基于物聯(lián)網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與智能預(yù)警平臺建設(shè)

徐哲能 鄭淑倩 王燁晟 關(guān)淑萍 邱鵬

摘? 要：隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁總存量增加，為維護眾多橋梁的日常運營，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作的重要性愈發(fā)凸顯。目前，大多數(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測依舊采用人工定期監(jiān)測的方式，該方式存在監(jiān)測周期長、隱變量多、工程師人才稀缺等問題。文章基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)融合多網(wǎng)連接技術(shù)對杭州某典型橋梁開展了全部位結(jié)構(gòu)動態(tài)健康監(jiān)測?；谖⒎?wù)架構(gòu)，搭建了一套從橋梁基本信息管理、結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集，到數(shù)據(jù)分析、自動預(yù)警的橋梁健康管理平臺。

關(guān)鍵詞：橋梁健康監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；微服務(wù)

中圖分類號：TP311；U446? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）03-0159-05

Bridge Structural Health Monitoring and Smart Early Warning Platform Construction Based on Internet of Things

XU Zheneng1， ZHENG Shuqian1， WANG Yesheng2， GUAN Shuping1， QIU Peng1

（1.Zhejiang Huadong Mapping and Engineering Safety Technology Co.， Ltd.， Hangzhou? 310014， China;

2.Power China Huadong Engineering Co.， Ltd.， Hangzhou? 311122， China）

Abstract： With the rapid development of Chinese transportation infrastructure， the total stock of bridges is increasing. In order to maintain the daily operation of many bridges， the importance of bridge structural health monitoring work is becoming more and more prominent. At present， the majority of bridge structure monitoring still adopts the method of manual periodic monitoring， which has problems such as long monitoring periods， many hidden variables， and the shortage of engineers. This paper is based on the Internet of Things architecture and fuses the multi-network connection technology to carry out dynamic and full coverage structural health monitoring of a typical bridge in Hangzhou. Based on the microservice architecture， a set of bridge health management platform is established from bridge basic information management， structural automation monitoring data acquisition， data analysis， and automation warning.

Keywords： bridge health monitoring; Internet of Things; microservice

0? 引? 言

橋梁是對接兩岸公路的重要交通工程。據(jù)中國交通運輸部《2019年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》統(tǒng)計結(jié)果，截至2019年年末，全國的公路橋梁共87.83萬座、總里程2 923.75萬米。隨著時代的發(fā)展，每年的新增橋梁數(shù)和總里程數(shù)正在降低。目前，我國基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)逐漸趨于完善，現(xiàn)存橋梁的養(yǎng)護將逐漸成為業(yè)務(wù)重心，日后檢測養(yǎng)護業(yè)務(wù)量將出現(xiàn)一個爆發(fā)式的增長。為此，研究一個高效的自動化養(yǎng)護方案顯得尤為重要。

橋梁養(yǎng)護全周期通常包括監(jiān)測、檢測、維修環(huán)節(jié)。當(dāng)前，在橋梁結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測方面，國內(nèi)外一些學(xué)者也進行了一些研究，郭建光[1]重點對昌贛客專贛州贛江特大橋的主梁、橋塔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、軌道板以及斜拉索等結(jié)構(gòu)進，設(shè)計了一套自動化健康監(jiān)測系統(tǒng)，解決了索橋的橋梁自動化監(jiān)測問題。李政[2]等人在重慶一座大橋中基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式將多個索力、溫度、應(yīng)力、沉降等傳感器靈活組網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù)至健康監(jiān)測平臺，通過無線組網(wǎng)的方式解決了現(xiàn)場數(shù)據(jù)線開挖困難的痛點。肖棟梁[3]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的獨柱墩橋梁防傾覆的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁形態(tài)進行實時監(jiān)測。從大量的研究文獻可知[4-8]當(dāng)前自動化監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁安全監(jiān)測中大多數(shù)不涵蓋索力監(jiān)測、振動分析與自動預(yù)警功能，普遍存在系統(tǒng)可拓展性不強、業(yè)務(wù)應(yīng)用功能單一的碎片化問題。本文結(jié)合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)以及軟件技術(shù)，建立了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁自動化結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，主要特點在于其硬件布置規(guī)范且穩(wěn)定，軟件采用微服務(wù)架構(gòu)，可拓展能力強，易于集成，監(jiān)測項目體系全面，涵蓋應(yīng)力、撓度、振動、索力四大測項，并分別從靜態(tài)和動態(tài)兩方面對橋梁進行實時監(jiān)測并實現(xiàn)智能預(yù)警。

