橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

莊志凱 陳勇 謝琪

摘 要：目前我國公路橋梁正在普及橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，本文將從健康監(jiān)測方案設(shè)計及系統(tǒng)設(shè)計兩個方面，介紹橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計內(nèi)容，闡述各類橋梁監(jiān)測的重點(diǎn)內(nèi)容，規(guī)劃監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)架，為橋梁監(jiān)測的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測;系統(tǒng)設(shè)計;總體構(gòu)架 ;參數(shù)

1 引言

隨著我國公路橋梁建設(shè)技術(shù)的發(fā)展和日益完善的公路系統(tǒng)，橋梁建設(shè)技術(shù)也得到長足的進(jìn)步，相繼建成了各類橋型的世界級跨徑橋梁。但是，橋梁的管養(yǎng)水平卻仍處于初級階段。

從上世紀(jì)八十年代起，我國許多特大型橋梁陸續(xù)安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，對維護(hù)橋梁安全起到了一定作用，但由于技術(shù)、系統(tǒng)等多方面原因，始終未發(fā)揮出最大的作用。經(jīng)調(diào)查研究和近年來工程實際驗證，對于橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評估，不僅需要結(jié)構(gòu)的各種外荷載作用下的靜動力響應(yīng)的分析數(shù)據(jù)，還需要對橋梁構(gòu)件及其附屬設(shè)施的外觀檢查、外部環(huán)境的記錄，對檢測、監(jiān)測、檢查的所有數(shù)據(jù)和視頻、圖像甄別分析，而這些是早期從國外引進(jìn)健康監(jiān)測系統(tǒng)無法達(dá)到的。

總結(jié)現(xiàn)已建設(shè)橋梁管理系統(tǒng)或管養(yǎng)系統(tǒng)建設(shè)的特點(diǎn)，我國橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)的建設(shè)將會形成信息化、大數(shù)據(jù)、專業(yè)化的發(fā)展趨勢，將由有限參數(shù)、單個的結(jié)構(gòu)主體、單一的監(jiān)測功能，向全結(jié)構(gòu)參數(shù)、多維度的管理體系發(fā)展，最終形成城市級、省級橋梁管理平臺;橋梁基礎(chǔ)和實施監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、保存由單一專項數(shù)據(jù)后期集中處理和分析，最終升入類似物聯(lián)網(wǎng)“云端數(shù)據(jù)中心”進(jìn)行行業(yè)級的專業(yè)化管理和分析利用;系統(tǒng)未來技術(shù)上將更加先進(jìn)、可靠，并具有更好的開放性、友好性和實用性，更能適應(yīng)我國橋梁“建、管分家”的特殊特色，符合國內(nèi)橋梁養(yǎng)護(hù)管理人員結(jié)構(gòu)專業(yè)技能相對較薄弱和習(xí)慣性操作特征。

2 監(jiān)測方案設(shè)計

2.1 監(jiān)測的總體目標(biāo)

橋梁由于受到氣候、腐蝕、材料性能退化等因素的影響，以及在長期靜動載作用下不可避免出現(xiàn)的各類損傷，使得橋梁工作性能的表征量——強(qiáng)度和剛度將隨時間的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢。這一現(xiàn)象不僅會影響行車的安全，亦會縮短橋梁的使用壽命。為掌握橋梁運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)及行車狀態(tài)，實時或準(zhǔn)實時地獲取橋址環(huán)境、車輛載荷對橋梁結(jié)構(gòu)整體或局部所產(chǎn)生的效應(yīng)，設(shè)置有效的安全預(yù)警機(jī)制，定期或突發(fā)事件后對橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和交通狀態(tài)作出評估，掌握大橋工作狀態(tài)的變化規(guī)律，為橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位提供主動式管養(yǎng)建議。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)監(jiān)測獲取的信息，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)字化、養(yǎng)護(hù)管理信息化，為大橋管理提供科學(xué)的決策依據(jù)，并在橋梁出現(xiàn)病害時有效地開展養(yǎng)護(hù)、維修與加固工作，提高橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平，系統(tǒng)總體功能要求如下：

（1）系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取反映結(jié)構(gòu)響應(yīng)、構(gòu)件狀況與環(huán)境參數(shù)等信息;

（2）通過對于自動化獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的評估結(jié)論，以及長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到的各項特征參數(shù)發(fā)展規(guī)律及其變化趨勢，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級預(yù)警和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估，為養(yǎng)護(hù)管理提供決策支持;

（3）提供橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理平臺，實現(xiàn)橋梁動態(tài)、靜態(tài)數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲管理等功能;

（4）系統(tǒng)采用主流框架、模塊化結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)以及子模塊之間相對獨(dú)立，并通過合理的集成手段進(jìn)行有序融合，便于系統(tǒng)的檢查、維護(hù)、更換、升級;

（5）系統(tǒng)具有自檢、校準(zhǔn)、控制功能，通過具體的措施和量化指標(biāo)，包括硬件設(shè)備的在線診斷、更換以及軟件的升級修復(fù);

