橋梁健康監測系統的設計

莊志凱 陳勇 謝琪

摘 要：目前我國公路橋梁正在普及橋梁健康監測系統的建設，本文將從健康監測方案設計及系統設計兩個方面，介紹橋梁健康監測系統中的設計內容，闡述各類橋梁監測的重點內容，規劃監測系統總體構架，為橋梁監測的設計提供參考。

關鍵詞：健康監測;系統設計;總體構架 ;參數

1 引言

隨著我國公路橋梁建設技術的發展和日益完善的公路系統，橋梁建設技術也得到長足的進步，相繼建成了各類橋型的世界級跨徑橋梁。但是，橋梁的管養水平卻仍處于初級階段。

從上世紀八十年代起，我國許多特大型橋梁陸續安裝了健康監測系統，對維護橋梁安全起到了一定作用，但由于技術、系統等多方面原因，始終未發揮出最大的作用。經調查研究和近年來工程實際驗證，對于橋梁結構安全狀態的評估，不僅需要結構的各種外荷載作用下的靜動力響應的分析數據，還需要對橋梁構件及其附屬設施的外觀檢查、外部環境的記錄，對檢測、監測、檢查的所有數據和視頻、圖像甄別分析，而這些是早期從國外引進健康監測系統無法達到的。

總結現已建設橋梁管理系統或管養系統建設的特點，我國橋梁管養系統的建設將會形成信息化、大數據、專業化的發展趨勢，將由有限參數、單個的結構主體、單一的監測功能，向全結構參數、多維度的管理體系發展，最終形成城市級、省級橋梁管理平臺;橋梁基礎和實施監測數據的采集、保存由單一專項數據后期集中處理和分析，最終升入類似物聯網“云端數據中心”進行行業級的專業化管理和分析利用;系統未來技術上將更加先進、可靠，并具有更好的開放性、友好性和實用性，更能適應我國橋梁“建、管分家”的特殊特色，符合國內橋梁養護管理人員結構專業技能相對較薄弱和習慣性操作特征。

2 監測方案設計

2.1 監測的總體目標

橋梁由于受到氣候、腐蝕、材料性能退化等因素的影響，以及在長期靜動載作用下不可避免出現的各類損傷，使得橋梁工作性能的表征量——強度和剛度將隨時間的增加而呈現降低的趨勢。這一現象不僅會影響行車的安全，亦會縮短橋梁的使用壽命。為掌握橋梁運營期間的結構及行車狀態，實時或準實時地獲取橋址環境、車輛載荷對橋梁結構整體或局部所產生的效應，設置有效的安全預警機制，定期或突發事件后對橋梁的結構狀態和交通狀態作出評估，掌握大橋工作狀態的變化規律，為橋梁養護管理單位提供主動式管養建議。

橋梁健康監測系統基于結構監測獲取的信息，實現橋梁結構監測數字化、養護管理信息化，為大橋管理提供科學的決策依據，并在橋梁出現病害時有效地開展養護、維修與加固工作，提高橋梁養護管理水平，系統總體功能要求如下：

（1）系統能夠準確獲取反映結構響應、構件狀況與環境參數等信息;

（2）通過對于自動化獲取監測數據的評估結論，以及長期監測數據的統計分析得到的各項特征參數發展規律及其變化趨勢，實現對橋梁結構進行分級預警和結構狀態評估，為養護管理提供決策支持;

（3）提供橋梁監測數據的管理平臺，實現橋梁動態、靜態數據的歸檔、查詢、存儲管理等功能;

（4）系統采用主流框架、模塊化結構，各子系統以及子模塊之間相對獨立，并通過合理的集成手段進行有序融合，便于系統的檢查、維護、更換、升級;

（5）系統具有自檢、校準、控制功能，通過具體的措施和量化指標，包括硬件設備的在線診斷、更換以及軟件的升級修復;

（6）系統設計時通過有效的儲存方案，在合理的經濟范圍內，確保所存儲監測數據的代表性和全面性;

（7）通過適當的算法，實現數據分析結果的準確性、分析過程的簡便性，提高監測數據的使用效果和應用效率;

