橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展應用趨勢研究

邢春超

（招商局重慶公路工程檢測中心有限公司,重慶 400067）

0 引言

現(xiàn)階段，我國經濟發(fā)展迅猛，配套交通基礎設施越來越健全，而橋梁作為占比最大的部分，在安全質量上應作為重點關注對象。部分橋梁在長時間運營階段，容易受外部環(huán)境影響，導致設計荷載無法滿足實際需求，進而對橋梁產生持續(xù)損傷。為解決此類問題，筆者提出運用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，借助高精度傳感器實時反饋橋梁使用狀況。

1 工程概況

該文選取的研究對象為某城市的高速公路橋梁，該橋的作用在于解決城市交通問題，緩解市區(qū)交通壓力，促進城市周邊地區(qū)的經濟發(fā)展。橋梁全長1 270 m，主橋全長700 m，采用半漂浮體系，斜拉索設計成空間扇形索面，橋面全寬33 m。橋梁的主要設計指標表現(xiàn)：行車速度120 km/h；通航標準，Ⅲ級航道；地震荷載為基本烈度Ⅳ度；橋面縱坡2.6%，在主跨中央設有豎曲線。

為了更好地實現(xiàn)橋梁健康狀態(tài)的監(jiān)測，掌握橋梁的空間變形狀況和應力分布情況，筆者提出運用MC 軟件程序，對主橋部分打造空間有限元模型，實現(xiàn)橋梁的力學仿真分析。該程序本身具有極為豐富的有限元庫，可以實現(xiàn)從靜態(tài)到動態(tài)的多種高端分析，適用于橋梁結構的設計，也能進行混凝土結構設計的驗算。在建模時需要做好材料特性、溫度荷載、移動荷載的設置，確定邊界條件，通過對模型開展靜力分析，獲取結構響應的數(shù)據(jù)。并根據(jù)分析結果判斷橋梁受力特點，為后續(xù)的傳感器測點布設提供參考依據(jù)，有助于后續(xù)預警閾值的設置。

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應用路徑

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是指利用監(jiān)控、評估橋梁結構情況，為橋梁在惡劣天氣、復雜交通條件下，或是橋梁運營異常時，發(fā)出預警信號，為橋梁的維護管理提供指導。其組成部分主要包括環(huán)境荷載監(jiān)測、交通荷載監(jiān)測以及橋梁結構響應。而監(jiān)測內容則以表1 為主。

表1 橋梁結構健康監(jiān)測信息

2.1 方案設計

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的結構組成包括：傳感器系統(tǒng)，負責監(jiān)測工作環(huán)境、荷載響應、交通荷載；數(shù)據(jù)收集與處理系統(tǒng)，負責數(shù)據(jù)傳輸、采集、存儲與通訊；損傷識別與預警系統(tǒng)，負責損傷位置程度判斷、建立三級預警機制；橋梁評估系統(tǒng)，負責橋梁技術狀態(tài)評估、橋梁承載能力評估。上述系統(tǒng)以及傳感器裝置的應用都要結合橋梁的有限元模型進行確定。但要注意，由于部分橋梁構建不適合放置傳感器，且出于經濟性角度，傳感器數(shù)量也應得到一定限制。為了保證傳感器的布置最優(yōu)化，筆者將根據(jù)橋梁的結構特點，初步確定監(jiān)測項目。

2.1.1 監(jiān)測項目

監(jiān)測項目包括：環(huán)境荷載監(jiān)測，需采用動態(tài)地秤設備監(jiān)測車速與車流量，利用風速儀測定風荷載，借助數(shù)顯溫度計監(jiān)測橋梁溫度場的變化狀況，通過溫度傳感器分析溫度對橋梁狀態(tài)產生的影響；靜力監(jiān)測，對于斜拉索索力，可結合振動法，對1/4 拉索實施在線監(jiān)測。對于主梁應力，則可考慮對稱布置的方式，將應力測點布置在主梁斷面兩側，將振弦式應變計、光纖光柵傳感器搭配使用；動力特性監(jiān)測，可利用加速傳感器檢查斜拉索的整體動力特性，將其布置在主梁截面兩側。

