基于無線網(wǎng)絡傳輸?shù)臉蛄航】当O(jiān)測系統(tǒng)設計

馬式紀， 牛囿入， 云璋瑜， 龔佳瑤， 盧曉寧

(成都信息工程大學 資源環(huán)境學院， 成都 610225)

縱觀世界各國橋梁，根據(jù)受力特點大致可分為梁式橋、拱式橋、懸索橋、斜拉橋、剛構橋和組合體系橋。中國從1987年建成第一條高架橋至今，短短30余年中國建成的現(xiàn)代橋梁總數(shù)已超100萬座，且在21世紀人類新建的全球排名前100的大橋中，中國更是高達90座，無愧于世界聞名的“基建狂魔”稱號[1]。

在實際運營中，少數(shù)橋梁會因結構設計存在缺陷、建筑材料未達到施工要求等內(nèi)部因素，導致橋梁垮塌事故發(fā)生。但更多的是在運營期內(nèi)由侵蝕、地震、荷載量等環(huán)境或非環(huán)境因素引起的結構失效，使其工作性能的表征量——橋梁的剛度和強度隨時間呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢[2]，從而影響橋梁壽命。部分專家認為,發(fā)達國家或地區(qū)在交通基礎設施建設高峰30～50年后出現(xiàn)的養(yǎng)護維修高峰，在中國可能會提前到來[3]。但與發(fā)達國家相比，中國長期以來在橋梁檢測養(yǎng)護上缺少有效的管理措施、完善的養(yǎng)護管理制度和科研力量[4]，在橋梁監(jiān)測上還存在橋址環(huán)境異常監(jiān)測不足、有線線路耐久度差、系統(tǒng)定位精度偏低等問題[5]，難以提供可靠、準確的橋梁監(jiān)測結果，從而無法對橋梁意外垮塌事故做出正確預警，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。表1為2011—2021年部分橋梁事故，從表中可看出，每年中國都有橋梁垮塌事故發(fā)生，這足以說明應用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)(bridge health monitoring integrated system,BHMS)的重要性。

表1 2011—2021年部分橋梁事故

雖然當前已經(jīng)有一些針對大跨徑橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)，但多局限于監(jiān)測數(shù)據(jù)有線傳輸與單衛(wèi)星定位技術[6-9]。李戰(zhàn)明等[10]在設計橋梁結構健康監(jiān)測過程中的動態(tài)信號采集時，提出可根據(jù)橋址環(huán)境、橋梁系統(tǒng)功能設計要求、經(jīng)費數(shù)量等因素，視情況采用基于ISA、PCI總線和基于PXI總線兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩者中的一個；羅運海[11]采用數(shù)碼相機對目標橋梁進行三維量測，將建立的橋梁立體模型與實際橋梁數(shù)據(jù)相考證，研究結果表明，精度可達厘米級，能夠滿足橋梁監(jiān)測的精度要求，但仍較低于同期的RTK測量結果；David等[12]將全球定位系統(tǒng)(GPS)與線性變量差分傳感器(LVDT)相結合監(jiān)測橋梁的結構變形，最終確定了橋在水平方向上一些輕微的位移。上述橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，或使用有線通信電纜與信號采集設備構成的聯(lián)合組網(wǎng)進行信息采集，或使用單一的衛(wèi)星定位系統(tǒng)如北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)等進行精密定位。前者難以解決線纜布設復雜、耐久度低及后期維護困難等問題，后者又導致定位精度不準確，造成橋梁監(jiān)測存在較大的誤差。因此，本文基于BDS/GPS雙星高精度定位，應用多源無線網(wǎng)絡傳輸技術對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行設計，不僅在橋址環(huán)境監(jiān)測方面增加監(jiān)測參數(shù)，同時在傳感器節(jié)點間與各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞分別采用ZigBee近距離無線網(wǎng)絡傳輸與第五代移動通信技術(5G)，并基于BDS/GPS雙星定位技術監(jiān)測橋梁水平位移，從監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測手段上提高該系統(tǒng)對橋梁健康監(jiān)測的準確性、有效性和及時性。該系統(tǒng)可以解決當前國內(nèi)部分健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的線纜布設復雜、定位精度較差等問題，為減緩橋梁使用壽命的衰減速率，實現(xiàn)正確、有效的橋梁結構安全預警做出了積極貢獻。

