無線傳感器支持下橋梁結構健康監測研究

楊松

摘 要：在新建及改擴建橋梁工程不斷增多的背景下，橋梁結構健康監測的重要性日益凸顯。通過在橋梁結構健康監測中引入和應用無線傳感器等先進技術，有助于增強相應健康監測系統運行的可靠性，縮短安裝周期，降低建設成本，也有助于增強監測結果精度。文章基于橋梁結構健康監測工作現狀，著重就基于無線傳感器支持的專項監測系統及應用進行了探討。

關鍵詞：橋梁結構；健康監測；無線傳感器

中圖分類號：U446 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0058-02

Abstract： In the context of the increasing number of new and expanded bridge projects， the importance of bridge structural health monitoring has become increasingly prominent. By introducing and applying advanced technologies such as wireless sensors in bridge structural health monitoring， the reliability of the corresponding health monitoring system can be enhanced， the installation period can be shortened， the construction cost can be reduced， and the accuracy of the monitoring results can also be enhanced. Based on the current situation of bridge structural health monitoring， this paper mainly discusses the special monitoring system based on wireless sensor and its application.

Keyword： bridge structure； health monitoring； wireless sensor

橋梁作為構成國內健全交通網絡的一個樞紐，其運營的可靠性至關重要，不僅會對國家社會經濟發展產生影響，也關乎行車的安全性。然而，我國當下有許多現役的橋梁在長期使用后，由于人為損壞、自然災害或老化等問題影響，使得它們已經出現結構破壞等質量問題，已經逐漸無法滿足新形勢下使用需求，強化橋梁結構的定期檢修，及時發現和解決潛在結構問題具有重要意義。

1 橋梁結構健康監測的目的與內容

1.1 目的分析

大量實踐研究表明，橋梁結構使用十年以上后，橋梁結構設計環節與施工環節中所存在的質量缺陷可能會完全暴露出來，如果那些橋梁結構疲勞損傷等逐步積累，最終可能會破壞橋梁結構，影響橋梁運行的安全性。由于橋梁損傷的外在表征破壞一般不是非常顯著，最早是從內部結構破壞發展，所以非常容易誘發橋梁安全事故，影響了結構的安全性和可靠性，強化專門的結構檢查具有重要意義。傳統的橋梁結構檢測方法存在比較多的不足與缺點，影響了其實際的質量檢測效果，尤其是無法應用于檢查那些大型橋梁工程，還會浪費大量的人力物力財力，且測量周期比較長，實時性測量效果比較差。而橋梁結構健康監測則是在此背景下所誕生的一種監測方法，其相當于為橋梁構建了一套類似于人體的神經系統，可以對橋梁結構的可靠性和安全性進行全面監測，以便及時發現和解決橋梁結構檢測中發現的安全隱患和質量缺陷。

1.2 內容分析

橋梁結構健康監測具有檢測效率高、實時觀察性強，并可以實現自動化報警等功能，可以滿足橋梁結構質量檢測需求，具體檢測內容主要包括結構構件耐久性；結構以及非結構構件的運行情況；試驗荷載大小；結構構件各截面上的應力分布、支座反力和推力等；橋梁結構的各種靜態變形指標，如轉角值、撓度值、位移值以及裂縫深度和寬度等結構局部損壞情況；橋梁結構的衰減特性、周期、自振頻率等動力特性。此外，還包括評價鋼箱梁疲勞性能，混凝土開裂、堵車以及雪災等特殊問題報警等，以便可以利用該種監測理念和方法，找出常規檢測手段所無法發現的病害成因。

2 橋梁結構健康監測系統的結構構成

2.1 橋梁結構健康監測系統總體結構

橋梁結構健康監測系統則是基于上述的監測目的和內容，充分利用無損傷傳感技術等所構成的圖1所示的系統來監測和評估橋梁結構特性，可以起到監測橋梁結構退化或損傷情況的作用。通過借助該系統的合理應用，可以在大型橋梁結構出現嚴重運營情況的條件下及時發出預警信號，同時明確橋梁結構的損傷情況，為后續的橋梁結構維護管理提供必要依據，且這種監測是一種實時在線監測過程。從構成角度來講，橋梁結構健康監測系統主要包括監控中心、傳感系統、通訊系統以及數據采集與處理系統等構成，其中的傳感系統主要包括溫度計和位移計等二次儀表和傳感器所構成；監控中心是將所得到的采集數據進行分析，借助分析結果判定橋梁結構損傷的位置以及其他健康狀況；數據采集與處理系統則是收集和處理監測系統運行數據；通訊系統則是將所收集到的數據傳輸到相應的系統中的監控中心，然后通過系統平臺來反饋出相應的監測結果。