2.1.2 傳感器布置

不同位置的傳感器布置方案如下：主梁應變傳感器測點布置，需要考慮橋梁服役時產生的各類狀況，測點選擇在主跨跨中與1/4 跨處；溫濕度與風速傳感器測點布置，選擇在主跨跨中段面橋面放置1 臺溫度儀，在上游斜拉索位置分布4 個監(jiān)測點；主梁撓度與橋塔位移測點布置，可結合GNSS 監(jiān)測法（衛(wèi)星導航系統(tǒng)），其中撓度測點放置在邊跨跨中，共計3 個測點。至于主塔位移測點則選擇南北主塔塔頂，共計2 個測點；振動測點布置，需借助平衡加速傳感器，監(jiān)控橋梁情況，并在邊跨、主跨1/4 跨布置7 個測點；位移測點布置，應搭配液壓阻尼器約束主塔位移，結合拉線式位移計，在梁端制作布置8個測點；索力傳感器布置，在設置時需要充分考慮外界環(huán)境的影響，將索力傳感器安裝在斜拉索上[1]。

2.1.3 傳感云子系統(tǒng)

傳感云子系統(tǒng)本質上屬于一種結構健康監(jiān)測云平臺，其主要任務在于收集、分析來自傳感器網(wǎng)絡的信息資料，并生成評價結果，完成橋梁異常狀態(tài)的報警，具備數(shù)據(jù)采集、信息展示、圖表繪制、安全預警、管理等功能。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)分析

橋梁結構的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要分為以下兩種：靜態(tài)數(shù)據(jù)，其特點在于數(shù)據(jù)量小，監(jiān)測目的在于判斷不同受力狀況下的橋梁主體特性，若未發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，可直接記錄在數(shù)據(jù)庫。至于分析目標則表現(xiàn)為借助結構振幅與預警標準值的對比，判斷結構狀態(tài)；動態(tài)數(shù)據(jù)，需要結合特定設備、程序完成海量信息的監(jiān)測，對數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析算法的要求較高，搭配傅立葉變換法，并利用評估模塊調用計算結果，將其作為主報警的輸入。

2.2.2 異常數(shù)據(jù)處理

通常來說，由于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)需要長時間處于惡劣環(huán)境下，容易因環(huán)境影響、內部電路損壞，造成傳感器故障。為了解決此類問題，需要做好橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)識別與處理。

首先要確定異常數(shù)據(jù)類別與特點，比如：單點異常數(shù)據(jù)，是指因傳感器不穩(wěn)定引發(fā)的信息，其產生頻率超過監(jiān)測數(shù)據(jù)的3%，特點在于數(shù)據(jù)量小，且數(shù)據(jù)數(shù)值與正常數(shù)據(jù)差異性較大；持續(xù)異常數(shù)據(jù)，是指因外部環(huán)境干擾、傳輸電纜摩擦引發(fā)的異常狀況，其特點在于大部分數(shù)據(jù)表現(xiàn)為異常，且監(jiān)測數(shù)據(jù)無法第一時間恢復正常；缺失數(shù)據(jù)，其產生原因在于傳感器采集功能產生故障，在故障處理后，二次獲取的數(shù)據(jù)初始值與之前設置的不統(tǒng)一，導致后續(xù)采集的信息與故障發(fā)生前的數(shù)據(jù)表現(xiàn)一定誤差，且誤差無法自動修復[2]。