（6）系統(tǒng)設(shè)計時通過有效的儲存方案，在合理的經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，確保所存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性和全面性;

（7）通過適當(dāng)?shù)乃惴?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、分析過程的簡便性，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用效果和應(yīng)用效率;

（8）通過人性化設(shè)計，將系統(tǒng)復(fù)雜的監(jiān)測運(yùn)行、監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測分析流程，簡化為易于大橋管理人員掌握和管理的操作程序，便于直觀性監(jiān)測結(jié)論的獲取，實現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)交互界面的友好性，便于養(yǎng)護(hù)管理人員操作，簡化直觀性監(jiān)測結(jié)果的獲取過程，并確保系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享及監(jiān)測的功能。

2.2 監(jiān)測的重點(diǎn)

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計首先要解決監(jiān)測參數(shù)的確定，參數(shù)的選擇是否正確關(guān)系到監(jiān)測系統(tǒng)正確的評估，即關(guān)系到監(jiān)測系統(tǒng)是否能正常發(fā)揮其作用。結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求，綜合監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容確定主要考慮以下幾個方面的因素：

（1）環(huán)境參數(shù)監(jiān)測：橋梁處于大氣環(huán)境中，長期受到橋區(qū)氣候條件和水文地質(zhì)作用，結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性將會受到影響。因此，需要對橋區(qū)的主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

（2）結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測：為了解橋梁結(jié)構(gòu)的整體工作狀態(tài)，從宏觀上分析結(jié)構(gòu)工作性能的變化規(guī)律，需要重點(diǎn)監(jiān)測橋梁整體變形參數(shù)。同時考慮局部應(yīng)力、撓度等參數(shù)的監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測內(nèi)容

結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)實際情況，考慮經(jīng)濟(jì)、實用、緊湊的原則，對各健康監(jiān)測常規(guī)的橋型監(jiān)測內(nèi)容建議如下表。

2.4 測點(diǎn)的布置

測點(diǎn)的布置應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)的橋梁實際結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)來布置。

環(huán)境參數(shù)監(jiān)測測點(diǎn)布置：本涉及到環(huán)境風(fēng)、溫濕度的監(jiān)測，其中環(huán)境風(fēng)的監(jiān)測需考慮所布置測點(diǎn)一定范圍內(nèi)不受結(jié)構(gòu)的遮擋;對于溫濕度測點(diǎn)布置，重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)封閉空間溫濕度的監(jiān)測。

結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測測點(diǎn)布置：結(jié)構(gòu)性能的監(jiān)測內(nèi)容中，包括應(yīng)力、撓度、動力特性等參數(shù)的監(jiān)測測點(diǎn)，其布置應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析，在關(guān)鍵截面進(jìn)行測點(diǎn)布置。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

健康監(jiān)測系統(tǒng)由4個基本子系統(tǒng)組成，分別是自動化監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、安全預(yù)警子系統(tǒng)和用戶界面子系統(tǒng)。其中自動化監(jiān)測子系統(tǒng)用于荷載源及結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)信息、橋梁現(xiàn)場及特殊隱蔽位置狀況信息的采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將采集的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式儲存在數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)中，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析，獲得結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。然后通過安全預(yù)警與評估子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計分析，結(jié)合各特征參數(shù)設(shè)定的安全閾值實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合報警和狀態(tài)評估功能，并由用戶界面子系統(tǒng)完成人機(jī)交互工作。

3.2 自動化監(jiān)測子系統(tǒng)

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析得出有關(guān)該子系統(tǒng)的工作內(nèi)容、工作范圍和工作目的，針對如何實現(xiàn)預(yù)期功能，將自動化監(jiān)測子系統(tǒng)的組成架構(gòu)作如下設(shè)定：子系統(tǒng)由采集單元模塊、數(shù)據(jù)參數(shù)模塊和數(shù)據(jù)控制與處理三個部分組成，各模塊的描述如下。

傳感器模塊：傳感器模塊由各類傳感器組成，是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源。按照檢測參數(shù)對傳感器進(jìn)行分類，通常有結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器和行車安全特征監(jiān)傳感器，按照信號類型分類又可以分成模擬信號傳感器，例如加速度傳感器;電信號傳感器，例如溫度計、位移計等;光信號傳感器，例如光纖光柵應(yīng)變傳感器等。

數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊：該模塊由通信線纜、信號采集設(shè)備組成。負(fù)責(zé)信號的采集、傳輸與信號的初步處理。通過該模塊，由傳感器模塊所采集的信號將被采集并傳輸至采集現(xiàn)場的存儲設(shè)備。

數(shù)據(jù)處理與控制模塊：由監(jiān)測系統(tǒng)中的服務(wù)器、工作站和相關(guān)的軟件組成。實時接收并處理加測數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)提供可靠、真實的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.3存儲管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要管理系統(tǒng)運(yùn)營后的所有數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲。建立本橋綜合監(jiān)測系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)存儲倉庫，向其它子系統(tǒng)提供有效的信息源，其具體功能要求如下：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制、篩選、管理和二次處理等功能。

