān)測系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)的結合提供了保證。工業(yè)控制網(wǎng)絡是由傳感器、執(zhí)行機構、顯示和數(shù)據(jù)記錄設備等組成，用于監(jiān)視和控制電氣設備的系統(tǒng)。由于工業(yè)控制系統(tǒng)特別強調可靠性和實時性?？刂凭W(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信以引發(fā)物質或能量的運動為最終目的。用于測量與控制的數(shù)據(jù)通信的主要特點是：允許對實時的事件進行驅動通信，具有很高的數(shù)據(jù)完整性。

3 、工程應用

3.1 概況

二干河橋位于無錫市江陰市S228區(qū)段，運營中心樁號為K8+602。該橋全長108.232米，橋寬24米，主橋為一孔計算跨徑為56m的下承式預應力系桿拱橋，南北岸側引橋均為兩孔20m跨簡支T梁。根據(jù)二干河橋的結構特點，結合輕型監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術研究，建立了二干河橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測項目包括關鍵截面應力（溫度）監(jiān)測、線形監(jiān)測以及車輛荷載監(jiān)測3項指標。無錫市普通國省干線公路橋梁（二干河橋）輕型監(jiān)測系統(tǒng)主要將由下列兩大系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)分別有兩個子系統(tǒng)構成。

場端系統(tǒng)；

監(jiān)測中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；

這四個子系統(tǒng)將按一下工作流程運行：第一步是傳感與采集子系統(tǒng)的各傳感器在線拾取大橋關鍵部位的信號；第二步是采用實時采集與間斷采集相結合方式獲取數(shù)據(jù)，并通過PAD、無線或傳輸光纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)，將采集到數(shù)字信號通過無線網(wǎng)絡發(fā)射回控制中心；第三步是由計算機服務器與工作站組成的計算機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲；并根據(jù)結構預警與評估的指令為其提供特定格式和內(nèi)容的數(shù)據(jù)以及處理結果；第四步是結構預警與評估子系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計、閾值判別給出評估意見及報警信息，并為養(yǎng)護工作提出建議。

4、結論

面向干線公路橋梁的輕型態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究，突破了一系列大中型橋梁健康監(jiān)測技術的瓶頸，形成了一系列實用化和標準化的技術成果，該技術成果的提出與應用有助于改變傳統(tǒng)的被動式大中橋梁養(yǎng)護管理及交通運輸管理理念，樹立有預見性、針對性、及時性和整體性的主動式大中橋梁養(yǎng)護管理及交通運輸管理理念，拓展與提升橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)和智能交通體系，顯著降低橋梁安全風險，延長橋梁服役壽命，也便于全面統(tǒng)籌交通運輸管理系統(tǒng)，提升突發(fā)事件應急處理水平。項目成果有望反饋到橋梁設計方面，改變傳統(tǒng)的橋梁設計理念，切實促進橋梁養(yǎng)護管理、交通運輸管理及橋梁設計等方面的重大變革。