橋梁工程中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：橋梁工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警對(duì)提高橋梁的運(yùn)營管理水平和安全性能至關(guān)重要。通過采用混合式系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合應(yīng)變傳感器、加速度傳感器和光纖傳感器，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSN）和有線網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，包括隨機(jī)森林（RandomForest，RF）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）和支持向量機(jī)（SupportVectorMachine，SVM），對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。在系統(tǒng)實(shí)施過程中，選取了杭州灣跨海大橋、武漢長江大橋和成都二環(huán)高架橋作為案例，進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)施與效果評(píng)估。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在監(jiān)測準(zhǔn)確性、預(yù)警及時(shí)性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和用戶滿意度等方面表現(xiàn)優(yōu)異，能夠顯著提升橋梁的安全管理水平。研究可為橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測及預(yù)警實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：橋梁工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)效果評(píng)估

DesignofStructuralHealthMonitoringandEarlyWarningSysteminBridgeEngineering

ZHANGXing*

（ChengwuCountyHighwayDevelopmentCenter，Heze，ShangdongProvince，274200China.）

Abstract：Thispaperaimstodesignandvalidateastructuralhealthmonitoringandearlywarningsystemsuitableforbridgeengineering.Thestudyadoptsahybridsystemarchitecturethatintegratesstrainsensors，accelerometers，andfiberopticsensors，u3jT124SKLOV2J5B4j1mwiw==tilizingbothwirelesssensornetworks（WSN）andwirednetworksforreal-timedatacollectionandtransmission.Byincorporatingmachinelearningalgorithms，includingRandomForest，ArtificialNeuralOB05iKdBxgj+PSZrRKLsMA==Network，SupportVectorMachine，themonitoringdataareanalyzedandprocessed.Duringsystemimplementation，HangzhouBayBridge，WuhanYangtzeRiverBridge，andChengduSecondRingRoadElevatedBridgewereselectedascasestudiesforsystemimplementationandperformanceevaluation.Resultsshowthedesignedsystemexcelsinmonitoringaccuracy，earlywarningtimeliness，systemstability，andusersatisfaction，significantlyenhancingbridgesafetymanagement.Thisresearchprovidestheoreticalfoundationandtechnicalsupportforthepracticalapplicationofstructuralhealthmonitoringandearlywarningsystemsinbridgeengineering.

KeyWords：Bridgeengineering;Structuralhealthmonitoring;Earlywarningsystem;Performanceevaluation.

橋梁是現(xiàn)代交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其安全性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。近年來，全球范圍內(nèi)橋梁事故頻發(fā)，因此，迫切需要發(fā)展基于現(xiàn)代信息技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)[2]。當(dāng)前，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測主要通過在橋梁上布設(shè)各種形式的傳感器，并通過數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至中心控制系統(tǒng)[3]，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的異常狀態(tài)，為橋梁的維護(hù)和保養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)。

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測及預(yù)警方面的研究主要集中在監(jiān)測技術(shù)、預(yù)警系統(tǒng)和實(shí)際應(yīng)用3個(gè)方面[4]。目前廣泛應(yīng)用的橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)有數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)采集與傳輸及傳感器等技術(shù)[5]，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）的應(yīng)用顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴，F(xiàn)有研究中，預(yù)警指標(biāo)主要基于橋梁的應(yīng)力、變形、振動(dòng)等參數(shù)[6]。盡管橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的研究取得了許多進(jìn)展[7]，但仍存在一些不足和問題，如傳感器的耐久性和可靠性仍需提高、數(shù)據(jù)丟失和信號(hào)干擾等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生、處理大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算效率低等。

本文擬研究高性能傳感器技術(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，提高數(shù)據(jù)分析和預(yù)警的效率和準(zhǔn)確性，旨在為橋梁工程的管理及健康監(jiān)測提供技術(shù)支持。

1橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)架構(gòu)的規(guī)劃與選擇。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性和成本等因素。目前，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括集中式架構(gòu)、分布式架構(gòu)和混合式架構(gòu)[8]。綜合考慮監(jiān)測系統(tǒng)需求及各種架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇混合式架構(gòu)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案?；旌鲜郊軜?gòu)不僅能夠有效提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性和容錯(cuò)能力，還能夠集中處理數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測系統(tǒng)的高效運(yùn)行。混合式架構(gòu)示意圖如圖1所示，架構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。在混合式架構(gòu)中，各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)配置高性能傳感器和邊緣計(jì)算設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和初步處理。處理后的數(shù)據(jù)通過WSN傳輸至中央控制單元，中央控制單元對(duì)匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理，生成橋梁健康狀態(tài)評(píng)估報(bào)告，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。