（2）提供各類數(shù)據(jù)存儲的工具和場所，建立分布式數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，建立數(shù)據(jù)交換模式，形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

（3）支持特殊事件數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲及分析與處理。

（4）提供數(shù)據(jù)安全及用戶管理的工具。

（5）提供數(shù)據(jù)分布式快速查詢的工具。

（6）提供保障數(shù)據(jù)一致性與同步性的工具。

（7）提供數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)的策略與工具。

（8）提供與異構(gòu)數(shù)據(jù)庫接口的工具。

（9）提供數(shù)據(jù)分析處理的服務(wù)。

（10）具有相應(yīng)的軟硬件安全機(jī)制和自診斷功能，當(dāng)數(shù)據(jù)無法傳輸時能夠向大橋管理人員報警，及時采取措施加以處理。

（11）具有對數(shù)據(jù)及設(shè)備異常報警功能，如系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊失敗時，數(shù)據(jù)可以暫時存儲在采集站計算機(jī)內(nèi)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常后再傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

子系統(tǒng)架構(gòu)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)組成，以不同存儲方式存儲在不同服務(wù)器。

3.4 預(yù)警評估子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲于管理模塊中所存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再按照設(shè)定對的報警評估模型，得到橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評估和報警報告，據(jù)此給出橋梁結(jié)構(gòu)的管養(yǎng)建議。橋梁養(yǎng)護(hù)單位根據(jù)評估報警報告給出的管養(yǎng)建議，可以制定經(jīng)濟(jì)合理的巡檢養(yǎng)護(hù)計劃。該子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、綜合報警和評估三個模塊。

數(shù)據(jù)分析模塊：該模塊的主要目的是對實測數(shù)據(jù)作預(yù)處理及分析，包含數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析兩個部分。其中，數(shù)據(jù)處理側(cè)重于數(shù)據(jù)的實時信息提取，接收來自于自動化監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理，并且針對數(shù)據(jù)的異?，F(xiàn)象診斷儀器設(shè)備工作狀態(tài)，根據(jù)報警和結(jié)構(gòu)評估的需要，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并計算目標(biāo)檢測量，統(tǒng)計特征參數(shù)，并將處理結(jié)果存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析應(yīng)重點(diǎn)對長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫獲取處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)擬合和挖掘的手段，在有條件的情況下，結(jié)合智能算法、深度學(xué)習(xí)的等方法，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)中隱含的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

安全報警模塊：該模塊的主要目的是及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的問題。包含設(shè)備狀態(tài)報警、結(jié)構(gòu)狀態(tài)報警，其中設(shè)備狀態(tài)報警是指橋梁監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)的報警，由數(shù)據(jù)異常識別來診斷儀器異常;結(jié)構(gòu)狀態(tài)報警是指橋梁關(guān)鍵構(gòu)件部位在荷載等作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)報警、正常使用極限狀態(tài)報警以及承載能力極限狀態(tài)報警，通過對結(jié)構(gòu)變形等監(jiān)測參數(shù)建立報警指標(biāo)，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析預(yù)測，并分級報警。

安全評估模塊：該模塊是通過處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采取基于可靠度理論、結(jié)合層次分析法對橋梁的技術(shù)狀況進(jìn)行評價。評估的方法包括橋梁整體安全性評估和專項評估，專項評估主要針對特殊事件，如地震、強(qiáng)風(fēng)等事件后對橋梁結(jié)構(gòu)使用安全的評估。評估時，將結(jié)構(gòu)按照功能和體系細(xì)分為相對獨(dú)立的部分，如按照結(jié)構(gòu)分部劃分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系等，然后按照檢測的參數(shù)，對比相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評估，再用權(quán)重系數(shù)的方式對橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體評價。

3.5 用戶界面子系統(tǒng)

系統(tǒng)針對不同用戶提供不同的功能，每個用戶使用自己的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，登錄后系統(tǒng)根據(jù)用戶類型顯示相應(yīng)的功能界面，隱藏登陸用戶沒有權(quán)限使用的功能。每個用戶的功能由用戶所屬組來決定，一個用戶可以屬于多個用戶組，每個用戶組的功能可以由系統(tǒng)管理員自由設(shè)定，系統(tǒng)支持多設(shè)立用戶組，通常我們建立好常用的幾個用戶組，并分配好每個組的功能，系統(tǒng)管理員可以在此基礎(chǔ)上修改。

4 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)人工檢查的延伸和補(bǔ)充，同時也解決了人工巡檢不及時、數(shù)據(jù)離散等問題，在未來的發(fā)展中，城市中小橋梁、公路長大橋梁將是結(jié)構(gòu)監(jiān)測的重點(diǎn)，通過長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)將為管養(yǎng)、設(shè)計單位提供可靠的數(shù)據(jù)支持，為更好地制定橋梁運(yùn)營養(yǎng)護(hù)決策提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

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