其次，要根據(jù)異常數(shù)據(jù)特點，開展針對性處理，通過對數(shù)據(jù)采取平滑作業(yè)，計算監(jiān)測值與平滑值間的差值，利用消除粗差的方法，判斷異常數(shù)據(jù)。比如：格魯布斯法，是指用于判斷數(shù)據(jù)中的可疑值的取舍方法；Q 檢驗法，是指分析少量觀測次數(shù)提出的簡易判據(jù)；3σ法，又稱拉依達法，是指假設一組檢測數(shù)據(jù)只含有隨機誤差，之后對其進行計算處理獲取標準偏差，并根據(jù)一定概率確定區(qū)間，認為超過此區(qū)間的誤差，均不屬于隨機誤差，并對粗大誤差給予剔除。相較于上述兩種方法來說，拉依達法的計算更加簡潔，因此該文將以拉依達法作為研究對象。根據(jù)統(tǒng)計顯示，監(jiān)測數(shù)值偏差大于3σ的概率不超過1%，通過計算得到平均值與標準差，對比極限差值與平均值，若偏值差高于3σ，將其判定為異常數(shù)據(jù)。

比如當監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)的變化值表現(xiàn)如下式：

式中，xi——數(shù)據(jù)原始初值；di——傳感器數(shù)據(jù)變化值。之后計算數(shù)據(jù)變化均值與方差，公式如下：

2.3 預警設計

2.3.1 預警體系

預警系統(tǒng)作為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，可通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、處理，全面評估結構安全性，并在發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后第一時間發(fā)出預警。但要注意預警的準確性與時效性在一定程度上由預警閾值的設置效果決定，一旦預警閾值的設置不夠科學，很容易造成系統(tǒng)誤報與漏報。為解決此類問題，在打造預警系統(tǒng)的過程中需要滿足以下條件：保有適當?shù)陌踩哂喽?；實現(xiàn)預警系統(tǒng)的自動化運行；確保橋梁損傷被及時發(fā)現(xiàn)；預警系統(tǒng)要做到實時更新、隨時檢查。同時還要確定預警分級，如表2 所示。

表2 預警分級

2.3.2 設定預警閾值

該次工程中一級預警閾值需要基于2019 年度撓度測點統(tǒng)計結果，根據(jù)溫度荷載引發(fā)的最大撓度與汽車荷載引發(fā)的最大撓度之和，作為不同位置傳感器的藍色狀態(tài)預警值。二級預警閾值則要采用靜載試驗、模型計算值進行確定，該次工程取撓度最大值時測得的南塔塔頂位移作為二級預警閾值。三級預警閾值需根據(jù)規(guī)范要求的撓度極限進行確定。

3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展應用趨勢分析

現(xiàn)階段，我國的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在進行橋梁結構的評估方面，主要包括以下幾點，即承載效果、運營狀態(tài)以及耐久能力。在進行評估時，需要認識到承載能力與結構極限強度存在一定關聯(lián)，為了切實防止橋梁在使用時出現(xiàn)安全事故，需要提高相關設備的使用性能。至于營運狀態(tài)評估則與橋梁構件的日常荷載程度有關，主要判斷橋梁是否存在變形、裂縫等問題。在定期養(yǎng)護維修的基礎上，結合人員日常檢查結果，判斷橋梁的結構營運情況。而耐久能力則側重于評估橋梁的損傷以及問題的形成原因，重在對材料的物理特性進行分析，在完成結果評估后，利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，傳遞到各個部門。雖然該橋梁監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確找出橋梁的潛在安全隱患，但監(jiān)測項目數(shù)量較少，且個別項目因規(guī)模較為龐大，對監(jiān)管數(shù)據(jù)的管理要求較高，若數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)不夠完善與先進，必然會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)無法充分利用。且大多數(shù)橋梁狀態(tài)評估系統(tǒng)屬于單一監(jiān)測系統(tǒng)，難以及時反映橋梁結構實際狀態(tài)，無法為后續(xù)的管理養(yǎng)護提供理論依據(jù)。