1 橋梁健康監(jiān)測方案的設計目標

橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)測與評估，為橋梁在惡劣天氣下的異常運營狀況，橋梁的維護、檢修和管理決策提供指導與依據(jù)。針對各類橋梁結構特點，以橋梁的幾何狀態(tài)和結構響應、橋址環(huán)境和交通狀況等作為結構健康監(jiān)測對象。本研究所構建的基于無線網(wǎng)絡傳輸和雙星定位技術的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)目標如下：

1)系統(tǒng)應能夠準確獲取橋址環(huán)境參數(shù)、結構響應參數(shù)、橋面荷載參數(shù)、構件狀況等信息。

2)傳感器布設應充分考慮可施工性及高效性，達到位置便于安裝和更換，且模態(tài)參數(shù)獲取敏感的目的，以獲取全面準確的結構參數(shù)信息。

3)測點間通信方案具有可實施性，能夠降低后期維護成本，提高傳輸效率與定位精度。

4)系統(tǒng)耐久度高，數(shù)據(jù)采集連續(xù)、穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)具有良好的魯棒性和可視性。

5)提供數(shù)字可視化數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)整合、歸檔、存儲、查詢、數(shù)據(jù)可視化的功能，便于操作人員直觀監(jiān)測、管護人員簡便操作，實現(xiàn)友好的人機交互。

2 系統(tǒng)總體架構

橋梁健康監(jiān)測體系架構自下而上分為4層，分別為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、危險預警層、人機交互層，各層對應著不同的功能和技術手段。數(shù)據(jù)采集層為在ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸技術支持下，由各種傳感器構建的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，實時監(jiān)測橋體鋼結構各項物理參數(shù)和響應客戶端的控制命令；網(wǎng)絡傳輸層為5G和ZigBee近距離無線通信的融合組網(wǎng)，用于數(shù)據(jù)采集終端與數(shù)據(jù)管理中心、數(shù)據(jù)管理中心與客戶端之間的雙向信息傳遞；安全預警層主體為數(shù)據(jù)管理中心，是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中所有信息處理和反饋的場所，也是傳感器采集數(shù)據(jù)的儲存中心；人機交互層即為采用HTML、JAVA語言設計的BHMS用戶端部分，是操作人員通過Web界面管理橋梁的重要方式。系統(tǒng)總體功能架構如圖1所示。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具體工作流程為：布設在橋體各節(jié)點的傳感器構成橋梁結構狀態(tài)采集/監(jiān)測網(wǎng)絡，在橋梁運營期間利用網(wǎng)絡傳輸組網(wǎng)中的ZigBee無線通信傳輸將實時或準實時采集的橋梁狀態(tài)信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，再通過5G網(wǎng)絡無線傳輸至數(shù)據(jù)管理中心。數(shù)據(jù)管理中心對數(shù)據(jù)進行預處理后，以特定的數(shù)據(jù)格式進行冷備份，同時對數(shù)據(jù)進行二次處理與挖掘，獲取橋體結構響應參數(shù)的安全閾值，評估橋梁結構健康狀態(tài)，通過客戶端展現(xiàn)監(jiān)測信息與可視化后的橋體受損區(qū)域。人機交互層即為橋梁監(jiān)測客戶端，工作人員通過客戶端實現(xiàn)人機交互工作，包括傳感器響應參數(shù)的調(diào)整、審查橋梁結構狀態(tài)、聯(lián)系維護人員進行人工檢修等。

3 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

各節(jié)點的傳感器既是橋梁結構響應參數(shù)的監(jiān)測單元，又是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分。具體傳感器種類及監(jiān)測內(nèi)容見表2。相較于傳統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容，本系統(tǒng)在設計時做出如下更新：在環(huán)境監(jiān)測方面，針對可能出現(xiàn)的地震、洪水等自然災害，增設了地震儀和水位計傳感器；在橋梁結構參數(shù)監(jiān)測方面，分別對水平和垂直方向的位移分別采用不同傳感器，即表2中的三頻BDS+GPS水平位移傳感器與線性變量差分傳感器(LVDT)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測中GPS不能很好地監(jiān)測橋面以下橋墩位移(由船舶碰撞、沉降等引起)的問題。在橋梁結構應變測定上，并未采用常規(guī)BHMS中的振弦式、電阻應變式傳感器，因其在常溫下的疲勞壽命僅有105～106次，而采用光纖光柵傳感技術的應變計，具有比傳統(tǒng)傳感器更出色的抗電磁干擾能力、抗零漂能力及可重復性[3]。

