公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警研究

邢振華

摘要 從近年來陸續(xù)暴露出的重大橋梁事故原因分析來看，絕大多數(shù)安全事故的起因都與橋梁健康監(jiān)測及維修保養(yǎng)工作未落實(shí)有關(guān)。文章著重介紹公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和安全預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)用，并借助當(dāng)下各類現(xiàn)代化高新技術(shù)，如傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信號采集技術(shù)等，使得公路橋梁安全問題更新與優(yōu)化更加及時與便捷，并逐漸成為橋梁健康監(jiān)測的新幫手，通過此手段改善橋梁工程整體質(zhì)量，從而保障人民的出行安全。

關(guān)鍵詞 公路橋梁;健康監(jiān)測;安全預(yù)警

中圖分類號 U446文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2022）13-0010-03

0 引言

在實(shí)際運(yùn)營中，少數(shù)公路橋梁會因結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷、建筑材料未達(dá)到施工要求等內(nèi)部因素，導(dǎo)致公路橋梁垮塌事故發(fā)生[1]。但更多的是在運(yùn)營期由侵蝕、地震、荷載量等環(huán)境或非環(huán)境因素引起的結(jié)構(gòu)失效，使其工作性能的表征量-公路橋梁的剛度和強(qiáng)度隨時間呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢，從而影響公路橋梁使用壽命[2]?；诖?，該文對公路橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警進(jìn)行研究探討。

1 公路橋梁健康監(jiān)測的意義

（1）檢測公路橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)。通過檢測，可幫助路橋管理人員評估公路橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，從而及時發(fā)現(xiàn)問題，并對潛在安全隱患進(jìn)行預(yù)警[3]。除此之外，還能幫助工作人員準(zhǔn)確識別公路橋梁各構(gòu)件的損傷情況，以便后續(xù)運(yùn)營管理工作的正常開展。

（2）保證施工階段的安全與質(zhì)量。對公路橋梁進(jìn)行周期性檢測，可以避免施工過程中的一些風(fēng)險，保證施工安全和施工質(zhì)量。

（3）及時發(fā)送事故預(yù)警。通過檢測，可對歷史檢測數(shù)據(jù)的變化趨勢進(jìn)行分析，建立公路橋梁正常運(yùn)營環(huán)境下的各項動力、靜力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)間的相關(guān)信息集，從而在大橋遭遇突發(fā)大荷載、極端天氣變化或嚴(yán)重過載事故時觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，避免重大安全事故的發(fā)生。

（4）針對公路橋梁施工監(jiān)控量測工作面臨的主要問題，設(shè)計并應(yīng)用了公路橋梁智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。與傳統(tǒng)方式相比，采用公路橋梁智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時性和可靠性，自動智能化的分析計算避免了大量的人工計算，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，報警信息實(shí)時反饋給現(xiàn)場測量人員和管理人員，提高了預(yù)警處理的及時性。經(jīng)項目實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)可顯著提高公路橋梁監(jiān)控量測工作的效率。

2 公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要由3個子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是公路橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)、維修加固記錄系統(tǒng)和公路橋梁巡檢檢查記錄系統(tǒng)[4]。

（1）公路橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要是存儲公路橋梁基本信息數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)功能可為后期公路橋梁日常管理提供理論依據(jù)。通過公路橋梁基本信息系統(tǒng)應(yīng)用，可檢索、瀏覽公路橋梁結(jié)構(gòu)基本信息，以方便公路橋梁運(yùn)維人員及時進(jìn)行公路橋梁檢查與維修。

（2）檢查記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)置的主要目的是將各類檢測數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計、分析，并以圖表形式呈現(xiàn)公路橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移情況。

（3）維修加固記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢是能夠針對曾接受過維修加固處理的公路橋梁信息進(jìn)行記錄，并存儲于檔案之中。信息內(nèi)容包括維修加固時間、方法、原因等，以便在其他公路橋梁出現(xiàn)類似情況時有第一手參考資料。

3 公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計重難點(diǎn)

