基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 艷

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 719300)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展，我國(guó)對(duì)大跨度橋梁的需求逐漸增加。大型橋梁往往會(huì)受到重量超載、自然環(huán)境的破壞、重大交通事故等威脅，當(dāng)前的橋梁管理常常涉及建筑物表面的定期檢查與維護(hù)，橋梁內(nèi)部構(gòu)造的損傷與臨界反應(yīng)通常發(fā)生在難以觸及或隱秘的角落。所以，監(jiān)控大型橋梁的整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)是當(dāng)前最為重要的工作?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與逐漸成熟，我國(guó)對(duì)橋梁的綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

1 萬物互聯(lián)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是利用先進(jìn)的感應(yīng)技術(shù)、無線傳播技術(shù)、云操作以及人工智能技術(shù)將物體連接到互聯(lián)網(wǎng)上。在物聯(lián)網(wǎng)中，建筑物可以在沒有人為控制的狀態(tài)下順利開展通信工作，全面實(shí)現(xiàn)建筑物之間的自動(dòng)識(shí)別與信息共享等目的。即使以往的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)已歸屬到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容中，但是受到傳統(tǒng)的無線通信、感應(yīng)監(jiān)測(cè)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展制約，該系統(tǒng)仍有很多方面與如今的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)存在著不同之處，例如在橋梁架構(gòu)初期設(shè)計(jì)、感應(yīng)采集、數(shù)據(jù)傳輸與處理等方面存在較大差異[1]?；谛滦臀锫?lián)網(wǎng)技術(shù)全方位的迅速發(fā)展，當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)控系統(tǒng)正在不斷完善與優(yōu)化。

支撐物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的背后其實(shí)是一整套成熟的技術(shù)，而這一技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)軟件需要感應(yīng)器、數(shù)據(jù)傳送與加工、數(shù)據(jù)收集、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)分析來實(shí)現(xiàn)，以往復(fù)雜的開發(fā)過程被最大程度地優(yōu)化減少，大大降低了設(shè)備收集信息以及設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)的要求，為建筑互聯(lián)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 初步設(shè)計(jì)

根據(jù)某市重要大型橋梁安全監(jiān)控的使用需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)上安裝專用傳感器，以此掌握橋梁應(yīng)用狀態(tài)情況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、高靈活性、高效率等優(yōu)勢(shì)特征，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)景的監(jiān)控。所以，低成本的傳感節(jié)點(diǎn)可以廣泛部署在大型橋梁上，確保收集到的數(shù)據(jù)有足夠的深度和準(zhǔn)確性，為后期研究橋梁安全性能提供基本數(shù)據(jù)支持。鑒于傳感器節(jié)點(diǎn)部署分散，需要不斷移動(dòng)變化，研究決定采用無線多跳的方法完成數(shù)據(jù)采集的工作，此方式相對(duì)而言更加靈活。將數(shù)據(jù)匯總到某一節(jié)點(diǎn)之后，利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送到健康監(jiān)測(cè)云平臺(tái)中心，對(duì)橋梁安全性能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)判。

2.2 測(cè)量橋梁重要參數(shù)

結(jié)合橋梁實(shí)際交通荷載和結(jié)構(gòu)劣化狀況，首要對(duì)橋梁交通過往情況、橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變、橋梁荷載、橋梁腐蝕、橋梁裂紋擴(kuò)展、溫度等性能和橋梁損耗程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量。如圖1所示，控制識(shí)別的監(jiān)控測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)分為環(huán)境、形變以及構(gòu)造3大類。環(huán)境類主要是指橋梁當(dāng)下的實(shí)時(shí)溫度與濕度情況；形變類是指橋梁伸縮縫、橋梁支架、主體框架和橋墩的變化；構(gòu)造類是指橋梁應(yīng)變、裂紋以及振動(dòng)反應(yīng)。在評(píng)價(jià)橋梁構(gòu)造狀態(tài)時(shí)，需要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)外部環(huán)境條件和信號(hào)反應(yīng)情況綜合分析，以便精準(zhǔn)地呈現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用情況。在對(duì)橋梁安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定后，需依據(jù)不同種類的橋梁應(yīng)力特性，選擇最佳的測(cè)量方法、傳感器節(jié)點(diǎn)的布置方案和數(shù)量以及符合有關(guān)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)獲取裝備。