1.2傳感器布置

傳感器布置是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。合理的傳感器布置不僅能夠準(zhǔn)確捕捉橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和振動(dòng)等狀態(tài)，還能夠確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中常用的傳感器包括應(yīng)變傳感器、加速度傳感器和光纖傳感器。傳感器的布置策略直接影響監(jiān)測系統(tǒng)的性能和效果[9]。傳感器布設(shè)應(yīng)考慮以下方面：（1）布設(shè)于橋梁結(jié)構(gòu)（如主梁、橋墩和支座等）的關(guān)鍵位置；（2）在橋梁結(jié)構(gòu)上均勻布設(shè)，避免監(jiān)測盲區(qū)；（3）不同部位和層次均應(yīng)布設(shè)傳感器，實(shí)現(xiàn)多層次和全方位的監(jiān)測；（4）選擇適應(yīng)性強(qiáng)的傳感器，確保傳感器的長期穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際布設(shè)時(shí)，應(yīng)變傳感器和加速度傳感器應(yīng)布設(shè)在橋梁主梁和橋墩關(guān)鍵位置，并通過固定裝置牢固安裝在橋梁結(jié)構(gòu)上，確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性（見圖3）。圖3中，應(yīng)變傳感器布置在橋梁主梁和橋墩的關(guān)鍵位置，加速度傳感器分布在橋梁的不同部位，用于監(jiān)測橋梁的振動(dòng)狀態(tài)。

1.3數(shù)據(jù)采集與傳輸

在數(shù)據(jù)采集之后，傳感器收集到的數(shù)據(jù)需要通過可靠的傳輸方式傳送到中央控制單元進(jìn)行處理和分析[10]。目前常用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議包括WSN、有線網(wǎng)絡(luò)和混合網(wǎng)絡(luò)。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕疚牟捎没旌暇W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將WSN與有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用。在傳感器節(jié)點(diǎn)與本地?cái)?shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)之間采WSN，實(shí)現(xiàn)靈活的傳感器布置和數(shù)據(jù)收集；在本地?cái)?shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與中央控制單元之間采用有線網(wǎng)絡(luò)，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖4所示。圖4中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過WSN將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜財(cái)?shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制單元。

1.4數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)分析與處理是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的是從大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取有用信息，識(shí)別出橋梁結(jié)構(gòu)的潛在異常，進(jìn)而提供科學(xué)的健康評(píng)估和預(yù)警信息。目前，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的方法主要包括傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析方法、有限元分析方法，以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的方法[11]。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠較大幅度提高數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確度。常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）、隨機(jī)森林（RandomForest，RF）等。

本文選擇了某大型橋梁（應(yīng)力、變形、振動(dòng)）為期一年的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，通過對(duì)比不同算法的分析效果，評(píng)估其在異常檢測和健康狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用價(jià)值。利用支持向量機(jī)（SupportVectorMachine，SVM）、RF和ANN這3種機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，比較其異常檢測和健康狀態(tài)評(píng)估的效果，各算法效果對(duì)比結(jié)果如圖5所示。通過分析可知：ANN在整體健康狀態(tài)評(píng)估中表現(xiàn)最佳，而SVM在應(yīng)力和變形監(jiān)測中具有較高的精度和泛化能力。

2預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1預(yù)警指標(biāo)與閾值設(shè)定

在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，預(yù)警指標(biāo)和閾值設(shè)定是確保系統(tǒng)有效預(yù)警和響應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。預(yù)警指標(biāo)的選擇和閾值的設(shè)定直接關(guān)系到系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，且應(yīng)遵循敏感性、可測性、代表性和實(shí)用性原則。常用的閾值設(shè)定方法包括統(tǒng)計(jì)分析法、經(jīng)驗(yàn)法和標(biāo)準(zhǔn)法。在不同環(huán)境條件下，橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)警閾值需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2預(yù)警算法

預(yù)警算法是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，其主要功能是通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，實(shí)時(shí)識(shí)別和預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。選擇適合的預(yù)警算法需要綜合考慮準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可解釋性原則。常用的預(yù)警算法包括SVM、RF、ANN等。適宜的預(yù)警算法選取步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理→特征選擇→模型訓(xùn)練→模型驗(yàn)證→模型優(yōu)化。

2.3預(yù)警信息發(fā)布與響應(yīng)

在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，預(yù)警信息的發(fā)布與響應(yīng)是保障橋梁安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。通過及時(shí)和準(zhǔn)確地發(fā)布預(yù)警信息，并采取相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)措施，可以有效預(yù)防橋梁結(jié)構(gòu)事故的發(fā)生。預(yù)警信息的發(fā)布需要通過多種渠道和方式，確保相關(guān)部門和人員能夠及時(shí)獲取預(yù)警信息并采取行動(dòng)。預(yù)警信息發(fā)布后，需要建立完善的響應(yīng)機(jī)制，確保相關(guān)部門和人員能夠迅速采取應(yīng)急措施。響應(yīng)機(jī)制包括應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急演練、資源調(diào)度等。具體響應(yīng)措施包括：緊急檢查、交通管制、維護(hù)修復(fù)、信息通報(bào)等。