（1）運(yùn)營公路橋梁健康監(jiān)測方案的設(shè)計必須基于詳細(xì)的專項檢測結(jié)果，通過專項檢測，分析病害分布范圍及成因，為運(yùn)營公路橋梁健康監(jiān)測方案設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）監(jiān)測斷面應(yīng)盡可能覆蓋病害區(qū)段，條件允許情況下，可向外擴(kuò)展設(shè)置比對斷面，且在病害區(qū)段內(nèi)，按照圍巖級別、襯砌類型、病害情況進(jìn)行疏密相間布置（重點(diǎn)區(qū)段可按10 m間距設(shè)置斷面，非重點(diǎn)區(qū)段可按20～

50 m間距設(shè)置監(jiān)測斷面）。監(jiān)測斷面應(yīng)盡可能兼顧每一類斷面。

（3）二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形響應(yīng)能較好反映襯砌結(jié)構(gòu)健康狀況，可作為后期穩(wěn)定性評價的重要指標(biāo)。

（4）巖溶地區(qū)地下水豐富，結(jié)構(gòu)受力變形與降雨下滲息息相關(guān)，應(yīng)盡可能地進(jìn)行滲水壓力和雨量監(jiān)測。

4 公路橋梁安全預(yù)警研究

4.1 攝影測量

傳統(tǒng)的傳感器如激光傳感器和全站儀只能用于測量公路橋梁的相對位移，無法對公路橋梁進(jìn)行長期監(jiān)測。全球定位系統(tǒng)（GPS）可對公路橋梁進(jìn)行長期監(jiān)測，但具有兩大局限性：測量的精度較低，無法準(zhǔn)確監(jiān)測橋面下面橋墩的位移。故為了能夠?qū)崟r準(zhǔn)確監(jiān)測鋼箱跨中的撓度，采用攝影測量系統(tǒng)。攝影測量系統(tǒng)分為動撓度監(jiān)測與報警抓拍系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺，通過采用新型動撓度傳感器和各種傳統(tǒng)傳感器的綜合方案設(shè)計?？蓪?shí)現(xiàn)以下三大目標(biāo)：實(shí)時監(jiān)測跨中鋼箱的動撓度;當(dāng)動撓度超限時，可抓拍路面車輛情況;當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到超限時，會用聲音、彈窗的形式提示工作人員處理。動撓度的實(shí)時監(jiān)測需要動撓度傳感器與靶點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，并且靶點(diǎn)設(shè)置的位置也必須在動撓度傳感器的紅外掃描范圍之內(nèi)[5]。動撓度傳感器其原理為：傳感器中影像傳感器獲取目標(biāo)靶變化后，通過圖像測量算法即可求出監(jiān)測目標(biāo)靶位置隨時間變化參數(shù)，并經(jīng)過分析計算得到目標(biāo)的位移，進(jìn)而獲得被測物體運(yùn)營過程中的實(shí)時動態(tài)位移，具有二維實(shí)時測量，測量精度高、范圍大，適合長期、在線、多點(diǎn)自動測量。報警抓拍系統(tǒng)與動撓度監(jiān)測系統(tǒng)密切相關(guān)[6]。報警抓拍系統(tǒng)利用動撓度監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的報警閾值實(shí)時判斷超限情況，超限發(fā)生后上傳報警信息，同時控制專用攝像機(jī)拍攝現(xiàn)場圖片，并通過微信公眾號、瀏覽器報警信息等各種手段上傳報警信息和現(xiàn)場圖片，供值班員或相關(guān)人員決策。

