基于無線傳感技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究

謝崇洪，張彥昌，李文

（中建二局土木工程集團(tuán)有限公司）

1 引言

橋梁是我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。近年來，交付的橋梁工程越來越多，但很多工程在設(shè)計(jì)、施工的時(shí)候因?yàn)楦鞣N問題，存在一定隱患，并隨著交通壓力和運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，很多橋梁工程已經(jīng)不能滿足安全性的要求。針對(duì)這樣的工程現(xiàn)狀，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，從結(jié)構(gòu)安全評(píng)估到預(yù)警，再到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，都有完整的解決方案。有別于傳統(tǒng)的橋梁養(yǎng)護(hù)管理重人工的模式，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件性能不斷優(yōu)化，可以利用信息技術(shù)為橋梁建立管理系統(tǒng)，運(yùn)用IoT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛車速、電網(wǎng)用電以及環(huán)境氣體的監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康巡檢等內(nèi)容的電子化、數(shù)字化。

通過對(duì)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行研究梳理得出，當(dāng)前，基于無線傳感技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有同濟(jì)大學(xué)為徐浦大橋和楊浦大橋設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、東南大學(xué)和香港理工大學(xué)的蘇通大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、香港青馬大橋先進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)先進(jìn)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)使用了傳感器設(shè)備、設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集渠道，并具有數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)管理等功能[1]。

2 橋梁監(jiān)測(cè)內(nèi)容和傳感器選擇

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專業(yè)技術(shù)。橋梁的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)形變數(shù)據(jù)、橋梁受力數(shù)據(jù)和振動(dòng)參數(shù)通過采集卡收集并經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)傳遞給中心服務(wù)器，服務(wù)器經(jīng)過分析后再傳輸給PC 端和移動(dòng)設(shè)備APP 等。各個(gè)傳感器發(fā)送給服務(wù)器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行分類存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，相關(guān)工作人員可以通過各種設(shè)備查看信息并把檢修后的數(shù)據(jù)回傳到服務(wù)器。服務(wù)器中心可以查看經(jīng)過分析后的數(shù)據(jù)，得到趨勢(shì)和報(bào)警數(shù)據(jù)。

2.1 橋梁監(jiān)測(cè)種類

橋梁的健康檢測(cè)項(xiàng)目有很多，如果全部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要極大的數(shù)據(jù)處理能力并且容易出錯(cuò)。本文選擇了最有代表性的三個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行研究。

1）周邊環(huán)境數(shù)據(jù)

環(huán)境檢測(cè)中最主要的參數(shù)就是溫度和風(fēng)速?；诨炷梁弯摻Y(jié)構(gòu)的自身物理特性，使用這些材料構(gòu)成的箱梁結(jié)構(gòu)受到日照和溫差的影響會(huì)有極大的內(nèi)力及應(yīng)力出現(xiàn)，在極端情況下，可能會(huì)超過結(jié)構(gòu)的活荷載，威脅到橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。同時(shí)，檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度受溫度影響會(huì)產(chǎn)生誤差，檢測(cè)時(shí)需要剔除誤差。目前，橋梁建設(shè)更傾向大跨度，高輕柔度的要求，給橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)造成很大困難。橋梁結(jié)構(gòu)輕柔度提高的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性的要求也隨之提高，對(duì)大跨度、高柔性的橋梁來說，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受風(fēng)的影響極大，風(fēng)速過大對(duì)橋梁的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)會(huì)造成局部或整體的破壞[2]。

2）應(yīng)變應(yīng)力數(shù)據(jù)

應(yīng)變應(yīng)力對(duì)橋梁的安全極為重要，當(dāng)橋梁通過車輛過多、重量過大時(shí)，應(yīng)變過大會(huì)損傷橋梁結(jié)構(gòu)，如果沒有及時(shí)調(diào)整，橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重破損導(dǎo)致安全事故。在橋梁主梁的重要結(jié)構(gòu)點(diǎn)位布置傳感器，收集在各種車輛負(fù)載條件下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，根據(jù)整體應(yīng)變的大小可以對(duì)橋梁整體的損傷和健康狀態(tài)進(jìn)行測(cè)評(píng)。

3）結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)

橋面主要承受車輛和其他荷載，橋梁整體的工作狀態(tài)主要通過擾度的大小來判斷。彎曲變形時(shí)，橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移，形成撓度。橋墩的位移沉降量也是反應(yīng)橋梁狀況的重要指標(biāo)之一，沉降量越大，橋梁的健康狀況越差。撓度值越大，橋梁線形變化越大，橋梁的健康狀況可以從位移、撓度的線形變化中看出。