圖1 橋梁具體監(jiān)控測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

2.3 核心系統(tǒng)框架

先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)智能化數(shù)字感應(yīng)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)進(jìn)行初期設(shè)計(jì)。橋梁監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu)在邏輯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上被分為4層：底層為傳感器網(wǎng)絡(luò)層，由溫度傳感器、濕度傳感器等和數(shù)據(jù)傳感采集節(jié)點(diǎn)組成，定期測(cè)量和采集各種監(jiān)測(cè)參數(shù)；第二層定義為傳輸匯集層，由擴(kuò)散式無線收集點(diǎn)、中繼輸送節(jié)點(diǎn)和匯集傳輸節(jié)點(diǎn)組成，完成收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的工作；第三層為中心數(shù)據(jù)層，由橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存庫(kù)構(gòu)成，能夠?yàn)闃蛄航】禒顟B(tài)分析和橋梁危險(xiǎn)預(yù)警提供核心數(shù)據(jù)支持；第四層為業(yè)務(wù)應(yīng)用層，以高度可視化的頁(yè)面和清晰簡(jiǎn)單的輸出指令，完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析與研究工作[2]。利用危險(xiǎn)預(yù)警、呈現(xiàn)和報(bào)告表等方式向管理客戶端提供橋梁運(yùn)行狀況監(jiān)控信息。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

2.4 實(shí)現(xiàn)各模塊應(yīng)用

2.4.1 控制數(shù)據(jù)收集

將數(shù)據(jù)采集模塊劃分為數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)3個(gè)子模塊，其中數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)由感應(yīng)器模塊和通信模塊構(gòu)成，如圖2所示。感應(yīng)器模塊作為整個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)體系的核心環(huán)節(jié)，主要是對(duì)需要改善橋梁使用狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。感應(yīng)器模塊利用感知監(jiān)控對(duì)象的關(guān)聯(lián)性能的變化，將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，進(jìn)而中斷相關(guān)處理器，在對(duì)上述收集信息完成預(yù)處理的過程中進(jìn)行有效終止。系統(tǒng)上電后，芯片將對(duì)硬件和系統(tǒng)完成初始化任務(wù)，并申請(qǐng)?zhí)砑拥骄W(wǎng)絡(luò)中，依據(jù)掃描結(jié)果挑選適宜的通道、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)與網(wǎng)址；下一步，啟動(dòng)定時(shí)器，如果收到來自該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)訪問請(qǐng)求，為該節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)并請(qǐng)求答復(fù)，如果沒有則將繼續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)定位器超時(shí)時(shí)，對(duì)接收到的有關(guān)信息進(jìn)行預(yù)處理，處理后通過源路由發(fā)現(xiàn)技術(shù)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到中繼傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，并通過多跳傳輸將數(shù)據(jù)輸送到聚合節(jié)點(diǎn)。

由于橋梁感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)分布廣泛，并依據(jù)監(jiān)控任務(wù)的變化存在一定的可疑性，所以使用中繼傳輸節(jié)點(diǎn)對(duì)被監(jiān)測(cè)橋梁進(jìn)行無線覆蓋，使其達(dá)到傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸要求。在此過程中，由于中繼節(jié)點(diǎn)通常位移位置較小，節(jié)點(diǎn)之間的路由變化較小，因此采用源路由方法形成網(wǎng)絡(luò)，以降低節(jié)點(diǎn)路徑發(fā)現(xiàn)以及節(jié)點(diǎn)耗能。利用中繼傳輸節(jié)點(diǎn)，最終將數(shù)據(jù)輸送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理并壓縮后傳送到相關(guān)數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2.4.2 整理橋梁數(shù)據(jù)

橋梁數(shù)據(jù)管理中心主要任務(wù)是對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并在大數(shù)據(jù)庫(kù)中廣泛分布，為上一層業(yè)務(wù)需求提供有效數(shù)據(jù)。橋梁數(shù)據(jù)管理中心包括兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)以及橋梁實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析庫(kù)。利用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的支持，橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)需要對(duì)不同橋梁節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，如各個(gè)橋梁的不同環(huán)境參數(shù)等。

2.4.3 檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)業(yè)務(wù)層主要是根據(jù)放置在橋梁上的感應(yīng)設(shè)備監(jiān)測(cè)到的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)，綜合判斷橋梁的安全性，并給出對(duì)應(yīng)的預(yù)警提示，最后由負(fù)責(zé)維護(hù)的人員對(duì)橋梁開展針對(duì)性的管理與養(yǎng)護(hù)。系統(tǒng)業(yè)務(wù)層的核心功能包含：提供傳感數(shù)據(jù)采集接口，獲取底層感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)采集各個(gè)單元的相關(guān)數(shù)據(jù)，并發(fā)出控制指令以更改底層感應(yīng)器單元的工作模式及有關(guān)參數(shù)；利用橋梁監(jiān)測(cè)的實(shí)際要求提供對(duì)應(yīng)的過往數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、開始數(shù)據(jù)、后處理數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，并依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果更改監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列表；集成網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)終端的對(duì)接口，便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將橋梁安全性能預(yù)警劃為紅、橙、黃、綠4個(gè)等級(jí)，詳細(xì)等級(jí)劃分如表1所示。

