基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在山區(qū)橋梁運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用

杜茂周

（貴州黔程弘景工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550018）

0 引言

橋梁工程是交通運(yùn)輸體系的重要部分，在當(dāng)前橋梁工程的發(fā)展下，山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)理論和工程技術(shù)不斷發(fā)展、成熟，促使山區(qū)橋梁跨度進(jìn)一步擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越復(fù)雜。但是因?yàn)樯絽^(qū)環(huán)境惡劣、氣候環(huán)境復(fù)雜多變，山區(qū)橋梁在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中受到氣候環(huán)境、外力因素的影響，尤其是車(chē)輛、風(fēng)力、地震、疲勞等因素的影響，導(dǎo)致材料性能退化，結(jié)構(gòu)和部件因?yàn)樵O(shè)計(jì)年限問(wèn)題，出現(xiàn)不同程度的損傷和破壞。如果不對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，不及時(shí)修補(bǔ)和維護(hù)，會(huì)影響車(chē)輛通行的安全和穩(wěn)定?？紤]到山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，需要采用先進(jìn)、可靠的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和平臺(tái)進(jìn)行常態(tài)化的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)結(jié)果評(píng)估和分析，掌握橋梁的狀態(tài)和損傷情況，據(jù)此制定相關(guān)對(duì)策，及時(shí)修補(bǔ)，確保車(chē)輛通行安全。

1 相關(guān)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是指應(yīng)用信息傳感器和射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描等技術(shù)，實(shí)時(shí)采集物體的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息、節(jié)點(diǎn)和部位連接數(shù)據(jù)信息、物體互動(dòng)過(guò)程信息等，具體包括聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置、時(shí)間等各種信息。在獲取信息后，進(jìn)行分析和重組，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)置和端口，將物和物、人和物有效連接，最終對(duì)物品進(jìn)行智能化感知和識(shí)別、管理等。

1.2 橋梁健康監(jiān)測(cè)概述

當(dāng)前的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體包括：傳感系統(tǒng)，可以將監(jiān)測(cè)的物理信息轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)；信息采集和處理系統(tǒng)，可以對(duì)安裝在監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)處的信息采集傳感系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理；通信系統(tǒng)，可以將采集、處理后的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；監(jiān)控中心和報(bào)警設(shè)施，可以對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)診斷、分析和處理，明確病害的位置、原因、程度等，評(píng)估橋梁的健康狀況，如果存在異常會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

橋梁健康監(jiān)測(cè)是指根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)相關(guān)的性能指標(biāo)，如可靠性、耐久性、穩(wěn)固性、耐腐蝕性等，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析等方法對(duì)橋梁工程運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)進(jìn)行觀察和分析，得出相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

通過(guò)這種常態(tài)化、日?；谋O(jiān)測(cè)，有效發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷情況、損傷部位、損傷危害性問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和性能進(jìn)行評(píng)估、分析，監(jiān)測(cè)橋梁工程在異常氣候環(huán)境、交通條件、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的最大荷載承受力和預(yù)警信號(hào)，為后期檢修和維護(hù)、保養(yǎng)、管理等工作提供信息依據(jù)。

當(dāng)前的橋梁健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性、穩(wěn)定性、可靠性的分析和管理，決策部門(mén)的信息獲取。

在監(jiān)測(cè)時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、交通條件、橋梁工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件等，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，明確監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和重難點(diǎn)，制訂相關(guān)計(jì)劃和方案，并考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、可行性條件，最終明確具體的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[1]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的必要性

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)現(xiàn)有的橋梁工程運(yùn)營(yíng)里程逐漸延長(zhǎng)，數(shù)量多，是城市發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施。在橋梁建設(shè)的過(guò)程中，還沒(méi)有完整、先進(jìn)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是在橋梁工程數(shù)量增多的情況下，對(duì)于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求和市場(chǎng)也逐漸擴(kuò)大。在我國(guó)一些地區(qū)的橋梁工程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到了橋梁工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。當(dāng)前，基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、中轉(zhuǎn)和應(yīng)用處理等各個(gè)模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊具體包括傳感器、傳感網(wǎng)和巡檢設(shè)備等，傳輸模塊具體包括各種軟件，中轉(zhuǎn)模塊具體包括數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)等，應(yīng)用處理模塊具體包括通行和荷載等。橋梁是現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分，在投入運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，會(huì)受到各種因素的影響，出現(xiàn)老化、疲勞、受損的問(wèn)題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橋梁因?yàn)橘|(zhì)量病害等問(wèn)題，誘發(fā)了許多坍塌和交通安全事故，需要相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)重視，定期對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的性能、使用壽命、安全性等健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，把握其健康狀況，為后期橋梁結(jié)構(gòu)安全養(yǎng)護(hù)和管理提供指導(dǎo)。當(dāng)前的橋梁健康監(jiān)測(cè)主要依靠人力進(jìn)行，方法落后、單一，無(wú)法滿(mǎn)足要求，且成本高和效率低下，對(duì)此需要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題，有效進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[2]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在山區(qū)橋梁運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用

