基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究★

龔 偉,吳 慧,鞠鵬飛,秦澤翔

(1.武漢機(jī)場(chǎng)路發(fā)展有限公司,湖北 武漢 430065; 2.湖北楚天聯(lián)發(fā)路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，湖北 武漢 430065)

橋梁是人類(lèi)生存和發(fā)展的重要媒介，橋梁建設(shè)的快速發(fā)展在很大程度上推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，截止到2020年底，全國(guó)各類(lèi)橋梁總數(shù)高達(dá)120萬(wàn)座，但由于外界環(huán)境的侵蝕、橋梁結(jié)構(gòu)材料本身的老化、長(zhǎng)期荷載效應(yīng)和疲勞效應(yīng)的作用以及車(chē)輛撞擊、地震破壞等偶然事故等多因素的影響，橋梁的安全問(wèn)題日漸凸出[1-2]。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)多采用人工巡檢，這種方式需耗費(fèi)大量人力和物力，且時(shí)效性較差，不能實(shí)時(shí)客觀地反映橋梁運(yùn)營(yíng)情況，從而導(dǎo)致在役橋梁存在安全隱患。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施的安全健康監(jiān)控中[3]，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是指將信息傳感設(shè)備與無(wú)線通訊技術(shù)相結(jié)合，再與互聯(lián)網(wǎng)融合，從而實(shí)現(xiàn)物到物、人與人的規(guī)?；ヂ?lián)[4-5]。在橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要有：傳感與解調(diào)技術(shù)、中間件技術(shù)、Web Service與數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)、通訊接口與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。這些監(jiān)控技術(shù)高效率、低成本、少損耗、實(shí)時(shí)性好，橋梁結(jié)構(gòu)模擬表達(dá)可視化精確度高。該項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析與定位、屬性查詢(xún)與處理，專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的實(shí)時(shí)管理、實(shí)時(shí)安全評(píng)估、及時(shí)的應(yīng)急預(yù)警、交通疏導(dǎo)、事故處理和恢復(fù)等一系列相關(guān)工作，從而保證了在役橋梁的正常安全運(yùn)營(yíng)。

2 以某連續(xù)梁橋?yàn)槔O(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 橋梁的基本情況

該橋?yàn)榈湫偷念A(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，全長(zhǎng)18.625 km，其中第1聯(lián)、第2聯(lián)、第11聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，其余各聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)。橋型布置圖如圖1所示。

2.2 監(jiān)控內(nèi)容、參數(shù)及設(shè)備選擇

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)成本、運(yùn)營(yíng)環(huán)境的復(fù)雜性、橋梁本身重要性及其力學(xué)特征、橋梁易損性分析結(jié)果、安全評(píng)估需求和運(yùn)營(yíng)維護(hù)需求等因素綜合確定：該橋第1聯(lián)邊跨和第2聯(lián)處于關(guān)鍵地段，跨越某河下游河段，環(huán)境復(fù)雜，橋梁跨度大，結(jié)構(gòu)受力不利，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠準(zhǔn)確地反映出整橋的健康狀況，結(jié)合橋梁的所處環(huán)境和實(shí)際使用情況，橋梁健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容選取如表1所示。

表1 監(jiān)控內(nèi)容、參數(shù)及設(shè)備情況

2.3 健康監(jiān)控系統(tǒng)組成

根據(jù)該箱型梁橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及大橋結(jié)構(gòu)預(yù)警、評(píng)估、管理及養(yǎng)護(hù)決策等方面的需求，對(duì)該橋進(jìn)行健康監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由四個(gè)子系統(tǒng)所組成，分別為：1)自動(dòng)化傳感測(cè)試子系統(tǒng)；2)綜合預(yù)警與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估子系統(tǒng)；3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)；4)用戶(hù)界面子系統(tǒng)，系統(tǒng)總體構(gòu)成及其功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。綜合來(lái)看這4個(gè)系統(tǒng)主要由以下4個(gè)模塊所組成：1)數(shù)據(jù)采集、傳輸、對(duì)接與處理模塊；2)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊；3)告警預(yù)警模塊；4)業(yè)務(wù)管理模塊。