4.2 公路橋梁健康監(jiān)測平臺設(shè)計

公路橋梁健康監(jiān)測平臺，按功能可以劃分為數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)與預(yù)測評估系統(tǒng)兩個部分。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲等。預(yù)測評估系統(tǒng)作為核心，負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析，應(yīng)用層是用戶查看和管理整個監(jiān)測平臺的主要途徑，該層的主要功能是進(jìn)行可視化處理，從而將數(shù)據(jù)直觀展示給用戶，服務(wù)器對請求進(jìn)行相應(yīng)的處理提交給用戶。數(shù)據(jù)分析層是由結(jié)構(gòu)健康評估和數(shù)據(jù)預(yù)測子系統(tǒng)完成其主要功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析[7]。數(shù)據(jù)管理層負(fù)責(zé)對用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理、監(jiān)測管理、文件管理等各個功能模塊的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)訪問層主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的存儲和操作，MySQL數(shù)據(jù)庫具有穩(wěn)健便捷的優(yōu)點(diǎn)，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、查、改等操作。對比傳統(tǒng)的公路橋梁健康監(jiān)測方法，該方法可以提高數(shù)據(jù)的利用率，使數(shù)據(jù)的作用得到最大限度上的挖掘，減少誤判，節(jié)約人力物力，同時進(jìn)一步提高公路橋梁的安全運(yùn)營水平[8]。提出的監(jiān)測平臺預(yù)測子系統(tǒng)，通過采用數(shù)據(jù)集劃分、預(yù)警窗口設(shè)置的方法，可以在公路橋梁故障發(fā)生前做出預(yù)警，并且預(yù)留充分時間（24 h）進(jìn)行問題處理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以提高平臺的可靠性，是對原平臺的重要補(bǔ)充。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。6157CCEB-B82F-47F1-B3F4-FE1B16D27EA1

4.3 基于BIM的公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

基本信息模塊主要對檢測的公路橋梁的基本信息、傳感器基本信息及監(jiān)測項目、布設(shè)信息、預(yù)警等級信息等進(jìn)行管理，監(jiān)測的項目參照《城市公路橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ99—2017）中給出的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定。模型展示模塊利用BIM技術(shù)，通過Revit軟件將公路橋梁進(jìn)行三維建模，主要完成測點(diǎn)在檢測平臺Web頁面中的展示，包括測點(diǎn)的位置、數(shù)據(jù)以及測點(diǎn)的實(shí)際健康狀況等，直觀準(zhǔn)確地反映公路橋梁的信息。并且，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)對三維模型的旋轉(zhuǎn)、放大縮小等操作。數(shù)據(jù)采集模塊分為實(shí)時監(jiān)測和人工巡檢。實(shí)時監(jiān)測部分利用布設(shè)的有線、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他實(shí)時監(jiān)測設(shè)備對公路橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控;人工巡檢部分采用專業(yè)的儀器設(shè)備，以人工檢查的方式，對公路橋梁必要的檢測部位進(jìn)行定期檢測或者災(zāi)后緊急檢測，并將檢測數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對人工檢測數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理。數(shù)據(jù)管理模塊主要是將采集的數(shù)據(jù)傳入MySQL數(shù)據(jù)庫中，然后利用ECharts圖形庫對數(shù)據(jù)在平臺中進(jìn)行可視化展示，通過綠、黃、紅三級預(yù)警等級的閾值（根據(jù)公路橋梁具體設(shè)計、實(shí)際狀況與相關(guān)規(guī)定得出）進(jìn)行判斷與預(yù)警，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)報表的查看、下載功能。

4.4 危險預(yù)警系統(tǒng)

基于待監(jiān)測公路橋梁的實(shí)際業(yè)務(wù)需求與各子系統(tǒng)間的相互聯(lián)系，對危險預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行整體功能設(shè)計，包括氣象災(zāi)害預(yù)警模塊、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定監(jiān)測模塊、公路橋梁狀態(tài)警示模塊、斷電自動報警模塊等[9]。

（1）氣象災(zāi)害預(yù)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(zāi)害預(yù)警信息。當(dāng)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(yù)警信息，將以黃色預(yù)警（低風(fēng)險）、橙色預(yù)警（中風(fēng)險）以及紅色預(yù)警（高風(fēng)險）的方式通知公路橋梁管護(hù)人員做好防災(zāi)減災(zāi)工作。

（2）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定監(jiān)測模塊。包含網(wǎng)絡(luò)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(luò)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)連續(xù)提供三重保障。

（3）公路橋梁狀態(tài)警示模塊。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)公路橋梁健康結(jié)構(gòu)狀態(tài)初始值，通過設(shè)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。一旦某項或多項參數(shù)超出設(shè)定閾值，將會發(fā)出緊急警報。

（4）斷電自動報警模塊。當(dāng)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(yù)存的值班手機(jī)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(yù)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(dú)連接了短信網(wǎng)關(guān)用于預(yù)警短信發(fā)送。

