橋梁監(jiān)測的集群化

文/圖　遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心 張冠華

根據(jù)各類橋梁的實(shí)際情況，開發(fā)和應(yīng)用集群化橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)，積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)等信息化手段在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，并將之與傳統(tǒng)模型相結(jié)合，更大程度地發(fā)揮橋梁監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)的價(jià)值，保障橋梁的安全運(yùn)營。

隨著我國公路橋梁事業(yè)的發(fā)展，橋梁數(shù)量越來越多，截止到2017年末，全國公路橋梁共計(jì)83.25萬座，比2016年增加了2.72萬座。在全部橋梁中，特大橋梁4646座、大橋91777座，絕大部分為中小跨徑橋梁。而對(duì)于數(shù)量眾多的橋梁，其安全監(jiān)測，目前仍主要應(yīng)用人工檢測的方法，包括定期檢查和評(píng)估等。但實(shí)踐證明僅僅依靠人工檢測，將出現(xiàn)諸如檢測周期長導(dǎo)致橋梁信息獲取的滯后，檢測情況難以量化，造成相關(guān)人員不能準(zhǔn)確了解橋梁的運(yùn)行狀況等問題。隨著這些問題的出現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)越來越受到橋梁管理者的重視。

通過在橋梁上安裝安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測橋梁的實(shí)際運(yùn)行情況，量化監(jiān)測數(shù)值，便于定期維護(hù)。當(dāng)橋梁出現(xiàn)狀況時(shí)可以及時(shí)發(fā)布預(yù)警，做好應(yīng)對(duì)措施。因此，通過人工檢測與安全監(jiān)測相結(jié)合的方式對(duì)橋梁進(jìn)行長期監(jiān)測，便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決橋梁的安全隱患。

中小跨徑橋梁監(jiān)測不足

根據(jù)相關(guān)資料，目前我國安裝設(shè)計(jì)較完備、傳感器齊全的安全監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁不到300座。而導(dǎo)致橋梁安全監(jiān)測技術(shù)未能廣泛應(yīng)用的原因主要有兩方面。其一是安全監(jiān)測系統(tǒng)費(fèi)用昂貴。由組圖可知，無論是普通公路橋梁還是高速公路橋梁，中小跨徑橋梁都占據(jù)主要地位，而占主要地位的中小跨徑橋梁卻無法承受高昂的監(jiān)測費(fèi)用。但大橋由于重要性等級(jí)較高，建設(shè)和養(yǎng)護(hù)的經(jīng)費(fèi)充足，因此，安全監(jiān)測系統(tǒng)只在占很小比例的大跨徑橋梁中應(yīng)用較多?；诖?，應(yīng)該更加重視中小跨徑橋梁集群化監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，因?yàn)橹行】鐝綐蛄和瑯有枰踩O(jiān)測。其二是技術(shù)的成熟度不夠，安全監(jiān)測系統(tǒng)涉及到傳感器的應(yīng)用、信息傳輸與采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析等信息技術(shù)，雖然云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)也逐漸興起，并積極地嘗試應(yīng)用，但某些技術(shù)還不是很成熟，限制了其推廣應(yīng)用。

組圖：遼寧省公路橋梁分布情況

集群化橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)工作示意圖

集群化監(jiān)測系統(tǒng)

面對(duì)中小跨徑橋梁監(jiān)測成本高的問題，將眾多分散的橋梁進(jìn)行集成化管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，擴(kuò)大監(jiān)測范圍，涵蓋更多的橋梁，節(jié)約人力和開發(fā)的成本，保證橋梁的安全運(yùn)營，這就是集群化橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)每座橋梁的實(shí)際情況制定監(jiān)測方案，選定針對(duì)性的監(jiān)測參數(shù)，使用相應(yīng)的傳感器采集數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)，通過太陽能供電和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇y(tǒng)一的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的共享，并可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

集群化橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)研究主要包括四部分：橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)的確定、傳感器的選型和試驗(yàn)及多傳感器集成設(shè)備的研制。橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括四個(gè)子系統(tǒng)即傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)和監(jiān)測與評(píng)估子系統(tǒng)。傳感器子系統(tǒng)主要為傳感器元器件及其附屬保護(hù)設(shè)施，接受監(jiān)控中心發(fā)出的指令，采集各種響應(yīng)參數(shù)。傳感器“感知”這些參數(shù)幅值，并通過內(nèi)置感應(yīng)電路將這些參數(shù)值轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號(hào)及數(shù)字信號(hào)，并傳輸給現(xiàn)場工作站的采集計(jì)算機(jī)，完成信號(hào)數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由分布在全橋的多個(gè)采集工作站、通信光纜和控制軟件等組成，主要是通過光纜將采集數(shù)據(jù)輸送到監(jiān)控中心的服務(wù)器，具備信號(hào)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、臨時(shí)歸檔、顯示和及時(shí)存儲(chǔ)等功能。數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)為監(jiān)控中心系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)信息心臟”。主要是管理和儲(chǔ)存整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)資料信息和動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測與評(píng)估子系統(tǒng)主要是利用各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析算法和評(píng)估理論完成橋梁監(jiān)測信息的發(fā)布、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估等工作。通過對(duì)現(xiàn)有橋梁病害的調(diào)研，以及對(duì)病害類型的統(tǒng)計(jì)分析，了解安全重要控制部件和位置，分析影響橋梁安全的各種關(guān)鍵因素，確定安全監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)程設(shè)置監(jiān)測參數(shù)布點(diǎn)。

傳感器的選型及試驗(yàn)

