基于無線傳感技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究

謝崇洪，張彥昌，李文

（中建二局土木工程集團有限公司）

1 引言

橋梁是我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。近年來，交付的橋梁工程越來越多，但很多工程在設(shè)計、施工的時候因為各種問題，存在一定隱患，并隨著交通壓力和運營時間的增加，很多橋梁工程已經(jīng)不能滿足安全性的要求。針對這樣的工程現(xiàn)狀，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，從結(jié)構(gòu)安全評估到預(yù)警，再到整個監(jiān)測系統(tǒng)的合理設(shè)計，都有完整的解決方案。有別于傳統(tǒng)的橋梁養(yǎng)護管理重人工的模式，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機硬件性能不斷優(yōu)化，可以利用信息技術(shù)為橋梁建立管理系統(tǒng)，運用IoT 技術(shù)實現(xiàn)對車輛車速、電網(wǎng)用電以及環(huán)境氣體的監(jiān)測，從而實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)健康巡檢等內(nèi)容的電子化、數(shù)字化。

通過對相關(guān)技術(shù)文獻進行研究梳理得出，當(dāng)前，基于無線傳感技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要有同濟大學(xué)為徐浦大橋和楊浦大橋設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)、東南大學(xué)和香港理工大學(xué)的蘇通大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)、香港青馬大橋先進的監(jiān)測系統(tǒng)以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的變形監(jiān)測先進系統(tǒng)。這些系統(tǒng)使用了傳感器設(shè)備、設(shè)計了數(shù)據(jù)采集渠道，并具有數(shù)據(jù)傳輸和存儲管理等功能[1]。

2 橋梁監(jiān)測內(nèi)容和傳感器選擇

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)融合了計算機科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專業(yè)技術(shù)。橋梁的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)形變數(shù)據(jù)、橋梁受力數(shù)據(jù)和振動參數(shù)通過采集卡收集并經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)傳遞給中心服務(wù)器，服務(wù)器經(jīng)過分析后再傳輸給PC 端和移動設(shè)備APP 等。各個傳感器發(fā)送給服務(wù)器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行分類存儲到數(shù)據(jù)庫中，相關(guān)工作人員可以通過各種設(shè)備查看信息并把檢修后的數(shù)據(jù)回傳到服務(wù)器。服務(wù)器中心可以查看經(jīng)過分析后的數(shù)據(jù)，得到趨勢和報警數(shù)據(jù)。

2.1 橋梁監(jiān)測種類

橋梁的健康檢測項目有很多，如果全部進行監(jiān)測，需要極大的數(shù)據(jù)處理能力并且容易出錯。本文選擇了最有代表性的三個項目進行研究。

1）周邊環(huán)境數(shù)據(jù)

環(huán)境檢測中最主要的參數(shù)就是溫度和風(fēng)速?；诨炷梁弯摻Y(jié)構(gòu)的自身物理特性，使用這些材料構(gòu)成的箱梁結(jié)構(gòu)受到日照和溫差的影響會有極大的內(nèi)力及應(yīng)力出現(xiàn)，在極端情況下，可能會超過結(jié)構(gòu)的活荷載，威脅到橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。同時，檢測傳感器的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度受溫度影響會產(chǎn)生誤差，檢測時需要剔除誤差。目前，橋梁建設(shè)更傾向大跨度，高輕柔度的要求，給橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計造成很大困難。橋梁結(jié)構(gòu)輕柔度提高的同時，其結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性的要求也隨之提高，對大跨度、高柔性的橋梁來說，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受風(fēng)的影響極大，風(fēng)速過大對橋梁的振動和結(jié)構(gòu)會造成局部或整體的破壞[2]。

2）應(yīng)變應(yīng)力數(shù)據(jù)

應(yīng)變應(yīng)力對橋梁的安全極為重要，當(dāng)橋梁通過車輛過多、重量過大時，應(yīng)變過大會損傷橋梁結(jié)構(gòu)，如果沒有及時調(diào)整，橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)會嚴重破損導(dǎo)致安全事故。在橋梁主梁的重要結(jié)構(gòu)點位布置傳感器，收集在各種車輛負載條件下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，根據(jù)整體應(yīng)變的大小可以對橋梁整體的損傷和健康狀態(tài)進行測評。

3）結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)

橋面主要承受車輛和其他荷載，橋梁整體的工作狀態(tài)主要通過擾度的大小來判斷。彎曲變形時，橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移，形成撓度。橋墩的位移沉降量也是反應(yīng)橋梁狀況的重要指標(biāo)之一，沉降量越大，橋梁的健康狀況越差。撓度值越大，橋梁線形變化越大，橋梁的健康狀況可以從位移、撓度的線形變化中看出。

2.2 傳感器的合理布置

傳感器布置的合理對健康監(jiān)測十分重要，布置的合理與否直接影響了最終取得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度。所以設(shè)計一個合理的布置計劃是健康監(jiān)測的關(guān)鍵。出于經(jīng)濟性的考慮，傳感器的布置數(shù)量不能無限增加，方案需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能和橋梁自身情況等因素。一個合理的傳感器布置方案主要有以下幾個方面：

①盡量降低傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)受到外界環(huán)境的影響，最大程度采集既精準(zhǔn)又全面的數(shù)據(jù)；