（8）通過人性化設計，將系統復雜的監測運行、監測內容和監測分析流程，簡化為易于大橋管理人員掌握和管理的操作程序，便于直觀性監測結論的獲取，實現系統人機交互界面的友好性，便于養護管理人員操作，簡化直觀性監測結果的獲取過程，并確保系統具有遠程數據共享及監測的功能。

2.2 監測的重點

橋梁監測系統設計首先要解決監測參數的確定，參數的選擇是否正確關系到監測系統正確的評估，即關系到監測系統是否能正常發揮其作用。結合橋梁的結構特點及健康監測系統的功能要求，綜合監測系統的監測內容確定主要考慮以下幾個方面的因素：

（1）環境參數監測：橋梁處于大氣環境中，長期受到橋區氣候條件和水文地質作用，結構的安全性和耐久性將會受到影響。因此，需要對橋區的主要環境參數進行重點監測。

（2）結構性能監測：為了解橋梁結構的整體工作狀態，從宏觀上分析結構工作性能的變化規律，需要重點監測橋梁整體變形參數。同時考慮局部應力、撓度等參數的監測。

2.3 監測內容

結合橋梁結構實際情況，考慮經濟、實用、緊湊的原則，對各健康監測常規的橋型監測內容建議如下表。

2.4 測點的布置

測點的布置應結合結構的橋梁實際結構形式和特點來布置。

環境參數監測測點布置：本涉及到環境風、溫濕度的監測，其中環境風的監測需考慮所布置測點一定范圍內不受結構的遮擋;對于溫濕度測點布置，重點考慮結構封閉空間溫濕度的監測。

結構性能監測測點布置：結構性能的監測內容中，包括應力、撓度、動力特性等參數的監測測點，其布置應結合結構有限元分析，在關鍵截面進行測點布置。

3 監測系統設計

3.1系統總體架構

健康監測系統由4個基本子系統組成，分別是自動化監測子系統、數據管理子系統、安全預警子系統和用戶界面子系統。其中自動化監測子系統用于荷載源及結構響應數據信息、橋梁現場及特殊隱蔽位置狀況信息的采集，經過數據預處理后，將采集的數據按照設定的數據格式儲存在數據存儲與管理子系統中，并對數據進行深入的分析，獲得結構的相關參數。然后通過安全預警與評估子系統進行相應的統計分析，結合各特征參數設定的安全閾值實現系統的綜合報警和狀態評估功能，并由用戶界面子系統完成人機交互工作。

3.2 自動化監測子系統

根據結構分析得出有關該子系統的工作內容、工作范圍和工作目的，針對如何實現預期功能，將自動化監測子系統的組成架構作如下設定：子系統由采集單元模塊、數據參數模塊和數據控制與處理三個部分組成，各模塊的描述如下。

傳感器模塊：傳感器模塊由各類傳感器組成，是整個健康監測系統數據的來源。按照檢測參數對傳感器進行分類，通常有結構狀態監測傳感器、環境監測傳感器和行車安全特征監傳感器，按照信號類型分類又可以分成模擬信號傳感器，例如加速度傳感器;電信號傳感器，例如溫度計、位移計等;光信號傳感器，例如光纖光柵應變傳感器等。

數據采集與傳輸模塊：該模塊由通信線纜、信號采集設備組成。負責信號的采集、傳輸與信號的初步處理。通過該模塊，由傳感器模塊所采集的信號將被采集并傳輸至采集現場的存儲設備。

數據處理與控制模塊：由監測系統中的服務器、工作站和相關的軟件組成。實時接收并處理加測數據，并向數據管理子系統提供可靠、真實的監測數據。

3.3存儲管理子系統

該子系統主要管理系統運營后的所有數據，并完成數據的歸檔、查詢、存儲。建立本橋綜合監測系統的中心數據庫及數據存儲倉庫，向其它子系統提供有效的信息源，其具體功能要求如下：

