客運專線鐵路橋梁振動實時監測技術研究

郭建康

(烏魯木齊鐵路局 烏魯木齊高鐵工務段，新疆 烏魯木齊 830011)

隨著我國經濟的快速發展，近年來我國客運專線建設突飛猛進。新建客運專線橋梁長度和數量通常都較大，使得既有鐵路橋梁檢查的工作量大幅度增加，而高速通過的列車對橋梁的穩定性有非常高的要求，因此需要管理單位及時掌握橋梁狀態。

最早的橋梁結構損傷檢測大多采用以人工作業為主。人工作業主觀性較強，作業效果差，不夠迅速。隨著經濟、技術發展，目前已有很多大型橋梁從設計之初就在橋梁關鍵部位采用有線布網的方式布設振動加速度傳感器進行振動監測，如蘇通大橋[2]、潤揚長江大橋[3]等。

有線網絡監測方式相比于傳統的人工作業方式，具有信號易于提取，且能夠實現對橋梁結構長期實時監測等優點。但同時也存在諸多不足，如測試準備工作繁重、布線繁瑣、自動化程度低、配套工程較多等[4]。解決上述問題最有效的方式是采用無線傳感器網絡[5]，其具有結構尺寸小、成本低廉、布置靈活、測試精度高等特點。在橋梁結構檢測中使用無線傳輸已經開始受到廣泛關注[6]。因此，開展鐵路橋梁振動無線實時監測監控工作具有現實意義。

本文對橋梁振動無線監測效果進行論述，選取蘭新客專紅燕南路立交特大橋4孔梁作為試驗對象進行測試，通過對檢測數據的對比分析，掌握橋梁振動無線監測系統的優缺點，從而對現場橋梁檢查作業起到良好的指導作用。

1 實時監測系統組成和工作方法

客運專線橋梁振動無線監測系統由位移傳感器、基于GPRS的無線數據傳輸模塊的遠程通信子系統、監測控制中心、供電系統、前端數據采集子系統、中心數據處理子系統組成。系統工作原理：由數據采集儀采集存儲位移傳感器發送的振動模擬信號，數據傳輸器通過無線通信網絡將存儲的數據發送至監控中心，監控中心自動對數據進行初步分析備份，對監測數據進行篩選，標識出異常數據，同時監控中心也可以向橋梁現場位移傳感器發送各種指令來控制監測點的運行[7]。

數據采集模塊將位于橋梁不同部位傳感器測到的振動或者加速度信號后經信號調理后，再經過A/D 轉換后送入單片機，單片機將數據通過GPRS模塊發送至遠程監控中心。同時，各個采集子單元的主板都帶有USB接口，可以在測試現場對采集的數據保存到相應的U盤中，并將數據同時發送到移動的GPRS網絡。GPRS傳輸網絡的終端部分是GPRS DTU。GPRS DTU的4個核心功能是：內部集成 TCP/IP協議棧，提供串口數據雙向轉換功能，支持永久在線，支持參數配置和永久保存。通過有線的數據采集中心,可以同時與很多個 GPRS DTU進行雙向通信。

監控中心站程序設計采用VC++ 6.0作為開發工具，其軟件包括監測中心控制界面及初始化程序，數據包的收發程序、數據處理和保存程序。其中最重要的是監控中心計算機與 GPRS無線通信模塊之間的通信，它是實現數據包接收和發送的關鍵。VC++6.0 提供了網絡端口通信控件WINSOCK，能夠方便地實現計算機網絡端口的掃描和偵聽。通過設置一個固定不被計算機占用的端口作為通信端口，然后不斷地偵聽這個端口的狀態。一旦發現端口中有數據包接收，那么開始把數據放入數據緩沖區，然后接收，并且調用相關的中斷處理程序處理相應的數據。監控軟件的功能分為2大部分：①遠程管理現場采集單元和遠程實時顯示當前極值數據;②當列車通過后查看波形數據，并可以進行顯示和分析。監控軟件的工作狀態相應分為遠程和本地2種，遠程指的是通過GPRS網絡與現場采集單元進行通信，具體的包括遠程配置、遠程查詢、遠程實時調用數據等。本地指的是軟件處理現場采集單元中U盤上的數據或者實時上傳數據文件，具體包括時域波形顯示、縮放、頻譜分析、打印、統計報表等功能。

現場采集單元可單獨使用，一個采集單元就是一個測試點即通常所說的測試通道。采集單元包括：橋梁橫向振動監測單元、橋梁豎向振動監測單元和橋梁振動加速度監測單元。現場采集單元內部附帶電源，能夠自動識別所監測信號，在對信號進行放大、濾波及其他一些操作后并將信號自動保存下來。保存的方式有2種：內部RAM及外插U盤上。內部RAM中的數據可以無線傳送到后臺監控以便現場查看、分析，U盤的數據可以作為存檔以備事后分析處理。