布設位置合理的傳感器網(wǎng)絡是監(jiān)測橋梁健康狀況、記錄橋體結構動態(tài)參數(shù)的基礎，能夠及時掌握在役橋梁橋體剛性結構狀態(tài)和載荷條件，實時或準實時記錄橋址環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測橋面車輛行駛狀態(tài)。本系統(tǒng)內(nèi)各主要傳感器的安放位置見表2。

結合各類傳感器的工作環(huán)境與工作方式，以大跨度懸索橋或斜拉橋為例，傳感器布設如圖2所示。

圖2 懸索橋傳感器布設

4 網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)

橋體上大量布設的傳感器間的數(shù)據(jù)傳輸及其與數(shù)據(jù)管理中心間的數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)BHMS中常采用有線傳輸方式，即布設大量線纜，這不僅增加了系統(tǒng)造價和現(xiàn)場施工難度，同時增加了后期維護和管理上的工作量，因為復雜的管線與線路布置記錄若稍有誤差和缺失，都會給系統(tǒng)故障的排查帶來巨大的困難。且線路長時間暴露在外，對其耐久度又是一個巨大考驗。而隨著ZigBee近距離無線傳輸與5G通信技術的迅猛發(fā)展，給更新BHMS的數(shù)據(jù)傳輸帶來契機。

ZigBee近距離無線傳輸網(wǎng)絡是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)內(nèi)各傳感器用于數(shù)據(jù)傳遞的網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡由協(xié)調(diào)器自動建立無線局域網(wǎng)，各類傳感器作為終端采集節(jié)點自動加入無線局域網(wǎng)并周期性地采集橋梁狀態(tài)的各類數(shù)據(jù)，通過構建的無線局域網(wǎng)將采集的狀態(tài)信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點。匯聚節(jié)點協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)監(jiān)測中心之間則通過5G通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。在BHMS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸層面，各傳感器節(jié)點間通過構建的ZigBee組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳遞與命令接收，傳感器以設定的采集間隔為一周期記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee通信模塊傳給匯聚節(jié)點協(xié)調(diào)器。經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后，借助大橋附近的5G通信基站通過因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測中心。這一ZigBee近距離無線網(wǎng)絡傳輸技術與5G移動通信技術相結合的數(shù)據(jù)傳輸手段，避免了大量管線鋪設，降低了維護成本，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 危險預警子系統(tǒng)

基于待監(jiān)測橋梁的實際業(yè)務需求與各子系統(tǒng)間的相互聯(lián)系，對危險預警系統(tǒng)進行整體功能設計，主要包括氣象災害預警模塊、網(wǎng)絡穩(wěn)定監(jiān)測模塊、橋梁狀態(tài)警示模塊、斷電自動報警模塊。

1)氣象災害預警模塊。該模塊的數(shù)據(jù)支持為傳感器監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)與本市氣象臺發(fā)布的氣象災害預警信息。當環(huán)境參數(shù)超出閾值或接收到來自氣象臺發(fā)布的不同等級預警信息，將以黃色預警(低風險)、橙色預警(中風險)以及紅色預警(高風險)的方式通知橋梁管護人員做好防災減災工作。

2)網(wǎng)絡穩(wěn)定監(jiān)測模塊。包含網(wǎng)絡通信狀態(tài)監(jiān)測、主備線路自主切換、斷網(wǎng)自動提示等功能，為確保網(wǎng)絡穩(wěn)定、數(shù)據(jù)連續(xù)提供三重保障。

3)橋梁狀態(tài)警示模塊。系統(tǒng)內(nèi)設橋梁健康結構狀態(tài)初始值，通過設置各項狀態(tài)參數(shù)的安全閾值，通常采用以5%、1%超越概率的極值或均方根值為通常值及限值的分級方式[13]。一旦某項或多項參數(shù)超出設定閾值，將會發(fā)出緊急警報。

4)斷電自動報警模塊。當系統(tǒng)處于異常斷電狀態(tài)時，將啟用備用蓄電池為系統(tǒng)持續(xù)供電。同時通過提取預存的值班手機號碼，撥打電話和發(fā)送報警短信，通知值班人員及時檢修停電故障。

