淺談通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李俊杰

（1甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省綠色建筑與建筑節(jié)能工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)安全預(yù)警和質(zhì)量控制方面有突出的作用，強(qiáng)調(diào)該系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用有其針對(duì)性，一般是基于特殊土木結(jié)構(gòu)實(shí)施系統(tǒng)的建設(shè)與使用。但從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐來看，雖然在不同的土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)踐中應(yīng)用，但是系統(tǒng)架構(gòu)存在著一致性，且較多的功能模塊可以通用?；谶@樣的應(yīng)用背景，開發(fā)具有通用性的土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，不同系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐中存在的軟件重復(fù)利用、成本消耗過大和管理困難等問題可得到有效解決。

1 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通用架構(gòu)

對(duì)實(shí)踐應(yīng)用的土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，雖然不同結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式方面存在差異，在具體環(huán)境以及荷載方面也有各自顯著的特點(diǎn)，但是其具備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)卻是基本相同的[1]。就目前的結(jié)構(gòu)分析來看，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由五個(gè)部分構(gòu)成：1）傳感器子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳感器、二次儀表等組成，能夠?qū)こ探Y(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。就該系統(tǒng)的組成來看，主要為數(shù)據(jù)站，而數(shù)據(jù)站一般需要利用微機(jī)進(jìn)行控制。在實(shí)踐中，該系統(tǒng)的主要功能是采集傳感器原始測(cè)量數(shù)據(jù)。3）數(shù)據(jù)通信與傳輸子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括服務(wù)器站點(diǎn)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)局域網(wǎng)以及與局域網(wǎng)聯(lián)系的干網(wǎng)連接等，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的通信與傳輸。4）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)。就該系統(tǒng)的構(gòu)成來看，主要為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器[2]。針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理主要有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、備份、修改以及刪除和查詢等。5）數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要組成是邏輯服務(wù)器。利用該系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理、圖形化顯示以及診斷、預(yù)/報(bào)警等工作的開展更具實(shí)效性，對(duì)土木工程的具體管理等實(shí)施也有現(xiàn)實(shí)效果。

2 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通用功能模塊

2.1 主要功能

通過對(duì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐的分析發(fā)現(xiàn)，其主要功能集中在如下方面：

1）監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)荷載的變化情況。

2）監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的變化情況。

3）診斷結(jié)構(gòu)損傷并基于診斷結(jié)果預(yù)/報(bào)警。

4）評(píng)估結(jié)構(gòu)狀態(tài)[3]。

5）為結(jié)構(gòu)的維修以及養(yǎng)護(hù)實(shí)踐提供更加充實(shí)的參考。

6）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身的管理控制以及運(yùn)行維護(hù)。

2.2 主要模塊

基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)將應(yīng)用軟件進(jìn)行劃分，可以劃分出較多的通用軟件模塊，主要分如下：

1）傳感器布點(diǎn)優(yōu)化模塊。該模塊可以基于結(jié)構(gòu)初始有限元模型的分析結(jié)果，優(yōu)化傳感器布點(diǎn)方案，從而使傳感器在信息獲取方面的效果更加突出。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。該模塊的主要作用是進(jìn)行信息的收集并對(duì)其做預(yù)處理。

3）數(shù)據(jù)通訊模塊。該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)布。

4）數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份、刪除、修改以及查詢等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均屬該模塊的功能[4]。

5）數(shù)據(jù)處理模塊?；陬A(yù)處理的數(shù)據(jù)，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)更加深入和系統(tǒng)的分析與處理。

6）結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別模塊。該模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。

7）結(jié)構(gòu)模型修正模塊。該模塊主要的價(jià)值體現(xiàn)在對(duì)有限元模型的修正和優(yōu)化方面。

8）預(yù)/報(bào)警模塊。使用該模塊可設(shè)置不同的警報(bào)級(jí)別，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的預(yù)/報(bào)警。

9）結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估模塊。該模塊的主要作用是對(duì)工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估。

10）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制管理與運(yùn)行維護(hù)模塊。該模塊的主要作用是進(jìn)行系統(tǒng)管控。