3.1 在車(chē)輛超載監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在橋梁工程運(yùn)營(yíng)中，車(chē)輛超載會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成無(wú)法修補(bǔ)的損傷，尤其是一些貨車(chē)。在監(jiān)測(cè)時(shí)，可以在橋梁兩端安裝路面壓力傳感器，基于物聯(lián)網(wǎng)獲取車(chē)輛載重的數(shù)據(jù)信息，識(shí)別車(chē)輛類(lèi)型，獲取違規(guī)車(chē)輛的車(chē)牌數(shù)據(jù)信息等。對(duì)數(shù)據(jù)信息分析后，可以進(jìn)行分級(jí)警告，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)路面的總荷載量。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用下，創(chuàng)建智能化管理平臺(tái)，將其應(yīng)用到交通設(shè)施管理中，可以對(duì)橋梁工程的運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)超載貨車(chē)通過(guò)橋梁時(shí)，橋端埋深的智能感知線圈會(huì)自動(dòng)感知橋梁路面的受力變化情況，將感知的數(shù)據(jù)信息傳遞給智能平臺(tái)，啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警功能，最終全方位監(jiān)測(cè)橋梁的荷載和運(yùn)行異常情況。工作人員可以根據(jù)報(bào)警提示，及時(shí)通過(guò)工作平臺(tái)處理違規(guī)車(chē)輛。

3.2 在橋梁健康狀況監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

為了把握不同橋梁工程的使用壽命、結(jié)構(gòu)耐久性等健康狀態(tài)，可以在橋梁的兩端埋設(shè)不同類(lèi)型的傳感設(shè)備，并創(chuàng)建信息搜集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，利用無(wú)線傳輸技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳遞到平臺(tái)節(jié)點(diǎn)中。通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸通道將數(shù)據(jù)信息存入平臺(tái)應(yīng)用層，進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、分析，為后期制訂相關(guān)方案提供依據(jù)和指導(dǎo)，便于工作人員制定防范和控制對(duì)策。當(dāng)橋梁工程損傷嚴(yán)重時(shí)，則可以拆除傳感設(shè)備，比如，在某個(gè)橋梁中，安裝了不同類(lèi)型的傳感器等硬件設(shè)備，通過(guò)這些傳感器可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和變化情況，如應(yīng)力變化、裂縫、位移、變形、撓度、傾斜角、溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)車(chē)輛荷載信息進(jìn)行獲取，尤其車(chē)型、車(chē)速、車(chē)重等信息都可以全面獲?。粚?duì)墩柱砸到的傾斜和顛覆情況、滑動(dòng)等信息進(jìn)行感知；對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沉降和橋面線形等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析[3]。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以準(zhǔn)確獲取橋梁結(jié)構(gòu)狀況和基礎(chǔ)沉降、車(chē)輛運(yùn)行等數(shù)據(jù)信息。獲取后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，最終進(jìn)行電子化的管理，提高管理水平，有效掌握橋梁的健康狀況。

另外，技術(shù)人員也可以進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，詳細(xì)檢查，對(duì)橋梁的外觀進(jìn)行分析。可以通過(guò)測(cè)量、手機(jī)拍攝、掃描的方法，獲取數(shù)據(jù)信息，由管理人員通過(guò)計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)信息，有效掌握橋梁的健康情況，為后期處理各種突發(fā)情況、修復(fù)病害、運(yùn)營(yíng)管理等提供依據(jù)。總之，基于物聯(lián)網(wǎng)，創(chuàng)建智慧橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，可以自動(dòng)繪制圖像，自動(dòng)生成相關(guān)建議和措施。通過(guò)智慧橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，為后期責(zé)任追究和事故索賠提供依據(jù)和指導(dǎo)。

3.3 在橋梁結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也可以應(yīng)用在橋梁工程結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測(cè)中，可以對(duì)橋梁受到的外力影響和破壞情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的疲勞和受損情況，及時(shí)預(yù)防和控制。一般在橋梁工程前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工中，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的異常情況和質(zhì)量等級(jí)。更需要在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和分析，可以通過(guò)一種信息化的方法，對(duì)橋梁的整體運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行常態(tài)化、精細(xì)化的監(jiān)測(cè)和控制，尤其是使用時(shí)間久的橋梁工程[4]。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在山區(qū)橋梁運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用技術(shù)

4.1 光纖光傳播傳感技術(shù)

采用光纖光傳播傳感技術(shù)可以將不同類(lèi)型的傳感器有效串接在相同的光纖中，提高系統(tǒng)的集成性；在進(jìn)行單根光纖串接時(shí)，需要科學(xué)控制傳感器的距離，有效提高遠(yuǎn)程信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)量精度和分辨率；光纖傳感器可以確保光纖傳播數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，將其作為最終的測(cè)量數(shù)值，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；光纖傳感器的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以應(yīng)用在一些高溫、高濕、化學(xué)腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中，其質(zhì)量輕、體積小、安裝操作便捷，優(yōu)勢(shì)顯著。在具體使用時(shí)，可以準(zhǔn)確測(cè)量其中的光信號(hào)波的長(zhǎng)度，不受光強(qiáng)波動(dòng)和傳輸光纖彎曲損耗影響。光纖傳感器具有自動(dòng)修復(fù)功能，一般在橋梁工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)時(shí)，需要將傳感器的一端串接光纖網(wǎng)絡(luò)分析儀器的一端，實(shí)時(shí)獲取傳感器接收的信號(hào)。如果在操作使用中，發(fā)生了串接線路斷裂的情況，可以中斷一端，將另外一端進(jìn)行連接，確保分析儀器可以自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