②選取橋梁結(jié)構(gòu)中最重要的位置進行監(jiān)測，監(jiān)測的結(jié)果要能最大程度上反映橋梁整體的健康程度；

③合理篩選采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取最能代表橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點的數(shù)據(jù)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)安全評估與預(yù)警

橋梁結(jié)構(gòu)安全評估與預(yù)警系統(tǒng)是整個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)服務(wù)橋梁養(yǎng)護管理的紐帶，能夠綜合橋梁自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一處理分析、特征信息挖掘及以趨勢預(yù)測；同時，根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)警系統(tǒng)來診斷和分級預(yù)警結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)，按照結(jié)構(gòu)的評估模型綜合評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，并據(jù)此給出橋梁結(jié)構(gòu)的管養(yǎng)建議。結(jié)構(gòu)安全評估與預(yù)警系統(tǒng)通常具備幾點功能。

①對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘，提取特征參數(shù)，進行趨勢、模型對比分析，評估結(jié)構(gòu)損傷程度，診斷結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)[3]。

②利用監(jiān)測數(shù)據(jù)修正結(jié)構(gòu)分析、建立結(jié)構(gòu)有限元模型，進行橋梁運營狀態(tài)分析和行車安全評定。

③預(yù)警指標(biāo)及分級預(yù)警體系明確，通過設(shè)置預(yù)警閾值，判斷和分級預(yù)警實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)信號，并利用預(yù)警情況記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)完善報警閾值。

④通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和分級預(yù)警，對結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)進行識別、報警；記錄異常事件（如沖撞護欄事件）信息，生成預(yù)警記錄和報告。

⑤以圖表等形式直觀展現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并給出明確的評估結(jié)果；自動生成橋梁不同時期運營分析報告，服務(wù)各級管理人員。

⑥根據(jù)橋梁運營異常狀況和安全評估結(jié)果，給出應(yīng)對措施和維修管理建議。

4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測設(shè)計

4.1 總體設(shè)計

為完成橋梁現(xiàn)場監(jiān)測傳感器節(jié)點間的通信，無線傳感器技術(shù)通常采用ZigBee技術(shù)。ZigBee作為一種無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有短距離、自組織、低功耗、低據(jù)傳輸率的特點，非常適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。他的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)通常有星型、樹型、網(wǎng)絡(luò)等形式。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含數(shù)據(jù)采集節(jié)點、路由節(jié)點和控制節(jié)點。當(dāng)所有無線傳感器節(jié)點布置完成后，系統(tǒng)會對無線網(wǎng)絡(luò)進行路由創(chuàng)建，保證傳感器獲取的數(shù)據(jù)完整地傳輸?shù)椒?wù)器中心。同時，傳感器采集到的數(shù)據(jù)也可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，這樣更方便相關(guān)管理部門實時監(jiān)控和分析處理。根據(jù)橋梁自身的結(jié)構(gòu)特點，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為最佳選擇，可以在橋梁的中心區(qū)域布置數(shù)據(jù)路由根節(jié)點，在橋梁兩邊分別依次布置數(shù)據(jù)采集結(jié)點。位于整個樹狀網(wǎng)絡(luò)最底層的數(shù)據(jù)采集節(jié)點可以分簇取得每個傳感器采集的數(shù)據(jù)，在每一簇內(nèi)，需要一個節(jié)點對簇內(nèi)其他數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行調(diào)度控制。[1]

4.2 硬件設(shè)計

1）數(shù)據(jù)采集部分

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計上，包含了各類傳感器的布置和數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集節(jié)點除包含各種傳感器外，還集成了具有無線傳輸功能的微處理器，將傳感器采集到的各項數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點。

2）數(shù)據(jù)分析部分

服務(wù)器需要進行系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的分析和處理，對監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行配置管理，并提供人機交互界面，實現(xiàn)各類通信系統(tǒng)集成，保證系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)能夠得到可視化展示。針對橋梁結(jié)構(gòu)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心需要存儲在數(shù)據(jù)庫中，便于用戶進行實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢。通過對數(shù)據(jù)進行智能化分析與處理，能夠獲取其中的關(guān)鍵信息，及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)異常信息，確保能夠應(yīng)對突發(fā)情況。

4.3 軟件設(shè)計

在監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，需要完成相應(yīng)工具軟件的開發(fā)，以便使系統(tǒng)能夠自動進行數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析處理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況評價。在數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計上，系統(tǒng)需要確保各設(shè)備擁有一致的開啟方式，并完成采樣速率的設(shè)定，以便實現(xiàn)各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自動連接。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計上，通信模塊需要在設(shè)定時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)發(fā)送，并對接收到的數(shù)據(jù)進行簡單處理后傳至監(jiān)控中心。在數(shù)據(jù)處理上，處理器可以實現(xiàn)相關(guān)算法調(diào)用，按照算法程序進行數(shù)據(jù)分析，并生成結(jié)果，進行存儲。

5 結(jié)語

綜上所述，基于無線傳感技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以克服傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護難題，能夠?qū)Χ喾N復(fù)雜條件下的橋梁狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并能在監(jiān)測過程中發(fā)出告警，確保橋梁的安全得到有效維護。自動化的監(jiān)測系統(tǒng)也為橋梁的長久運營提供了合理化指導(dǎo)和依據(jù)。