總的來講，系統(tǒng)通用功能的明確以及軟件模塊的有效劃分對(duì)于通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有突出的現(xiàn)實(shí)意義。

3 土木工程結(jié)構(gòu)常規(guī)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

通過分析土木工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，需要關(guān)注的監(jiān)測(cè)內(nèi)容較多。目前，常規(guī)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要可以劃分為七大類，每個(gè)大類中還有諸多不同的小內(nèi)容[5]。以下是對(duì)七大類監(jiān)測(cè)內(nèi)容的總結(jié)。

1）變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)是工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中最常見的內(nèi)容，包括了結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的靜態(tài)位移等，是掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的重要參考。

2）索力監(jiān)測(cè)。索力監(jiān)測(cè)主要目的是實(shí)時(shí)掌握各類索，比如拉索、吊索、預(yù)應(yīng)力索等的內(nèi)力變化。

3）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。其主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容是構(gòu)件在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。

4）振動(dòng)監(jiān)測(cè)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要目的是掌握動(dòng)態(tài)荷載下結(jié)構(gòu)的位移、速度等參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，并基于變化規(guī)律獲取位移模態(tài)或應(yīng)變模態(tài)參數(shù)。

5）環(huán)境及荷載監(jiān)測(cè)。其主要監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境及荷載的變化。

6）構(gòu)件耐久性監(jiān)測(cè)。構(gòu)件耐久性對(duì)結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全有顯著影響，因此需強(qiáng)調(diào)耐久性監(jiān)測(cè)。

7）構(gòu)件表觀的監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)的主要目的是掌握構(gòu)件表面的具體變化情況。

4 通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)需要滿足健康監(jiān)測(cè)的具體要求，同時(shí)還要解決軟件模塊的重復(fù)利用問題及成本控制，因此,基于多方面考慮對(duì)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)進(jìn)行分析有突出的現(xiàn)實(shí)價(jià)值[6]。目前，系統(tǒng)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)需確定以下五個(gè)主要目標(biāo)：

1）能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)具體結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架布置和設(shè)計(jì)。

2）能夠?yàn)閿?shù)據(jù)管理與顯示提供友好型的人機(jī)交互界面。

3）可為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)踐中的常見問題提供解決方法選集。

4）可針對(duì)具體結(jié)構(gòu)建立健康監(jiān)測(cè)方案，并對(duì)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行合理有效的維護(hù)和管理。

5）可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)預(yù)/報(bào)警，從而使監(jiān)測(cè)結(jié)果可以為相關(guān)決策提供依據(jù)與支持。

基于具體的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)框架的設(shè)計(jì)，對(duì)于完善系統(tǒng)平臺(tái)框架來說非常必要[7]。就通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平臺(tái)框架建設(shè)而言，基于目標(biāo)實(shí)現(xiàn)原則，可采用用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法。從用戶界面層來看，其主要功能是實(shí)現(xiàn)用戶和系統(tǒng)之間的交互，將數(shù)據(jù)的圖形或者列表清晰地顯示在用戶面前，從而為用戶提供真實(shí)的參考依據(jù)。業(yè)務(wù)邏輯層主要包括各種方法庫(kù)模塊，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的核心層，就系統(tǒng)和平臺(tái)的運(yùn)行而言，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)估、預(yù)/報(bào)警信息等均是業(yè)務(wù)邏輯層提供的。數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其主要作用是進(jìn)行各類信息的獲取并存儲(chǔ)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)來看，系統(tǒng)需要建立在開放和兼容的基礎(chǔ)上，從而能夠?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而定制的系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用XML標(biāo)準(zhǔn)，圖1為系統(tǒng)在應(yīng)用實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)具體功能的示意圖。

圖1 功能示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)評(píng)估和預(yù)/報(bào)警方面發(fā)揮著重要的作用。從目前掌握的研究應(yīng)用現(xiàn)狀來看，雖然針對(duì)不同的工程結(jié)構(gòu)構(gòu)建的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在或多或少的差異，但在系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊等方面存在著通用性。因此，開發(fā)通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)資源整合，從而顯著提升監(jiān)測(cè)工作的專業(yè)性和規(guī)范性，對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用與深入研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。