（1）能夠實現數據采集、控制、篩選、管理和二次處理等功能。

（2）提供各類數據存儲的工具和場所，建立分布式數據存儲結構，建立數據交換模式，形成系統數據庫。

（3）支持特殊事件數據單獨存儲及分析與處理。

（4）提供數據安全及用戶管理的工具。

（5）提供數據分布式快速查詢的工具。

（6）提供保障數據一致性與同步性的工具。

（7）提供數據備份和恢復的策略與工具。

（8）提供與異構數據庫接口的工具。

（9）提供數據分析處理的服務。

（10）具有相應的軟硬件安全機制和自診斷功能，當數據無法傳輸時能夠向大橋管理人員報警，及時采取措施加以處理。

（11）具有對數據及設備異常報警功能，如系統網絡通訊失敗時，數據可以暫時存儲在采集站計算機內，當網絡正常后再傳輸至數據庫服務器。

子系統架構整個系統的數據由結構監測數據、數據組成，以不同存儲方式存儲在不同服務器。

3.4 預警評估子系統

該子系統對數據存儲于管理模塊中所存儲的數據進行分析處理，再按照設定對的報警評估模型，得到橋梁結構安全狀態的評估和報警報告，據此給出橋梁結構的管養建議。橋梁養護單位根據評估報警報告給出的管養建議，可以制定經濟合理的巡檢養護計劃。該子系統主要包括數據統計分析、綜合報警和評估三個模塊。

數據分析模塊：該模塊的主要目的是對實測數據作預處理及分析，包含數據處理和數據分析兩個部分。其中，數據處理側重于數據的實時信息提取，接收來自于自動化監測子系統的數據。數據處理首先對原始數據進行清洗、整理，并且針對數據的異常現象診斷儀器設備工作狀態，根據報警和結構評估的需要，對監測數據進行預處理并計算目標檢測量，統計特征參數，并將處理結果存儲在系統數據庫中。數據的統計分析應重點對長期監測數據，從系統數據庫獲取處理后的監測數據后進行數據分析，采用統計分析、數據擬合和挖掘的手段，在有條件的情況下，結合智能算法、深度學習的等方法，獲取監測數據中隱含的結構參數。

安全報警模塊：該模塊的主要目的是及時發現橋梁結構存在的問題。包含設備狀態報警、結構狀態報警，其中設備狀態報警是指橋梁監測設備工作狀態的報警，由數據異常識別來診斷儀器異常;結構狀態報警是指橋梁關鍵構件部位在荷載等作用下結構響應報警、正常使用極限狀態報警以及承載能力極限狀態報警，通過對結構變形等監測參數建立報警指標，對監測結果進行分析預測，并分級報警。

安全評估模塊：該模塊是通過處理后的監測數據，采取基于可靠度理論、結合層次分析法對橋梁的技術狀況進行評價。評估的方法包括橋梁整體安全性評估和專項評估，專項評估主要針對特殊事件，如地震、強風等事件后對橋梁結構使用安全的評估。評估時，將結構按照功能和體系細分為相對獨立的部分，如按照結構分部劃分為上部結構、下部結構、橋面系等，然后按照檢測的參數，對比相應的技術指標進行評估，再用權重系數的方式對橋梁整體結構進行整體評價。

3.5 用戶界面子系統

系統針對不同用戶提供不同的功能，每個用戶使用自己的用戶名和密碼登錄系統，登錄后系統根據用戶類型顯示相應的功能界面，隱藏登陸用戶沒有權限使用的功能。每個用戶的功能由用戶所屬組來決定，一個用戶可以屬于多個用戶組，每個用戶組的功能可以由系統管理員自由設定，系統支持多設立用戶組，通常我們建立好常用的幾個用戶組，并分配好每個組的功能，系統管理員可以在此基礎上修改。

4 結語

橋梁結構健康監測系統是橋梁結構人工檢查的延伸和補充，同時也解決了人工巡檢不及時、數據離散等問題，在未來的發展中，城市中小橋梁、公路長大橋梁將是結構監測的重點，通過長期的監測數據，橋梁健康監測系統將為管養、設計單位提供可靠的數據支持，為更好地制定橋梁運營養護決策提供強有力的依據。

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