1? 現(xiàn)場監(jiān)測方案設(shè)計

本文選取杭州某座大型重點橋梁作為平臺建設(shè)試點，該橋梁主橋為鋼拱梁組合橋設(shè)計，引橋為連續(xù)鋼箱梁橋設(shè)計，設(shè)計使用年限為100年。在后續(xù)橋梁運營中，由于超常荷載、材料老化、構(gòu)件缺陷等因素的作用，橋梁將逐漸產(chǎn)生損傷積累，從而使橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力下降，減少橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用壽命。為檢驗該大橋的安全理論模型和設(shè)計計算，結(jié)合專用傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立了一套自動化、穩(wěn)定、實時、智能預(yù)警的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系，并通過對測點的科學(xué)布置到軟件系統(tǒng)的構(gòu)建，形成一個技術(shù)閉環(huán)，基于該系統(tǒng)可及時了解和掌握橋梁結(jié)構(gòu)的運營環(huán)境和健康狀態(tài)，從而對結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性做出評價，保障橋梁的健康狀況。同時系統(tǒng)開發(fā)并嵌入了智能預(yù)警功能，在設(shè)定線性或頻率預(yù)警值域后，一旦監(jiān)測值進入該值域，系統(tǒng)會通過移動端小程序?qū)ω?zé)任人發(fā)出警報通知，加強管理。

在具體的監(jiān)測點布設(shè)及設(shè)計方面，系統(tǒng)結(jié)合結(jié)構(gòu)勞損和交通負荷的情況，從環(huán)境溫度、構(gòu)件疲勞、位移、荷載、裂紋等多個方面進行監(jiān)測，并結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)水平，對應(yīng)變、撓度、振動、索力四大指標(biāo)開展自動化監(jiān)測。橋梁測點布置方案的設(shè)計需要分析關(guān)鍵部位以及布置間距。本方案將區(qū)分主橋與引橋，主橋監(jiān)測溫度、應(yīng)變、撓度、振動以及索力，引橋則監(jiān)測溫度、應(yīng)變以及撓度。圖1顯示了橋梁測點空間分布，表1和表2為主橋和引橋不同構(gòu)件對應(yīng)的監(jiān)測項目表，表3為選用的傳感器參數(shù)列表。

2? 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)基于微服務(wù)框架，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行搭建，如圖2所示。

系統(tǒng)自下到上分為5層：

（1）采集層。由傳感器和采集儀節(jié)點組成，多個近點傳感器通過RS-485連線的方式連接至一臺采集儀，采集儀再講數(shù)據(jù)通過RJ-45網(wǎng)線將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將數(shù)據(jù)通過運營商網(wǎng)關(guān)發(fā)送至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

（2）通信層。服務(wù)器端接收到消息后，依據(jù)特定的校驗方式，將socket進行拆包并解析進入第三層。

（3）數(shù)據(jù)層。該層包含設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)。將用戶的請求數(shù)據(jù)、配置入?yún)⒌纫韵到y(tǒng)語言和格式存入數(shù)據(jù)庫，為橋梁健康監(jiān)測提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（4）應(yīng)用層。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能都封裝在應(yīng)用層，主要包含橋梁基本信息管理、監(jiān)測設(shè)備管理、測值數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、測值預(yù)警以及監(jiān)測報告整編。

（5）表示層。該層是直接與用戶交互的一層，本系統(tǒng)包含PC網(wǎng)頁端和微信小程序。前者主要面向現(xiàn)場作業(yè)人員，用于現(xiàn)場問題上報，后者則更多面向管理人員，用于掌握所有項目概況、監(jiān)測信息以及安全狀態(tài)。

2.2? 數(shù)據(jù)采集與通信

物聯(lián)網(wǎng)自動化監(jiān)測的最底層包含采集層和通信層，采集層有傳感器和采集儀設(shè)備，通信層則為網(wǎng)關(guān)設(shè)備。相近的傳感器采用RS-485串口連接至同一臺采集儀下，并用采集儀的通道號來區(qū)分不同的設(shè)備ID。采集儀通過RJ-45網(wǎng)線連接至設(shè)備網(wǎng)關(guān)，并基于4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)至目標(biāo)地址的傳輸。所有傳感器的供電線與通信線布設(shè)在同一線槽下，以此降低開挖成本。供電方式分為橋梁市電和太陽能板供電兩種，并配備一塊蓄電池。采集儀、設(shè)備網(wǎng)關(guān)、蓄電池這三個設(shè)備封裝至一個防風(fēng)盒內(nèi)，并視為一個采集總站。