系統(tǒng)在每種預警模塊上采用了告警響聲、界面告警提示、短信發(fā)布等不同方式，并單獨連接了短信網(wǎng)關用于預警短信發(fā)送。

6 人機交互子系統(tǒng)

人機交互子系統(tǒng)即用戶端。整個BHMS用戶端部分使用HTML語言(超文本標記語言)、JAVA語言，Web技術、SQLServer數(shù)據(jù)庫等開發(fā)，以HTML形式將可視化的數(shù)字信息展現(xiàn)給用戶實現(xiàn)人機交互操作。用戶可通過橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的頁面端實現(xiàn)用戶登錄、個人信息管理、實時監(jiān)測結構狀態(tài)、瀏覽橋梁數(shù)據(jù)庫、遠程校正結構參數(shù)、聯(lián)絡維護人員6大功能。

1)用戶登錄。圖3為本系統(tǒng)的客戶端登錄頁面。用戶在網(wǎng)頁中進入橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)登錄界面，輸入正確的用戶名和密碼，即可進入系統(tǒng)。若需注冊賬號，在所在工作單位核實信息后，方能注冊成功。一旦人員離職，其所使用的工作賬號將會自動注銷。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)登錄頁面

2)個人信息管理。圖4頁面顯示已登錄賬號的個人信息，包括用戶名、郵箱聯(lián)系電話等及所擁權限。用戶可修改除姓名、性別、職工號、所屬單位、手機號碼、個人權限等基本信息之外的其他信息。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)用戶管理頁面

3)實時監(jiān)測結構狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)采集終端收集的環(huán)境參數(shù)和結構相應參數(shù)在數(shù)據(jù)管理中心二次處理后，以數(shù)字或圖表的形式直觀地向用戶顯示。用戶不僅可以查看實時數(shù)據(jù)，還可對歷史數(shù)據(jù)、實時視頻進行查看與導出。用戶通過查找預設時間段條件，查詢數(shù)據(jù)管理中心數(shù)據(jù)庫，返回符合時間節(jié)點的采集數(shù)據(jù)，還可以EXCEL或PDF格式導出。實時視頻來源于設定在橋梁周圍和鋼結構各節(jié)點的4K高清紅外攝像儀，全方位動態(tài)顯示橋梁信息，并支持選定時間段視頻以MP4格式導出。

4)瀏覽橋梁數(shù)據(jù)庫。存儲著所有依賴于該監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁的信息，用戶可通過在搜索欄輸入大橋名稱對數(shù)據(jù)庫進行檢索，并可在圖5所示的日志頁面查看自己的操作記錄。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)訪問日志管理頁面

5)遠程校正結構參數(shù)。隨著橋梁運營時間的增加，橋體部分結構響應參數(shù)會逐漸偏離初始值，從而導致預警報警閾值與最初設定值存在偏差。操作人員通過將每次大型人工排查檢修后測定的新的結構響應參數(shù)輸入系統(tǒng)，對應的安全閾值將隨之更新，從而保證了系統(tǒng)預警報警的準確性。

6)聯(lián)絡維護人員。系統(tǒng)內(nèi)存儲了維護人員的聯(lián)絡方式，可直接發(fā)送文字指令至維護人員的手機，大大減少了以往監(jiān)測人員與維護人員聯(lián)絡時層層傳遞警報的步驟。

7 結語

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)作為自動化監(jiān)測橋梁狀態(tài)的產(chǎn)物，不受時間和空間的限制，既是對橋梁結構人工排查的延伸和補充，同時又為檢修人員及時準確掌握橋梁結構狀態(tài)、減少橋梁意外垮塌事故的發(fā)生提出了解決方案。本文在前人研究的基礎上，以BDS/GPS雙星定位和無線網(wǎng)絡通信為主要技術手段，充分考慮橋梁自身結構特性及環(huán)境影響，構建了一個由數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸、危險預警和人機交互4層體系架構組成的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。對傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測方案的薄弱點進行突破和創(chuàng)新，多樣性監(jiān)測內(nèi)容、無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸與雙星高精度定位技術在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)上的應用，為橋梁的設計、養(yǎng)護提供準確的數(shù)據(jù)支持， 為未來橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與研究提供有效可靠的幫助。