3橋梁工程應(yīng)用實(shí)例分析

3.1案例分析

為了驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，本文選取了具有代表性的橋梁工程作為研究案例。案例選取原則包括：（1）選擇結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、監(jiān)測需求高的橋梁工程，以確保研究結(jié)果的廣泛適用性和實(shí)用性；（2）選擇不同環(huán)境條件下的橋梁，如城市高架橋、跨海大橋、高山橋梁等，以驗(yàn)證系統(tǒng)在不同環(huán)境下的適應(yīng)性；（3）選擇具有豐富監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史記錄的橋梁，以便進(jìn)行系統(tǒng)的分析和驗(yàn)證；（4）選擇對(duì)交通運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響的關(guān)鍵橋梁工程，以確保研究結(jié)果的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。案例選取標(biāo)準(zhǔn)及背景信息如表2所示。

案例1：杭州灣跨海大橋。杭州灣跨海大橋是連接浙江省嘉興市與寧波市的跨海大橋，全長36km，是世界上最長的跨海大橋之一，橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣，受海洋氣候和鹽霧腐蝕影響較大。選取變形情況、應(yīng)力、振動(dòng)頻率、腐蝕和溫度等進(jìn)行分析。

案例2：武漢長江大橋。武漢長江大橋是橫跨長江的重要交通樞紐，全長1.6km，連接漢陽區(qū)與武昌區(qū)，是中國第一座公鐵兩用橋梁，橋梁歷史悠久、結(jié)構(gòu)獨(dú)特。選取應(yīng)力、變形情況、振動(dòng)頻率、交通負(fù)荷和溫度等參數(shù)進(jìn)行分析。

案例3：成都二環(huán)高架橋。成都二環(huán)高架橋是成都市區(qū)的重要交通干道，全長28km，橋梁跨度大，車流量高，是城市交通的重要組成部分。選取應(yīng)力、變形情況、振動(dòng)頻率、交通負(fù)荷和溫度等參數(shù)進(jìn)行分析。

3.2系統(tǒng)實(shí)施與效果評(píng)估

系統(tǒng)實(shí)施過程包括前期準(zhǔn)備、傳感器安裝、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)分析與處理平臺(tái)搭建，以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試。系統(tǒng)實(shí)施后的效果評(píng)估主要包括以下指標(biāo)：應(yīng)力、變形、振動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確度，預(yù)警信息發(fā)布的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，設(shè)備故障率等。最后，收集用戶對(duì)系統(tǒng)的反饋，評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果和用戶滿意度，結(jié)果如表3所示。

4結(jié)論

本文圍繞橋梁工程中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開研究，通過對(duì)不同架構(gòu)方案的對(duì)比分析，最終選擇了混合式架構(gòu)，并詳細(xì)論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。本文還通過實(shí)際案例分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可操作性。主要得出以下結(jié)論。

（1）混合式架構(gòu)結(jié)合了集中式和分布式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的高效運(yùn)行需求，提供了可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。

（2）通過合理選擇傳感器類型和布置方案，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）采用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)、隨機(jī)森林和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能有效提高數(shù)據(jù)分析和預(yù)警的效率和準(zhǔn)確性。

（4）合理選擇和優(yōu)化預(yù)警算法，能確保預(yù)警信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，顯著提升系統(tǒng)的預(yù)警能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 韋衛(wèi).堡子坪大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)方案[J].城市道橋與防洪，2018（3）：159-161.

[2] 張立.城市道路和橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與維護(hù)[J].散裝水泥，2024（1）：105-107.

[3] 周桂蘭，徐愷奇.大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2019，15（4）：168-169.

[4] 孫利民，尚志強(qiáng)，夏燁.大數(shù)據(jù)背景下的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究現(xiàn)狀與展望[J].中國公路學(xué)報(bào)，2019，32（11）：1-20.

[5] 曹威，徐一超.基于LabVIEW的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程技術(shù)研究，2020，5（18）：204-205.

[6] 康佩，劉旨陽，王玨輝.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2018（24）：62-64.

[7] 張敬偉，滿新杰.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在公路橋梁養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2023，19（S1）：143-146.

[8] 李鵬.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評(píng)估及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法研究[J].江西建材，2023（6）：91-93.

[9] 王子龍.新型無監(jiān)督聚類算法監(jiān)測與評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況[J].市政技術(shù)，2024，42（1）：68-72.

[10] 李帆.云計(jì)算技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].公路，2022，67（4）：177-181.

[11] 景亞彪.中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].科技資訊，2022，20（17）：106-108.