考慮到經(jīng)濟效果和傳輸信號衰減兩大方面，將該橋梁的所有傳感器根據(jù)其所安裝的位置，以橋面的幾何中心為原點分為四個象限，將該象限內(nèi)的傳感器設(shè)備連接至四個不同的采集總站。上述采集總站位置和線路示意圖如圖3所示。

2.3? 數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)計

橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)具有多指標(biāo)、多測點、長時序以及高頻率等特點。本平臺的建設(shè)是解決多橋梁從建設(shè)期到運維期長久健康監(jiān)測的管理目標(biāo)，因此既要解決海量數(shù)據(jù)的存儲問題，又要保證數(shù)據(jù)查詢與分析效率。

如上述系統(tǒng)架構(gòu)，數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)后進入服務(wù)器的監(jiān)測端口，在對應(yīng)的監(jiān)聽端口編制了解析程序，對原始傳感器報文根據(jù)其通信協(xié)議進行解析，解析后獲取該設(shè)備的原始量和設(shè)備ID，作為該監(jiān)測項下屬的分量。同時，根據(jù)業(yè)務(wù)需要，可以對每條數(shù)據(jù)的原始值和時間戳的對比或二次計算，可以計算出累計值、增量、峰值、頻率等衍生分量。在數(shù)據(jù)庫存儲時，每一個分量將獨立為一張表，且擁有對應(yīng)的所屬關(guān)系字段（設(shè)備ID、時間戳、測點編號等相關(guān)信息），使其在被應(yīng)用層調(diào)用時能有明確的數(shù)據(jù)關(guān)系，這種設(shè)計也有助于設(shè)備管理和數(shù)據(jù)管理。

加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)由于采集頻率較高，其數(shù)據(jù)量隨著時間推移將變得無比龐大，對服務(wù)器硬盤的壓力較大。因此，在該項目中采用周期覆蓋法將加速度的原始數(shù)據(jù)物理導(dǎo)出后并覆蓋，覆蓋周期為1年。然而，根據(jù)這些原始量二次計算的分量可以被保存。例如，根據(jù)每天的振動加速度和索力加速度的原始量，通過快速傅里葉變換可以計算出的橋梁的振動頻率和索頻率，這些衍生分量數(shù)據(jù)量較小，將永久存儲。應(yīng)變和撓度的采集設(shè)備由于其采集頻率較低，其原始數(shù)據(jù)可以永久保存至數(shù)據(jù)庫中。

3? 系統(tǒng)功能應(yīng)用

3.1? 監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢與檢查

3.1.1? 數(shù)據(jù)查詢

該功能采用圖表方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，如圖4所示。用戶可以從監(jiān)測時間、測點編號、分量樹等多個維度進行數(shù)據(jù)查詢，并繪制成過程線。同時，也可以根據(jù)過程線的數(shù)據(jù)去查詢該測點的測點屬性、分布位置、測點狀態(tài)等信息。該功能幫助用戶快速獲取重要信息，及時精準(zhǔn)地通過數(shù)據(jù)來捕捉橋梁隱患。

3.1.2? 數(shù)據(jù)檢查

此外，該系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)據(jù)整編功能，用戶可以通過手動標(biāo)記的方法，寫明原因后將某一條數(shù)據(jù)進行軟刪除，被軟刪除的數(shù)據(jù)將不再參與任何統(tǒng)計或計算，也可以撤銷該操作。任何用戶對數(shù)據(jù)上的操作都將被記錄至操作日志。該功能的設(shè)計目的是考慮到一些不可預(yù)測因素，例如強磁場導(dǎo)致設(shè)備異常、通信誤碼、設(shè)備下線等，致使部分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生明顯錯誤的情況下，通過人工校核的方式提高原始量的可靠性。在數(shù)據(jù)檢查操作后，根據(jù)原始數(shù)據(jù)衍生得到的分量都將提高可信度，從而為管理者提供更優(yōu)質(zhì)的信息。

3.2? 監(jiān)測預(yù)警

該功能實現(xiàn)了橋梁異常的自動預(yù)警，系統(tǒng)將根據(jù)行業(yè)規(guī)范默認(rèn)預(yù)警參數(shù)，用戶也可以在此基礎(chǔ)上進行修訂。異常自動告警流程包括預(yù)警配置—預(yù)警判斷原理—預(yù)警記錄與通知。