2 前期準備

系統可靠性是衡量系統穩定性、數據準確性的重要指標。在研究開發過程中，項目組選取橫向振幅、豎向振幅、豎向加速度3個指標評價蘭新客運專線鐵路橋梁設備運行特點，對無線采集單元的電路、機械結構、安裝方式，采集數據的微功率大范圍(2 000 m)傳輸，數據集中器的可靠遠程通信、設備的安裝固定，中心處理系統數據庫結構、圖形顯示界面、數據快速查詢等技術和裝置進行了深入研究和不斷改進[8-10]。

為了確保監測數據的可靠性，課題組在無線實時監測系統完成后在振動臺上進行了標定，同時用有線監測設備和無線監測系統進行測試。橫向振動值無線實時監測系統與有線監測系統誤差為6.6‰，豎向振動值無線實時監測系統與有線監測系統誤差為5.2‰，測試結果如圖1所示[11-12]。

3 現場檢測效果

選用TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定(試行)》規定的常用跨度預應力混凝土雙線簡支箱梁梁體跨中橫向振幅通常值、常用跨度預應力混凝土雙線簡支箱梁梁體跨中豎向振動加速度通常值、常用跨度預應力混凝土雙線簡支箱梁梁體跨中豎向振幅通常值3項指標作為主要測試對象。在蘭新客專紅燕南路立交特大橋選取4孔梁進行監測，為了驗證無線振動實時監測系統可靠性，使用烏魯木齊鐵路局工務檢測所用的儀器對紅燕南路立交特大橋1孔至4孔梁進行監測，與無線振動實時監測項目同步進行，以復核監測結果，其中主要對橋跨結構的橫向振動、豎向振動、豎向加速度3項指標監測數據進行對比，對比結果如圖2所示。

由圖2可見3次監測圖形波形走勢高度一致，證明系統可靠性和重復性很好。經過一段時間的現場運用，無線實時監測系統運行穩定，測量數據準確，系統功能完善，經現場應用，能夠滿足工務部門橋梁振動實時監測需求。

圖2 第1孔跨中振動參數對比

4 結語

隨著鐵路運輸朝著高速、重載的方向不斷發展，對橋梁經常性檢查觀測工作日益重要，需要橋梁維護人員能夠及時、方便地了解橋梁狀態，方便養護維護。無線實時監測技術能夠及時發現鐵路橋梁橋跨結構在橫向和豎向剛度存在的問題，有針對性地進行橋梁檢查工作。無線監測技術不但適用于高速鐵路橋梁實時監測，且只需要對個別參數進行調整，即可運用于普速鐵路橋梁的監測。無線監測技術具有造價低、適用范圍廣的特點，特別適用大跨度橋梁、日常檢查困難地區橋梁和立交橋梁，具有極高的推廣價值。

[1]吉林,丁華平,沈慶宏.基于無線傳感器網絡的橋梁結構健康監測[J].南京大學學報(自然科學),2011,47(1):19-24.

[2]余波,邱洪興,王浩，等.蘇通大橋結構健康監測系統設計[J].地震工程與工程振動,2009,29(4):170-177.

[3]李愛群,繆長青,李兆霞，等.潤揚長江大橋結構健康監測系統研究[J].東南大學學報(自然科學),2003,33(5):544-548.

[4]王海新.智能型無線數傳橋梁振動檢測分析系統研究與應用[J].上海鐵道科技,2007(1):16-17.

[5] POTTIE G,KAISER W.Wireless Sensor Networks[J].Communications of the ACM,2000,43(5):551-558.

[6] LYNCH J P,KENNETH J L.A Summary Review of Wireless Sensors and Sensor Networks for Structural Health Monitoring[J].The Shock and Vibration Digest,2006,38(2):91-128.

[7]蔡建軍,劉芳,楊連軍,等.基于結構實時響應的錢塘江大橋安全監測系統[J].鐵道建筑，2014,54(5):21-26.

[8]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號 鐵路橋梁檢定規范[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[9]中國鐵路總公司.[2014]232號 高速鐵路橋梁運營性能檢定規定(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[10]中國鐵路總公司.TG/01—2014 鐵路技術管理規程(高速鐵路部分)[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[11]中華人民共和國化學工業部，全國電子測量儀器標準化技術委員會.GB 6587.7—1986 電子測量儀器基本安全試驗[S].北京：中國標準出版社，1987.

[12]中華人民共和國機械電子工業部，全國電子測量儀器標準化技術委員會.GB 11463—1989 電子測量儀器可靠性試驗[S].北京：中國標準出版社，1989.