總之，光纖傳感系統(tǒng)下的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用平臺(tái)，以橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)為核心，采用光纖光傳播傳感技術(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)橋梁關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)變形情況、環(huán)境溫度和濕度變化、地下水位變化、結(jié)構(gòu)振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，該系統(tǒng)也是一種綜合性系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境、不同荷載、不同條件下的結(jié)構(gòu)變化情況，為后期制定修復(fù)和保護(hù)措施提供依據(jù)和指導(dǎo)，進(jìn)一步提高橋梁運(yùn)營(yíng)管理水平，確保橋梁運(yùn)營(yíng)的安全和穩(wěn)定，有效預(yù)防各種病害的發(fā)生，提高橋梁的使用壽命。

4.2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

在當(dāng)前的橋梁工程技術(shù)的發(fā)展下，大跨度橋梁設(shè)計(jì)促使橋梁結(jié)構(gòu)更加多樣、靈活，可以抵抗外界溫度、風(fēng)力、地震等因素的荷載和沖擊，尤其是在有限元模型升級(jí)、結(jié)構(gòu)異常響應(yīng)預(yù)測(cè)、安全狀況評(píng)估中，發(fā)揮重要的作用。當(dāng)前，在橋梁工程變形、撓度、沉降等位移性測(cè)量中，需要有先進(jìn)技術(shù)的支撐。比如，可以采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過(guò)在橋梁中安裝定位傳感器，監(jiān)測(cè)健康狀況，如圖1 所示。

該系統(tǒng)主要對(duì)橋梁的絕對(duì)位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù)信息，監(jiān)測(cè)橋梁的位移情況，是一種差分系統(tǒng)。該系統(tǒng)具體包括定位基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站、通信系統(tǒng)等。其中，基準(zhǔn)站可以獲取衛(wèi)星差分信息系統(tǒng)接收到的光纖信號(hào)，后將其傳遞到監(jiān)測(cè)站內(nèi)，監(jiān)測(cè)站主要接收衛(wèi)星信號(hào)和基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)信息，通過(guò)實(shí)時(shí)差分得出基準(zhǔn)站的三維空間坐標(biāo)，并將最終的結(jié)果傳遞到監(jiān)控中心中。通過(guò)監(jiān)控中心對(duì)接收機(jī)的定位差分結(jié)果進(jìn)行分析，以此把握橋面和橋墩的位移程度、計(jì)算轉(zhuǎn)角，為管理部門(mén)進(jìn)行安全監(jiān)管和控制提供依據(jù)。當(dāng)前，該系統(tǒng)已經(jīng)得到了較快的發(fā)展，推動(dòng)了橋梁健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，但是還存在一定的技術(shù)性限制問(wèn)題，導(dǎo)致應(yīng)用范圍小。對(duì)此在未來(lái)還需要加強(qiáng)研究和分析，做好以下幾個(gè)方面工作：第一，提高定位測(cè)量質(zhì)量，確保衛(wèi)星定位能見(jiàn)距離適中，科學(xué)應(yīng)用幾何學(xué)，保證信號(hào)傳輸質(zhì)量，注意定位系統(tǒng)光波通過(guò)電離層和對(duì)流層時(shí)的時(shí)間；第二，解決衛(wèi)星設(shè)備在不同空間位置上的定位精準(zhǔn)度差異，對(duì)不同城市的地質(zhì)條件和通信條件進(jìn)行分析；第三，盡量將測(cè)量精準(zhǔn)度控制在厘米和毫米之內(nèi)，有效提高其精準(zhǔn)度。

4.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)

當(dāng)前，在橋梁健康監(jiān)測(cè)中，需要在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)安裝傳感器，將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)教幚碇行?；在處理完成后，?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)；通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)，再次傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；最終，通過(guò)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控中心，確保系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)異常后自動(dòng)報(bào)警，便于掌握橋梁的具體運(yùn)行情況。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)還處于起步階段，基于物聯(lián)網(wǎng)可以獲得較快的發(fā)展，市場(chǎng)前景好，且在橋梁逐步老化的情況下，市場(chǎng)需求會(huì)進(jìn)一步增加。對(duì)傳感器設(shè)備的使用壽命進(jìn)行分析，橋梁健康監(jiān)測(cè)市場(chǎng)是循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的。如果在橋梁工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)、施工等階段，制訂基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)方案，則會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)。當(dāng)前自然環(huán)境復(fù)雜多變，地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，橋梁健康監(jiān)測(cè)是一個(gè)有前景的市場(chǎng)，在一些地區(qū)的需求會(huì)持續(xù)高漲。因此需要加強(qiáng)重視，不斷完善現(xiàn)有的基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分發(fā)揮系統(tǒng)的安全監(jiān)管職責(zé)和作用。