根據(jù)工程標(biāo)準(zhǔn)，橋梁健康預(yù)警分正常、橙色預(yù)警、紅色預(yù)警三個等級，如表4所示?？紤]到業(yè)務(wù)中不同測項的實際情況，開發(fā)了“上限”“下限”“上下限”三種模式。如圖5所示，在上下限的模式下，系統(tǒng)可以通過輸入四個值，直觀地在數(shù)軸上顯示不同等級的預(yù)警區(qū)間。上限和下限模式則為輸入兩個單邊值。

系統(tǒng)對靜態(tài)分量與動態(tài)分量的預(yù)警方式有所不同。針對靜態(tài)分量，將分量值直接與預(yù)設(shè)的預(yù)警值進行比對，判斷分量值所在的預(yù)警等級，從而做出不同等級的警報。針對動態(tài)分量，首先通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換至頻域圖，并將一階諧波與預(yù)設(shè)的基頻值進行對比，從而做出不同等級的警報。若判斷結(jié)果屬于“正常”區(qū)間，則不做處理，若屬于“橙色”“紅色”區(qū)間，則對其進行標(biāo)記，并進入預(yù)警記錄事件。

系統(tǒng)中的預(yù)警記錄表記錄了該項目下的所有預(yù)警信息，并顯示預(yù)警記錄狀態(tài)，提示當(dāng)前預(yù)警已解除、已廢棄或是預(yù)警中。靜態(tài)指標(biāo)由于監(jiān)測頻率低，且為單次測量，直接標(biāo)記該條預(yù)警數(shù)據(jù)即可。而對于動態(tài)數(shù)據(jù)，則需要保存預(yù)警時刻前后30秒的所有原始數(shù)據(jù)，用戶可以點擊每一條預(yù)警信息查看詳細的動態(tài)數(shù)據(jù)過程線。通過預(yù)警的動態(tài)數(shù)據(jù)過程線、相鄰測點的動態(tài)數(shù)據(jù)、測點編號，即可推算出大致撞擊點位置、撞擊方向、撞擊沖量大小等，從而判斷此次撞擊是否達到搶險標(biāo)準(zhǔn)。此外，在產(chǎn)生新的預(yù)警記錄時，系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)實時同步至微信小程序端，并立刻通知責(zé)任人處理測點預(yù)警，同一測點在同一天不會重復(fù)通知。

3.3? 健康監(jiān)測場景一張圖

平臺整合了全景、三維實景以及設(shè)計模型對橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前健康監(jiān)測狀態(tài)進行多尺度、多角度的現(xiàn)狀仿真，并提供標(biāo)繪工具，能夠準(zhǔn)確表達測點的布設(shè)位置，測點圖標(biāo)顏色則示意了測點的預(yù)警狀態(tài)，如圖6所示。用戶點擊測點圖標(biāo)可查看實時監(jiān)測值以及歷史監(jiān)測曲線。

4? 結(jié)? 論

本文以某拱形橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為基礎(chǔ)，研發(fā)了一套自動化監(jiān)測系統(tǒng)平臺。整個系統(tǒng)從需求、設(shè)計、開發(fā)、測試、運行階段都經(jīng)過了多個版本的迭代，最終開發(fā)出了一套較為完善的系統(tǒng)。系統(tǒng)的應(yīng)用可以大幅度減少人工監(jiān)測的作業(yè)時間，提高作業(yè)效率。自動預(yù)警功能可以科學(xué)、準(zhǔn)確地捕捉橋梁隱患，并結(jié)合場景仿真快速鎖定預(yù)警的空間位置，從而高效地做出決策。整個系統(tǒng)對自動化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和軟件技術(shù)進行了落地應(yīng)用，推動了自動化監(jiān)測在橋梁監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。系統(tǒng)目前試運行狀態(tài)良好，但功能仍存在不足。例如，在采集層方面，設(shè)備的穩(wěn)定性不高，設(shè)備在下線后沒有通知，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失的問題；在應(yīng)用層方面，用戶的配置內(nèi)容過多，未開發(fā)批量配置的功能；系統(tǒng)未集成多傳感器信息融合的算法設(shè)計及仿真，需要用戶手動將參數(shù)導(dǎo)入至專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析軟件。下一步將根據(jù)系統(tǒng)長期運營的新需求進一步升級，加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和個性化功能。

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作者簡介：徐哲能（1997.06—），男，漢族，浙江杭州人，助理工程師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)通信。

收稿日期：2022-09-19