無(wú)線傳感器支持下橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究

楊松

摘 要：在新建及改擴(kuò)建橋梁工程不斷增多的背景下，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要性日益凸顯。通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中引入和應(yīng)用無(wú)線傳感器等先進(jìn)技術(shù)，有助于增強(qiáng)相應(yīng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，縮短安裝周期，降低建設(shè)成本，也有助于增強(qiáng)監(jiān)測(cè)結(jié)果精度。文章基于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作現(xiàn)狀，著重就基于無(wú)線傳感器支持的專項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳感器

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）30-0058-02

Abstract： In the context of the increasing number of new and expanded bridge projects， the importance of bridge structural health monitoring has become increasingly prominent. By introducing and applying advanced technologies such as wireless sensors in bridge structural health monitoring， the reliability of the corresponding health monitoring system can be enhanced， the installation period can be shortened， the construction cost can be reduced， and the accuracy of the monitoring results can also be enhanced. Based on the current situation of bridge structural health monitoring， this paper mainly discusses the special monitoring system based on wireless sensor and its application.

Keyword： bridge structure； health monitoring； wireless sensor

橋梁作為構(gòu)成國(guó)內(nèi)健全交通網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)樞紐，其運(yùn)營(yíng)的可靠性至關(guān)重要，不僅會(huì)對(duì)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生影響，也關(guān)乎行車的安全性。然而，我國(guó)當(dāng)下有許多現(xiàn)役的橋梁在長(zhǎng)期使用后，由于人為損壞、自然災(zāi)害或老化等問(wèn)題影響，使得它們已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞等質(zhì)量問(wèn)題，已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足新形勢(shì)下使用需求，強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)的定期檢修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在結(jié)構(gòu)問(wèn)題具有重要意義。

1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目的與內(nèi)容

1.1 目的分析

大量實(shí)踐研究表明，橋梁結(jié)構(gòu)使用十年以上后，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與施工環(huán)節(jié)中所存在的質(zhì)量缺陷可能會(huì)完全暴露出來(lái)，如果那些橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷等逐步積累，最終可能會(huì)破壞橋梁結(jié)構(gòu)，影響橋梁運(yùn)行的安全性。由于橋梁損傷的外在表征破壞一般不是非常顯著，最早是從內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞發(fā)展，所以非常容易誘發(fā)橋梁安全事故，影響了結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，強(qiáng)化專門的結(jié)構(gòu)檢查具有重要意義。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法存在比較多的不足與缺點(diǎn)，影響了其實(shí)際的質(zhì)量檢測(cè)效果，尤其是無(wú)法應(yīng)用于檢查那些大型橋梁工程，還會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，且測(cè)量周期比較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性測(cè)量效果比較差。而橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)則是在此背景下所誕生的一種監(jiān)測(cè)方法，其相當(dāng)于為橋梁構(gòu)建了一套類似于人體的神經(jīng)系統(tǒng)，可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的安全隱患和質(zhì)量缺陷。

1.2 內(nèi)容分析

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有檢測(cè)效率高、實(shí)時(shí)觀察性強(qiáng)，并可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化報(bào)警等功能，可以滿足橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)需求，具體檢測(cè)內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；結(jié)構(gòu)以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的運(yùn)行情況；試驗(yàn)荷載大小；結(jié)構(gòu)構(gòu)件各截面上的應(yīng)力分布、支座反力和推力等；橋梁結(jié)構(gòu)的各種靜態(tài)變形指標(biāo)，如轉(zhuǎn)角值、撓度值、位移值以及裂縫深度和寬度等結(jié)構(gòu)局部損壞情況；橋梁結(jié)構(gòu)的衰減特性、周期、自振頻率等動(dòng)力特性。此外，還包括評(píng)價(jià)鋼箱梁疲勞性能，混凝土開裂、堵車以及雪災(zāi)等特殊問(wèn)題報(bào)警等，以便可以利用該種監(jiān)測(cè)理念和方法，找出常規(guī)檢測(cè)手段所無(wú)法發(fā)現(xiàn)的病害成因。