為了確定何種類型的傳感器更適合進(jìn)行位移的長期靜態(tài)監(jiān)測，分別使用加速度傳感器、傾角儀及靜力水準(zhǔn)儀三種傳感器進(jìn)行位移的測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，加速度傳感器測試位移，誤差較大，影響因素多，不適于位移的長期位移監(jiān)測；傾角儀換算位移，精度較好，但受溫度影響大，成本較高，適用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測；水準(zhǔn)儀測試精度最高，更適用于長期靜態(tài)監(jiān)測。多傳感器集成設(shè)備的研制包括硬件設(shè)備的集成、相關(guān)軟件的編制及加速度采集卡的研制等。這些設(shè)備能夠支持系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)采集與傳輸及數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳。減小了體積且安裝方便，也解決了兼容性問題，同時(shí)降低了成本。

實(shí)際工程的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，以預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為例，其病害主要表現(xiàn)為下?lián)线^大、腹板易產(chǎn)生裂縫，所以確定關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)為跨中豎向變形及腹板裂縫寬度。除此之外，將混凝土應(yīng)變、振動(dòng)特性和縱向位移、體外索應(yīng)變及梁內(nèi)溫度作為輔助監(jiān)測參數(shù)。安裝靜力水準(zhǔn)儀、裂縫計(jì)、拾振器、混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼索計(jì)等傳感器，以及系統(tǒng)控制箱、太陽能控制器等相關(guān)集成設(shè)備，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，開發(fā)可視化界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用

隨著云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的出現(xiàn)，以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)質(zhì)和量的復(fù)雜性變化，在分析橋梁安全監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)，需要新的信息技術(shù)。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)分析等手段，分析相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

集成橋梁的監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)的分析過程主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取以及數(shù)據(jù)挖掘過程。在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中主要包括數(shù)據(jù)的清洗和集成。數(shù)據(jù)清洗是為了消除錯(cuò)誤、冗余和數(shù)據(jù)噪音，將不同的、不兼容的規(guī)則所得的各種數(shù)據(jù)集一致化。數(shù)據(jù)集成是為了合并多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，將其存放到一個(gè)一致的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。目前，在橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析過程中，主要就是將橋梁的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)和橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。在特征提取階段，需要將機(jī)器學(xué)習(xí)算法不能識(shí)別的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的數(shù)值特征。比如通過統(tǒng)計(jì)分析提取的統(tǒng)計(jì)特征，模態(tài)識(shí)別提取的模態(tài)特征等。

在數(shù)據(jù)挖掘過程中，主要包括分類、聚類、關(guān)聯(lián)度分析，異常檢測等算法。每一種算法又包含不同的方法，比如分類方法中包括貝葉斯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、決策樹、組合分類、基于規(guī)則分類等方法；聚類算法中有層次方法、高級(jí)聚類、基于密度方法、基于網(wǎng)格方法等，為了取得更好的效果，根據(jù)實(shí)際問題選擇相應(yīng)的方法。

集群化橋梁安全監(jiān)控中心（研究中心）

數(shù)據(jù)融合技術(shù)尚未成熟

目前，大數(shù)據(jù)分析方法在橋梁安全監(jiān)測中的應(yīng)用情況主要有四個(gè)方面：包括對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類、聚類分析、小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的數(shù)據(jù)預(yù)測，關(guān)聯(lián)度分析和異常數(shù)據(jù)識(shí)別，以及數(shù)據(jù)的融合。通過對(duì)不同測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、聚類分析可得到不同工況下的結(jié)果，從而評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)；應(yīng)用小波變換等方法能夠得出結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)，從而預(yù)測橋梁未來一段時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)；關(guān)聯(lián)度分析則能夠探究不同類型監(jiān)測參數(shù)之間的相互作用規(guī)律，通過對(duì)異常數(shù)據(jù)的識(shí)別，了解橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，從而做出預(yù)警；數(shù)據(jù)融合，即融合橋梁設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營中的病害、事故、書籍、論文等信息，但受制于技術(shù)的發(fā)展，該方向更偏向于理論研究，尚未成熟。

大數(shù)據(jù)分析與橋梁監(jiān)測

將集群化公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，主要包括四個(gè)部分，即數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示。數(shù)據(jù)處理過程主要是將傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)入到分布式數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行異常值過濾和離群點(diǎn)檢測，采用線性二次平滑補(bǔ)全數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)歸一。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程是將來自各個(gè)傳感器和數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用分布式數(shù)據(jù)庫對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和訪問。在數(shù)據(jù)分析階段，采用相關(guān)大數(shù)據(jù)組件進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、異常數(shù)據(jù)分類和時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測。在關(guān)聯(lián)度分析過程中，首先開展數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，構(gòu)建頻繁項(xiàng)集，在可能的延遲時(shí)間內(nèi)，找出潛在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，也可以根據(jù)實(shí)際情況及養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)的選擇和數(shù)值的離散化，再通過FP-GROWTH算法挖掘頻繁項(xiàng)集，從而找出不同類型傳感器或者同一類型傳感器的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

對(duì)于未來的橋梁養(yǎng)護(hù)和管理，除了關(guān)注橋梁安全監(jiān)測內(nèi)容和技術(shù)的發(fā)展以外，同時(shí)要加大力度進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和評(píng)價(jià)，還可以嘗試將氣象數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)引入，做更多的分析和處理。在此基礎(chǔ)上，開闊思路，橫向分析，探索同類型橋梁的共性，應(yīng)用新方法和新技術(shù)，為橋梁的養(yǎng)護(hù)和管理提供新思路。