隨著我國信息技術、智能技術、數(shù)字化手段的高速發(fā)展，以傳感器、微電機系統(tǒng)為代表的監(jiān)測方法普及度不斷提高，且監(jiān)測系統(tǒng)的精確性、安全性也得到了大幅度提升，能夠更好地滿足日常管理要求。同時，結構振動分析理論的逐步成熟，也為橋梁健康監(jiān)測工作提供了更加充實的技術支撐。未來的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，勢必會圍繞“云、物、智、移”等核心技術，具體內容表現(xiàn)如下：

第一，大數(shù)據(jù)傳輸技術。除文件共享服務器的數(shù)據(jù)傳輸方法外，我國對于WEB 服務、消息中間件技術的應用也更加成熟，在互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議不斷完善的情況下，越來越多的HTTP 協(xié)議、MQTT 協(xié)議被投入使用[3]。

第二，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的使用需要以傳感器為基礎，該裝置可持續(xù)獲取橋梁使用信息。以往的關系型數(shù)據(jù)庫本身存在一定的局限性，數(shù)據(jù)只可利用二進制文件完成存儲。而在大數(shù)據(jù)背景下，人們更偏向于采用時間序列數(shù)據(jù)庫，不僅可變革數(shù)據(jù)的存儲方法，也能輔以文本數(shù)據(jù)庫等技術，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

第三，云計算平臺。云計算可以理解為以互聯(lián)網(wǎng)為載體，通過網(wǎng)絡云將數(shù)據(jù)計算處理程序分解，利用多部服務器組成的系統(tǒng)，實現(xiàn)小程序的分析，并將結果返回給用戶。云計算涵蓋大量的虛擬化資源，具有規(guī)模化、虛擬化、通用性、高效性等特征。

第四，數(shù)據(jù)挖掘技術，為了提高數(shù)據(jù)的應用價值，可搭配機器學習、模式識別等方法，結合概率論、算法復雜度理論，形成系統(tǒng)性的知識體系，利用機器學習，模擬人類行為，提高對各類信息的解釋效率，保證信息價值的充分挖掘。以卷積神經網(wǎng)絡為例，將其運用在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)當中，可依照階層結構對輸入信息實施平移不變分類，更高效地完成圖像識別、物體識別、行為認知、姿態(tài)估計、神經風格遷移。

第五，人機交互與可視化技術，在交互界面，可以幫助更多的用戶獲取想要掌握的內容與功能，利用統(tǒng)計法與機器學習法，能夠準確預測分析結果，幫助管理人員明確數(shù)據(jù)結果的用途與意義。至于數(shù)據(jù)可視化技術則是通過計算機圖形學與圖像處理技術，將數(shù)據(jù)轉換為圖像或圖形，并在屏幕上顯示出來，之后進行交互處理的理論與技術。該技術能夠保證數(shù)據(jù)的全貌展示，強化內容理解，便于對話與探索，增強審視效果，也有利于異議的處理。

第六，安全報警與狀態(tài)推動技術。該技術的作用在于結合業(yè)主的差異性需求，分析人員的迫切訴求，利用多種渠道，保證報警推動的精準性與針對性，比如微信、微博、郵件等方式，可以將最新的橋梁狀況數(shù)據(jù)反饋至工作人員。根據(jù)上述分析可知，現(xiàn)階段我國的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)仍處于高速發(fā)展的階段，無論是系統(tǒng)功能還是硬件設備都存在優(yōu)化空間，系統(tǒng)功能性、經濟性等方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，且在世界眾多大橋中都有所體現(xiàn)[4]。

4 結語

綜上所述，該文通過以某地方橋梁工程項目作為研究對象，闡述橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應用路徑，借助設置有限元模型，確定各類工況下的橋梁結構響應，通過布置大量傳感器獲取主梁應變、風速風向等監(jiān)測信息，利用時域分析法完成數(shù)據(jù)分析，以此為后續(xù)的管理維護提供參考依據(jù)，保證橋梁安全，并推動監(jiān)測系統(tǒng)的智能化、自動化發(fā)展，打造更全面的信息化管理體系。