2.2 無線傳感器網絡構成

在橋梁結構健康監測系統中，無線傳感器網絡是非常重要的組成部分，其是數據傳輸及檢測的重要基礎和前提。相較于有限傳感器，無線傳感器網絡具有動態定位、路由和組網等特性，相應的節點能量也非常有限，同時可以實現橋梁結構監測數據的遠程傳輸和控制，極大地增強了橋梁健康監測結果的準確性和效率。如圖2，無線傳感器網絡主要包括匯聚節點和無線傳感器節點（數據采集節點）兩類連接節點。其中后者主要是采集傳感器數據或傳輸拉索張力計算結果數據；前者則主要是收集和傳送各個采集點的數據，同時可以向采集節點下發接受檢測平臺的控制命令。

在實際的無線傳感器網絡設計過程中，需要著重做好如下幾點，即：

（1）合理選擇無線組網形式。在設計無線傳感器網絡的過程中，主要是基于Zigbee協議來進行，相應的組網形式中除了網狀結構外，還包括樹形網絡和星型網絡等。在實際工作上，需要結合橋梁實際的結構特征和設計需求進行合理選定。比如，樹形組網方式，主要是在橋梁結構中心點位置處進行數據匯聚節點的合理布置，之后將數據采集節點設置在兩側位置處，這樣就形成了類似樹形結構的網絡。

（2）傳感器數據采集。該環節的功能作用是橋梁結構健康監測系統的最底層，其主要負責橋梁健康情況的各項參數和數據進行采集。該環節所對應的節點主要是由無線傳感器和微處理器兩部分所構成，具體型號需要結合實際情況來進行合理選定。

（3）計算橋梁結構拉索張力，具體就是借助頻率測量法，結合實際情況進行計算。考慮到數據采集點位置處的節點微處理器性能無法滿足頻率發測量拉鎖張力計算條件，可以對數據采集頻率進行適當地降低，適當地延長索力計算時間，待索力值計算完畢后再將其傳送給數據匯聚節點。然后借助GPRS技術等遠傳傳輸技術，將監測數據傳遞給遠端的服務器，這樣可以借助無線傳感器實現遠程結構健康監測的目標。

2.3 健康監測平臺構成

在橋梁結構健康監測系統中，健康監測平臺也是非常重要的組成部分，主要是存儲和分析數據的關鍵單元，具體構成部分包括如下幾點：

（1）橋梁管理部分。該部分平臺的主要作用是集中管理系統中橋梁的一些基本信息，除了傳感器信息外，還包括橋梁名稱、所處位置和建成時間，橋梁結構形式，橋梁結構運行和維護管理情況等等。通過在橋梁結構上科學安置無線傳感器，可以幫助相關監測人員更全面、更及時地了解和掌握橋梁結構的實際狀況。

（2）實時監測橋梁健康狀況。該部分主要是對橋梁結構監測數據進行實時顯示，比如環境參數、拉索張力值等等。一旦所監測到的各個橋梁的觀測值超出了限值范圍時，那么相應的監測系統就會立刻發出報警提示信息。與此同時，相應監測系統還可以同時實現比較分析幾種參數，調出和顯示歷史數據；通過控制數據采集方式，可以結合不同狀況和需求對相關橋梁結構檢測數據進行定期采集和實時監控。

（3）橋梁結構安全預警以及結構安全性評估。針對橋梁結構安全預警以及結構安全性評估分析而言，主要需要建立在數據挖掘技術的基礎上，從橋梁結構健康監測系統數據庫中挖掘出相關的大量信息，以便借助所得到的監測數據來制定科學、合理的決策規劃。與此同時，在相應橋梁結構健康監測系統中，檢測人員需要注意定期分析數據中的大量數據，對所監測橋梁結構是否存在安全隱患或質量缺陷進行判定。但是需要指派專門的檢測人員負責橋梁結構安全性和質量性檢測。

3 結束語

橋梁結構健康監測系統是發現橋梁結構質量缺陷和安全隱患的重要基礎，其數據的科學性和合理性會對橋梁結構運營管理安全性產生直接影響。而無線傳感器網絡是構成其系統及運營平臺的重要組成部分，可以實現系統遠程監控和傳輸數據，提升健康監測系統運營可靠性的目標，從而可以為國內橋梁工程建設提供必要的指導。

參考文獻：

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