淺析路網(wǎng)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法

摘? 要：本文以廠溪河特大橋（達(dá)陜高速）為例，結(jié)合大橋本身特點及其病害現(xiàn)狀，介紹了基于3G網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的云平臺監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用，并獲得了監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果。監(jiān)測結(jié)果表明加固后的連續(xù)剛構(gòu)橋，需設(shè)置一定的標(biāo)準(zhǔn)和對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來判別橋梁的健康狀況和承載能力，從而確保橋梁在壽命期的運營安全。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測;連續(xù)剛構(gòu)橋;運營安全

中圖分類號：TU3? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2019）07-0000-00

1項目簡介

隨著交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測受到了全世界的廣泛關(guān)注[1]，由于健康監(jiān)測系統(tǒng)成本較高，目前其主要應(yīng)用于大型橋梁[2]。

廠溪河特大橋跨徑組合為右幅2×40m（簡支T梁）+（95+180+95）m（連續(xù)剛構(gòu)）+（6×40m）（簡支T梁），左幅為2×40m（簡支T梁）+（95+180+95）m（連續(xù)剛構(gòu)）+（5×40m）（簡支T梁），主墩最高達(dá)84m。位于宣漢縣廠溪鎮(zhèn)，跨越廠溪河。廠溪特大橋是典型的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，大橋具有主墩無支座、橫橋向抗扭剛度大、橋墩為高墩、大跨度連續(xù)鋼構(gòu)橋等特點。

2系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能，由此來確定所需要監(jiān)測的項目，根據(jù)適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)型的要求選取技術(shù)成熟、性能可靠的傳感器。相關(guān)人員應(yīng)將橋梁所處環(huán)境作為根據(jù)，同時將荷載等級、項目經(jīng)費與橋梁狀態(tài)等因素均考慮在內(nèi)，確保監(jiān)測項目選擇的綜合性，保證其能將橋梁結(jié)構(gòu)運營中的真實狀態(tài)反映出來，最大程度上保證所投入費用產(chǎn)生的效益。另外，相關(guān)人員還應(yīng)科學(xué)布置傳感器，針對橋梁受損處、控制點以及最大值處，設(shè)置對應(yīng)力與撓度傳感器，為結(jié)構(gòu)信息獲取的準(zhǔn)確性與可靠性提供更大的保障。

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計主要由以下子系統(tǒng)構(gòu)成：（1）傳感器系統(tǒng);（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng);（3）數(shù)據(jù)存儲與分析系統(tǒng);（4）用戶界面系統(tǒng)。因為子系統(tǒng)的功能與特征并不統(tǒng)一，且通常情況下應(yīng)用的軟硬件也各不相同，所以把各子系統(tǒng)合理組織是必要的，進(jìn)而推動系統(tǒng)集成的順利實現(xiàn)[3]，促進(jìn)各子系統(tǒng)在邏輯方面、物理方面乃至功能方面的相互兼容并協(xié)同合作，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運營。

3系統(tǒng)功能

3.1傳感器系統(tǒng)

傳感器處于監(jiān)測系統(tǒng)的最前端，合理的布設(shè)傳感器，以期利用有限數(shù)量的傳感器獲得盡可能多的有用信息。根據(jù)大橋的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，并依據(jù)大橋自身的運營環(huán)境、整體及局部受力特點，綜合考慮到監(jiān)測部位、構(gòu)件的全面性、代表性、重要性等方面，同時參考前期的大橋檢測報告發(fā)現(xiàn)該橋梁大量存在腹板斜裂頂?shù)装宓目v向及橫向裂縫等病害現(xiàn)狀，經(jīng)過仔細(xì)分析，重點對該橋的主梁下?lián)隙取?yīng)力與裂縫、高墩傾角等進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)合廠溪特大橋結(jié)構(gòu)的主要特征，同時考慮到監(jiān)測精度需求，本系統(tǒng)主要以對國內(nèi)先進(jìn)儀器設(shè)備的應(yīng)用為主，其性能與傳統(tǒng)儀器相比較來講也更加可靠，此外其還具備精度高、使用期長與承壓性能好的優(yōu)勢。監(jiān)測項目和傳感器如表1所示。