2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則是基于上述的監(jiān)測(cè)目的和內(nèi)容，充分利用無(wú)損傷傳感技術(shù)等所構(gòu)成的圖1所示的系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)特性，可以起到監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)退化或損傷情況的作用。通過(guò)借助該系統(tǒng)的合理應(yīng)用，可以在大型橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重運(yùn)營(yíng)情況的條件下及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，同時(shí)明確橋梁結(jié)構(gòu)的損傷情況，為后續(xù)的橋梁結(jié)構(gòu)維護(hù)管理提供必要依據(jù)，且這種監(jiān)測(cè)是一種實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)過(guò)程。從構(gòu)成角度來(lái)講，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)控中心、傳感系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等構(gòu)成，其中的傳感系統(tǒng)主要包括溫度計(jì)和位移計(jì)等二次儀表和傳感器所構(gòu)成；監(jiān)控中心是將所得到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，借助分析結(jié)果判定橋梁結(jié)構(gòu)損傷的位置以及其他健康狀況；數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)則是收集和處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)；通訊系統(tǒng)則是將所收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的系統(tǒng)中的監(jiān)控中心，然后通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)反饋出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常重要的組成部分，其是數(shù)據(jù)傳輸及檢測(cè)的重要基礎(chǔ)和前提。相較于有限傳感器，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)定位、路由和組網(wǎng)等特性，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)能量也非常有限，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和控制，極大地增強(qiáng)了橋梁健康監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和效率。如圖2，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括匯聚節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)）兩類連接節(jié)點(diǎn)。其中后者主要是采集傳感器數(shù)據(jù)或傳輸拉索張力計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)；前者則主要是收集和傳送各個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以向采集節(jié)點(diǎn)下發(fā)接受檢測(cè)平臺(tái)的控制命令。

在實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要著重做好如下幾點(diǎn)，即：

（1）合理選擇無(wú)線組網(wǎng)形式。在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，主要是基于Zigbee協(xié)議來(lái)進(jìn)行，相應(yīng)的組網(wǎng)形式中除了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外，還包括樹形網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)等。在實(shí)際工作上，需要結(jié)合橋梁實(shí)際的結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計(jì)需求進(jìn)行合理選定。比如，樹形組網(wǎng)方式，主要是在橋梁結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)位置處進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的合理布置，之后將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置在兩側(cè)位置處，這樣就形成了類似樹形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

（2）傳感器數(shù)據(jù)采集。該環(huán)節(jié)的功能作用是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最底層，其主要負(fù)責(zé)橋梁健康情況的各項(xiàng)參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。該環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)主要是由無(wú)線傳感器和微處理器兩部分所構(gòu)成，具體型號(hào)需要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行合理選定。

（3）計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)拉索張力，具體就是借助頻率測(cè)量法，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算?？紤]到數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置處的節(jié)點(diǎn)微處理器性能無(wú)法滿足頻率發(fā)測(cè)量拉鎖張力計(jì)算條件，可以對(duì)數(shù)據(jù)采集頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟档?，適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)索力計(jì)算時(shí)間，待索力值計(jì)算完畢后再將其傳送給數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)。然后借助GPRS技術(shù)等遠(yuǎn)傳傳輸技術(shù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)端的服務(wù)器，這樣可以借助無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

2.3 健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)成

在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)也是非常重要的組成部分，主要是存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)的關(guān)鍵單元，具體構(gòu)成部分包括如下幾點(diǎn)：

（1）橋梁管理部分。該部分平臺(tái)的主要作用是集中管理系統(tǒng)中橋梁的一些基本信息，除了傳感器信息外，還包括橋梁名稱、所處位置和建成時(shí)間，橋梁結(jié)構(gòu)形式，橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行和維護(hù)管理情況等等。通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)上科學(xué)安置無(wú)線傳感器，可以幫助相關(guān)監(jiān)測(cè)人員更全面、更及時(shí)地了解和掌握橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁健康狀況。該部分主要是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，比如環(huán)境參數(shù)、拉索張力值等等。一旦所監(jiān)測(cè)到的各個(gè)橋梁的觀測(cè)值超出了限值范圍時(shí)，那么相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)立刻發(fā)出報(bào)警提示信息。與此同時(shí)，相應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)比較分析幾種參數(shù)，調(diào)出和顯示歷史數(shù)據(jù)；通過(guò)控制數(shù)據(jù)采集方式，可以結(jié)合不同狀況和需求對(duì)相關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警以及結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估。針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警以及結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估分析而言，主要需要建立在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的基礎(chǔ)上，從橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中挖掘出相關(guān)的大量信息，以便借助所得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)制定科學(xué)、合理的決策規(guī)劃。與此同時(shí)，在相應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)人員需要注意定期分析數(shù)據(jù)中的大量數(shù)據(jù)，對(duì)所監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)是否存在安全隱患或質(zhì)量缺陷進(jìn)行判定。但是需要指派專門的檢測(cè)人員負(fù)責(zé)橋梁結(jié)構(gòu)安全性和質(zhì)量性檢測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷和安全隱患的重要基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)的科學(xué)性和合理性會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)管理安全性產(chǎn)生直接影響。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成其系統(tǒng)及運(yùn)營(yíng)平臺(tái)的重要組成部分，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和傳輸數(shù)據(jù)，提升健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)可靠性的目標(biāo)，從而可以為國(guó)內(nèi)橋梁工程建設(shè)提供必要的指導(dǎo)。

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