2.3.1 數(shù)據(jù)采集、傳輸、對(duì)接與處理模塊

該橋數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊主要是通過(guò)大橋附近的外場(chǎng)數(shù)據(jù)采集站和信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集站采用220 V單相交流供電，供電負(fù)荷為3 000 W，主要包括兩個(gè)部分，分別為：傳感器輸入與輸出調(diào)理通道和網(wǎng)絡(luò)控制器。傳感器的工作原理是將各種類(lèi)型的監(jiān)控參量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以識(shí)別的光或電信號(hào)，再將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。在結(jié)構(gòu)上布置一定數(shù)量的傳感器，通過(guò)傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，并完成對(duì)部分損傷識(shí)別數(shù)據(jù)的采集和傳輸。根據(jù)該橋的監(jiān)控內(nèi)容，本項(xiàng)目監(jiān)控儀器布置位置及數(shù)量如表2所示。圖3為主梁監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖。

表2 監(jiān)控儀器布置位置

傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)TCP傳輸至對(duì)接設(shè)備，對(duì)接設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，將其轉(zhuǎn)化為常見(jiàn)的數(shù)據(jù)格式，供后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)服務(wù)器采用先進(jìn)的多芯多核CPU服務(wù)器，設(shè)置在路網(wǎng)級(jí)數(shù)據(jù)中心。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理由三部分組成，分別為預(yù)處理、二次預(yù)處理和后處理。第一步的預(yù)處理設(shè)置在數(shù)據(jù)采集子站的計(jì)算機(jī)上，傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算之后作為初級(jí)預(yù)警的數(shù)據(jù)輸入源。預(yù)處理數(shù)據(jù)在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)1 a以上。二次預(yù)處理設(shè)置在數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器上，具體計(jì)算方法和流程如圖4所示。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的后處理主要是指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的一系列的高級(jí)分析，如橋梁的特征量與車(chē)輛等荷載因素或與環(huán)境因素的相關(guān)性分析等。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

該橋數(shù)據(jù)庫(kù)建立在控制中心的結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全評(píng)估服務(wù)器上，主要有兩個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)庫(kù)和查詢(xún)顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)主要由兩部分組成。分別為橋梁綜合信息和原始信息。橋梁綜合信息也就是橋梁的基本信息庫(kù)，主要包括如下信息：1)橋梁設(shè)計(jì)的相關(guān)信息；2)橋梁施工的相關(guān)信息；3)分析得到的構(gòu)件評(píng)級(jí)結(jié)構(gòu)；4)傳感器的布置；5)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果等。原始信息主要為傳感器采集到的數(shù)據(jù)、預(yù)處理、二次預(yù)處理及數(shù)據(jù)后處理的結(jié)果。通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的壓縮、提取和融合，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控大橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和荷載響應(yīng)狀態(tài)，從而建立該橋的“健康狀態(tài)”數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3.3 告警預(yù)警模塊

該橋的告警預(yù)警模塊主要由1臺(tái)64位雙CPU結(jié)構(gòu)安全狀況評(píng)估服務(wù)器和預(yù)警、評(píng)估軟件組成，布設(shè)在監(jiān)控中心。該模塊主要可以實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)功能：1)原始數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的管理；2)數(shù)據(jù)的深度分析，對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)多形式的智能報(bào)警及異常信息的通知；3)用戶(hù)可以通過(guò)WEB響應(yīng)，隨時(shí)請(qǐng)求訪問(wèn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。

告警預(yù)警模塊主要包括初級(jí)預(yù)警和結(jié)構(gòu)性預(yù)警。在進(jìn)行數(shù)據(jù)告警預(yù)警判斷過(guò)程中，首先進(jìn)行的是初級(jí)預(yù)警。傳感器傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)初步的預(yù)處理，系統(tǒng)會(huì)將預(yù)處理結(jié)果與事先設(shè)置好的警戒閾值進(jìn)行比較，當(dāng)預(yù)處理結(jié)果超過(guò)了該臨界值，初級(jí)預(yù)警程序即會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)與傳感器的相關(guān)參數(shù)、其他傳感器的輸入進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，從而做出預(yù)警判別。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集單元向橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心發(fā)出申請(qǐng)，要求優(yōu)先對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和處理。