一般來講，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計包含以下內(nèi)容：

首先是通過系統(tǒng)分析確定任務(wù)：針對監(jiān)測對象、問題展開有效的調(diào)查分析，使系統(tǒng)任務(wù)與技術(shù)指標(biāo)等得到確定;其次是系統(tǒng)總體設(shè)計：將系統(tǒng)軟硬件特征充分考慮在內(nèi)，確保對各功能的合理分配;最后是系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計。本橋梁包括溫濕度、傾角、撓度、支座位移以及應(yīng)變傳感器等5大類35個傳感器。其中撓度、支座位移、傾角、溫濕度傳感器輸出4-20mA的模擬電流信號，但信號無法進(jìn)行長距離傳輸，且不能直接被傳輸設(shè)備識別，需要數(shù)據(jù)采集設(shè)備對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)這幾類傳感器輸出信號的特點，以及對本橋測點分布的考慮，采集系統(tǒng)采用分布于左右兩幅子采集站內(nèi)集中式采集完成傳感器數(shù)據(jù)采集工作。而采集模塊之間通過屏蔽雙絞線組成RS-485總線網(wǎng)絡(luò)（具有連接簡單、成本較低、系統(tǒng)可靠性高以及抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢）進(jìn)行通訊與控制。采集方式為實時采集、連續(xù)存儲，采樣時間間隔為7分鐘。

就網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議傳輸層而言，通常情況下以TCP協(xié)議與UDP協(xié)議為主，前者更貼近于面向連接，即通信接收方接受的基礎(chǔ)上，才能成功發(fā)送。而后者則屬于一類無連接協(xié)議，簡單來講就是在發(fā)起通信的時候，通信接收方無需在傳輸層創(chuàng)建“握手”連接，直接發(fā)送即可。而二者一般以UDP數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸可靠性較差，因此其通常無法為數(shù)據(jù)向目的地傳輸?shù)臏?zhǔn)確無誤提供保障;而TCP則以數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性為其主要優(yōu)勢，其能在有關(guān)設(shè)備或服務(wù)間，創(chuàng)建并保持有效的虛擬連接。將UDP包與TCP包結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理比較，后者的控制機(jī)制與可靠性顯然更勝一籌。橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽匦?、?zhǔn)確性與完整性必須要得到保證，盡可能發(fā)揮TCP協(xié)議的作用?，F(xiàn)場采集模塊采集到傳感器數(shù)據(jù)后接入到DTU設(shè)備上，DTU通過3G無線網(wǎng)絡(luò)的TCP協(xié)議與監(jiān)控中心的服務(wù)器進(jìn)行通訊，服務(wù)器端在接收到數(shù)據(jù)信息之后，將其有效保存至數(shù)據(jù)庫，以便有關(guān)人員的調(diào)用、分析與評估，另外，也應(yīng)結(jié)合實際情況合理調(diào)整監(jiān)測系統(tǒng)的采集參數(shù)等，在全面掌握運行狀況的基礎(chǔ)上，最大程度確保結(jié)論的科學(xué)性與準(zhǔn)確程度，通過對3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，將有關(guān)信息向現(xiàn)場DTU發(fā)送，達(dá)成有效監(jiān)測與控制的目的。

采集與傳輸系統(tǒng)目前具有無人值守條件下連續(xù)運行、采集的各項參數(shù)可遠(yuǎn)程操作來進(jìn)行在線設(shè)置、系統(tǒng)具有自診斷功能，能識別傳感器失效、信號異常、子系統(tǒng)功能失效或系統(tǒng)異常等功能。

3.3數(shù)據(jù)存儲與分析系統(tǒng)