從表1可以看出，紅色和綠色是兩種極端等級(jí)。綠色代表橋梁的實(shí)時(shí)狀態(tài)較好，各部件工作運(yùn)行處于正常范圍；紅色代表橋梁處在一個(gè)極其危險(xiǎn)的狀態(tài)，需要及時(shí)對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)。余下兩層分別是橙色和黃色等級(jí)，橙色代表橋梁可能存在安全隱患，需要對(duì)橋梁進(jìn)行日常檢查；黃色代表橋梁處在危險(xiǎn)環(huán)境中，也許是橋梁上的某一個(gè)部件發(fā)生損壞，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修。

為能夠準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)到橋梁的健康狀況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)上述4種狀態(tài)設(shè)定相應(yīng)的閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果大于設(shè)置的閾值時(shí)，將自動(dòng)進(jìn)入應(yīng)對(duì)處理環(huán)節(jié)，以保證橋梁的正常運(yùn)行。研究分析表明，橋梁在正常工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)位置與理論值大致一樣，以此可以根據(jù)理論數(shù)值計(jì)算出綠色狀態(tài)的閾值范圍[3]。在實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)下，該狀態(tài)的下限和上限分別設(shè)置為設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的0.95倍和1.05倍；對(duì)于紅色狀態(tài)的閾值，下限值和上限值分別設(shè)為設(shè)計(jì)負(fù)載效應(yīng)的1.25倍和1.3倍；至于中間的兩種狀態(tài)，橙色和黃色采用以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行閾值設(shè)定，閾值的下限和上限分別設(shè)為設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的1.05倍和1.15倍。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全預(yù)警分級(jí)詳列

在整個(gè)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)中，放置在橋梁上的所有感應(yīng)裝置全天都是準(zhǔn)備工作狀態(tài)，系統(tǒng)對(duì)感應(yīng)器收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。將數(shù)據(jù)與相應(yīng)的閾值做比較，判斷橋梁的當(dāng)前工作狀態(tài)，以及判斷橋梁當(dāng)前是否存在過載狀態(tài)，并對(duì)橋梁做出對(duì)應(yīng)的預(yù)警處理。一般而言，在產(chǎn)生預(yù)警后推送預(yù)警信息的方式有兩種，即自動(dòng)彈出系統(tǒng)控制頁(yè)面與推送到維修工作人員的手機(jī)上。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)管理與維護(hù)

3.1 橋梁監(jiān)測(cè)管理

橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)是對(duì)橋梁與監(jiān)測(cè)范圍之間的監(jiān)測(cè)通道進(jìn)行管控工作，需要進(jìn)行以下功能傳輸：傳感器的相關(guān)配置應(yīng)符合檢測(cè)因子和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。具體來說，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障后，操作者能夠在后臺(tái)重新完成配置；當(dāng)橋梁外部溫度、實(shí)際應(yīng)力、位移振動(dòng)等監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，后臺(tái)服務(wù)器需要被監(jiān)測(cè)平臺(tái)重新配置；依據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)情況，當(dāng)下需要重新選擇監(jiān)測(cè)放置點(diǎn)，完成拓?fù)涔芾硪詫?shí)現(xiàn)最優(yōu)的監(jiān)測(cè)成果[4]。

3.2 監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)維修

在對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)橋梁可能患有危險(xiǎn)因素，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需立即通知橋梁維修人員對(duì)橋梁狀態(tài)開展檢測(cè)與維護(hù)等工作。維修人員使用手持終端系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心相連接，需要對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)危險(xiǎn)預(yù)警狀況現(xiàn)場(chǎng)定位分析。客戶端應(yīng)用程序與站點(diǎn)目標(biāo)設(shè)備的連接過程包括：首先，檢查終端是否能夠使用藍(lán)牙無線通信、是否處于藍(lán)牙模式；其次，需要查詢客戶端與本地藍(lán)牙調(diào)配器的連接記錄，假如在過往連接記錄中找到目標(biāo)設(shè)備，那么可以直接完成配對(duì)，反之，需要重新搜索目標(biāo)設(shè)備并連接設(shè)備；最后，橋梁配對(duì)成功后，維修人員根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和診斷提示對(duì)橋梁開展相關(guān)維護(hù)工作。

4 結(jié)語

本文充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特征優(yōu)勢(shì)，與橋梁自身的特點(diǎn)和使用需求有效結(jié)合，研究并設(shè)計(jì)了一套科學(xué)智能化的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)。綜合實(shí)際使用情況表明，該系統(tǒng)可以全天有效監(jiān)測(cè)橋梁的整體健康狀態(tài)，對(duì)可視化的傳感數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，為維修人員對(duì)橋梁的管理與維護(hù)提供有效數(shù)據(jù)支持。在系統(tǒng)投入使用過程中，根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行的新要求，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行深入優(yōu)化完善，使系統(tǒng)在適用情況、安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面更加凸顯優(yōu)勢(shì)。