4.5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)保設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警結(jié)果由低到高分別分為V～I(xiàn)級五個預(yù)警等級，當(dāng)預(yù)警結(jié)果是V級時，表明設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)損壞跡象，但可能會存在一定的隱患，為防止高風(fēng)險事件發(fā)生可以在適當(dāng)時間進(jìn)行檢修處理;隨著預(yù)警結(jié)果等級升高特別是出現(xiàn)I級風(fēng)險預(yù)警時，需要立即終止使用，并及時撤離現(xiàn)場，等到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)保設(shè)備處于“冷卻”狀態(tài)下，重新更換相應(yīng)元件及設(shè)備。實(shí)驗(yàn)開始之前測試仿真實(shí)驗(yàn)平臺及各檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，無異常后，再開始實(shí)驗(yàn)。將燈光正常工作下傳感器電壓值鍵入仿真信號輸入窗口中，運(yùn)行程序。預(yù)設(shè)監(jiān)測異常信號，令紅色指示燈表示設(shè)備壓力出現(xiàn)異常;令紫色指示燈表示設(shè)備溫度出現(xiàn)異常;令黃色指示燈表示設(shè)備運(yùn)行和制動效果出現(xiàn)異常;令藍(lán)色指示燈表示設(shè)備提示燈出現(xiàn)異常。通過面板上的布爾開關(guān)按鍵，設(shè)置預(yù)警燈光的閃爍頻率，觀察波形圖表模塊輸出的傳感器電壓曲線是否正確，是否出現(xiàn)錯誤報警。當(dāng)指示燈閃爍頻率較慢時，證明設(shè)備各項指標(biāo)無異常情況;當(dāng)指示燈閃爍頻率加快時，說明設(shè)備指標(biāo)出現(xiàn)異常;若指示燈長亮則表示設(shè)備已經(jīng)無法運(yùn)行。模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)，同時令設(shè)備壓力、溫度、制動效果、指示燈都出現(xiàn)異常波動，同時監(jiān)測設(shè)備四個指標(biāo)時，三個測試組得出的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警效果[10]。

5 結(jié)束語

公路橋梁健康監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的研究發(fā)展對現(xiàn)階段大荷載量、通行量情況下的公路橋梁運(yùn)維工作至關(guān)重要，該研究在傳統(tǒng)公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)代高新科學(xué)技術(shù)，提出適合大多數(shù)公路橋梁的“安全預(yù)警監(jiān)測內(nèi)容與評判體系”。在建設(shè)公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)中，要本著以自動化為主、人工為輔原則進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)公路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測，該文還專門針對系統(tǒng)應(yīng)用中的公路橋梁安全預(yù)警測點(diǎn)布置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為相關(guān)人員提供科學(xué)借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]景彪. 抓三基強(qiáng)根基推動公路橋梁養(yǎng)護(hù)高質(zhì)量發(fā)展[N]. 中國交通報， 2021-10-09（2）.

[2]呂平. 基于公路橋梁健康監(jiān)測的T梁裂縫問題研究與措施[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2020（24）： 110-111+114.

[3]徐朝暉， 沈國棟， 梁柱. 高速公路橋梁健康數(shù)據(jù)實(shí)時采集與綜合分析平臺[J]. 中國交通信息化， 2020（5）： 128-130.

[4]殷峰. 高速公路管理和技術(shù)指標(biāo)的前提、屬性分析及方法探討[J]. 城市道橋與防洪， 2019（12）： 115-117+15.

[5] 八閩大地安全行[J]. 中國公路， 2018（19）： 32-35.

[6]王姝莉. 公路橋梁治超管理研究[D]. 西安：長安大學(xué)， 2017.

[7]高攀. 混凝土斜拉橋安全預(yù)警指標(biāo)體系研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)， 2017.

[8]成春玲， 張海峰. 河北首個公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行[N]. 中國交通報， 2009-12-21（4）.

[9]白山云， 李連友， 路為， 等. 湖北滬蓉西高速公路橋梁群結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測管理系統(tǒng)[C]//. 第四屆全國公路科技創(chuàng)新高層論壇論文集[下卷]， 2008： 273-281.

[10]公路橋梁建筑材料、施工、試驗(yàn)與觀測、安全[J]. 公路運(yùn)輸文摘， 2000（7）： 19-24.6157CCEB-B82F-47F1-B3F4-FE1B16D27EA1