在接受到優(yōu)先處理初級(jí)預(yù)警數(shù)據(jù)之后，健康監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)性預(yù)警判斷，判斷的主要依據(jù)是結(jié)構(gòu)的多級(jí)損傷與預(yù)警策略原理。設(shè)置在控制中心的結(jié)構(gòu)性預(yù)警需要在1 h之內(nèi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性、預(yù)先設(shè)置好的參數(shù)(如位移值、應(yīng)變值等)進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估。如果這些即時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警警戒閾值后，即進(jìn)行預(yù)警報(bào)警。橋梁監(jiān)控或管理人員在接收到報(bào)警提示后，可以從監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)入相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度評(píng)估和分析，由此做出下一步的決定：是否需要對(duì)橋梁進(jìn)行交通管制或者封閉橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)特殊檢查。

2.3.4 業(yè)務(wù)管理模塊

業(yè)務(wù)管理模塊是各子模塊的上層應(yīng)用，提供可視化的集中管理界面，系統(tǒng)采用B/S設(shè)計(jì)，使用瀏覽器訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備(傳感器、網(wǎng)關(guān))管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看、閾值配置、告警配置等功能。

設(shè)備管理進(jìn)行了設(shè)備的抽象，將真實(shí)的監(jiān)測(cè)設(shè)備映射到業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，便于直接管理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整設(shè)備的監(jiān)測(cè)參數(shù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看提供了在線查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的功能。閾值配置利用數(shù)據(jù)流的概念將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)映射到系統(tǒng)，每條數(shù)據(jù)流均可配置閾值，閾值信息由告警預(yù)警模塊使用。告警配置提供了自定義告警內(nèi)容、接收人員、通知方式、反饋內(nèi)容等的功能。

3 驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)的有效性

按照前面四個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)大橋監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)模擬驗(yàn)證。系統(tǒng)在收到傳感器傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之后，先進(jìn)行閾值判斷，如果該數(shù)據(jù)超出設(shè)置的閾值，則會(huì)生成一條告警記錄，同時(shí)在監(jiān)控大屏上反映出來(lái)，此時(shí)監(jiān)控人員就可以根據(jù)告警記錄來(lái)判別大橋是否存在安全隱患以及進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)處理。本文以應(yīng)變數(shù)據(jù)為例來(lái)演示。將傳感器傳來(lái)的應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分析，其中應(yīng)變的閾值設(shè)置為1 000 με。在應(yīng)變超過(guò)1 000 με時(shí)，就會(huì)生成告警記錄，如圖5所示，在第一條記錄里，光柵光纖應(yīng)變計(jì)傳來(lái)實(shí)時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)為1 018 με，此值超出閾值，則會(huì)進(jìn)行設(shè)備上報(bào)，監(jiān)控人員在收到告警信息之后即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而來(lái)決定后續(xù)該如何處理。除了能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，該橋的健康監(jiān)控系統(tǒng)還可將橋梁的基本信息、告警記錄、告警處置和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)于該橋的數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)或者大橋的監(jiān)管人員可以隨時(shí)對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，對(duì)橋梁的健康狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和后期的健康預(yù)測(cè)，如圖6所示為溫度和應(yīng)變的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與橋梁健康監(jiān)控預(yù)警技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁服役期間所處狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在超出閾值后及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，橋梁管理人員結(jié)合橋梁的檔案資料、養(yǎng)護(hù)資料及荷載資料進(jìn)行合理的評(píng)估，從而做出正確的決策。這一技術(shù)既對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也對(duì)收集到的橋梁各種資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，為在役橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控和安全評(píng)價(jià)注入了新的活力，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。