與橋梁現(xiàn)場具體情況相結(jié)合，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性作為根據(jù)，本橋所采用的系統(tǒng)主要以分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲與分析功能為主，在有效獲取實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，再展開校準(zhǔn)、處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量與可靠性測試等工作，為預(yù)警報警系統(tǒng)提供更多的有效數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場獲取的數(shù)據(jù)分析處理流程主要包括：（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、去噪、截取和異常點處理，并簡單的對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，如統(tǒng)計一段時間的最大最小值、均值、方差等內(nèi)容;（2）數(shù)據(jù)后處理：對監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析。如橋梁特征量與環(huán)境因素之間的相關(guān)性分析等。通過一段時間對現(xiàn)場傳感器信號的分析，初步給定傳感器的閾值范圍。如果數(shù)據(jù)超過閾值時進(jìn)行安全預(yù)警。

為了最大限度的保障數(shù)據(jù)安全，預(yù)防在特殊情況下的數(shù)據(jù)丟失，并能在系統(tǒng)遇到問題時最快時間內(nèi)對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)，保持?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)順暢運行，采用二級數(shù)據(jù)備份策略。以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的完全備份和差異備份為第一級備份，以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)備份服務(wù)器上的壓縮備份為第二級備份，對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙層保護(hù)。一級備份采用數(shù)據(jù)庫維護(hù)計劃，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行一周一次的完全備份，每天一次的差異備份，并對備份數(shù)據(jù)采用壓縮備份策略，將備份大小降低到了原始備份的30%。二級備份利用Xcopy命令技術(shù)，將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上備份的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)搅硪慌_備份服務(wù)器上。通過定制操作系統(tǒng)的計劃任務(wù)，定期對服務(wù)器間的備份數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。

4 現(xiàn)場實施

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，對項目進(jìn)行現(xiàn)場實施，用戶界面系統(tǒng)是一套基于擴(kuò)展B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)的WEB系統(tǒng)。其工作原理是將軟件系統(tǒng)安裝在服務(wù)器端，遠(yuǎn)程用戶可通過瀏覽器訪問該服務(wù)器，并與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交流?；贐/S架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)，使WWW瀏覽器技術(shù)的重要作用得到了全面發(fā)揮，如此即使不借助專用軟件，也能實現(xiàn)原本具備的強(qiáng)大功能。

系統(tǒng)安裝完畢后，進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試，在下機(jī)位工控機(jī)的控制下，獲得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并存儲在中心數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且可靠。

5 結(jié)論與展望

通過對廠溪特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)運營一段時間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，這些數(shù)據(jù)能充分反應(yīng)橋梁的實際結(jié)構(gòu)特征信息，因此起到了科學(xué)指導(dǎo)工程的目的，提高了橋梁的整體管理水平。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測技術(shù)的簡單應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上提高監(jiān)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為信息的可靠程度，進(jìn)一步增強(qiáng)橋梁管理與維護(hù)決策的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]歐進(jìn)萍.重大工程結(jié)構(gòu)的累積損傷與安全度評定[C]//走向21世紀(jì)的中國力學(xué)，中國科協(xié)第9次“青年科學(xué)家論壇”報告文集.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

[2]張宇峰，徐宏，倪一清.大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全評價系統(tǒng)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].公路，2004，5（5）：24-26.

收稿日期：2019-08-20

作者簡介：楊正強(qiáng)（1977—），男，四川達(dá)州人，本科，工程師，研究方向：高速公路養(yǎng)護(hù)管理及研究。

Analysis on the Design Method of Road Network Bridge Health Monitoring System

YANG Zhengqiang

（Sichuan Dashan Expressway Co.Ltd.Dazhou， Sichuan? Dazhou? 635000）

Abstract：? Taking the Changxi River Super Bridge （Dashan Expressway） as an example， this paper introduces the composition and application of a cloud platform monitoring system based on 3G network transmission technology based on the characteristics of the bridge itself and its disease status， and obtains monitoring from the monitoring system result. The monitoring results show that the reinforced continuous rigid frame bridge needs to set certain standards and analyze the monitoring data to determine the health and bearing capacity of the bridge， so as to ensure the operational safety of the bridge during its lifetime.

Keywords： health monitoring; continuous rigid frame bridge; operational safety