2.2 傳感器的合理布置

傳感器布置的合理對(duì)健康監(jiān)測(cè)十分重要，布置的合理與否直接影響了最終取得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度。所以設(shè)計(jì)一個(gè)合理的布置計(jì)劃是健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，傳感器的布置數(shù)量不能無限增加，方案需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能和橋梁自身情況等因素。一個(gè)合理的傳感器布置方案主要有以下幾個(gè)方面：

①盡量降低傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受到外界環(huán)境的影響，最大程度采集既精準(zhǔn)又全面的數(shù)據(jù)；

②選取橋梁結(jié)構(gòu)中最重要的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的結(jié)果要能最大程度上反映橋梁整體的健康程度；

③合理篩選采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取最能代表橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與預(yù)警

橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)是整個(gè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)服務(wù)橋梁養(yǎng)護(hù)管理的紐帶，能夠綜合橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一處理分析、特征信息挖掘及以趨勢(shì)預(yù)測(cè)；同時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)警系統(tǒng)來診斷和分級(jí)預(yù)警結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)，按照結(jié)構(gòu)的評(píng)估模型綜合評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，并據(jù)此給出橋梁結(jié)構(gòu)的管養(yǎng)建議。結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)通常具備幾點(diǎn)功能。

①對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘，提取特征參數(shù)，進(jìn)行趨勢(shì)、模型對(duì)比分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷程度，診斷結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)[3]。

②利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正結(jié)構(gòu)分析、建立結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)分析和行車安全評(píng)定。

③預(yù)警指標(biāo)及分級(jí)預(yù)警體系明確，通過設(shè)置預(yù)警閾值，判斷和分級(jí)預(yù)警實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)信號(hào)，并利用預(yù)警情況記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完善報(bào)警閾值。

④通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和分級(jí)預(yù)警，對(duì)結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別、報(bào)警；記錄異常事件（如沖撞護(hù)欄事件）信息，生成預(yù)警記錄和報(bào)告。

⑤以圖表等形式直觀展現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并給出明確的評(píng)估結(jié)果；自動(dòng)生成橋梁不同時(shí)期運(yùn)營(yíng)分析報(bào)告，服務(wù)各級(jí)管理人員。

⑥根據(jù)橋梁運(yùn)營(yíng)異常狀況和安全評(píng)估結(jié)果，給出應(yīng)對(duì)措施和維修管理建議。

4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

為完成橋梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信，無線傳感器技術(shù)通常采用ZigBee技術(shù)。ZigBee作為一種無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有短距離、自組織、低功耗、低據(jù)傳輸率的特點(diǎn)，非常適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。他的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)通常有星型、樹型、網(wǎng)絡(luò)等形式。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)。當(dāng)所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)布置完成后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由創(chuàng)建，保證傳感器獲取的數(shù)據(jù)完整地傳輸?shù)椒?wù)器中心。同時(shí)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)也可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，這樣更方便相關(guān)管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析處理。根據(jù)橋梁自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為最佳選擇，可以在橋梁的中心區(qū)域布置數(shù)據(jù)路由根節(jié)點(diǎn)，在橋梁兩邊分別依次布置數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)。位于整個(gè)樹狀網(wǎng)絡(luò)最底層的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可以分簇取得每個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，在每一簇內(nèi)，需要一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)簇內(nèi)其他數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度控制。[1]

4.2 硬件設(shè)計(jì)

1）數(shù)據(jù)采集部分

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計(jì)上，包含了各類傳感器的布置和數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)除包含各種傳感器外，還集成了具有無線傳輸功能的微處理器，將傳感器采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。

2）數(shù)據(jù)分析部分

服務(wù)器需要進(jìn)行系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的分析和處理，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置管理，并提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)各類通信系統(tǒng)集成，保證系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)能夠得到可視化展示。針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心需要存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析與處理，能夠獲取其中的關(guān)鍵信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)異常信息，確保能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要完成相應(yīng)工具軟件的開發(fā)，以便使系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析處理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)價(jià)。在數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)需要確保各設(shè)備擁有一致的開啟方式，并完成采樣速率的設(shè)定，以便實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)連接。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)上，通信模塊需要在設(shè)定時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)發(fā)送，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后傳至監(jiān)控中心。在數(shù)據(jù)處理上，處理器可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法調(diào)用，按照算法程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并生成結(jié)果，進(jìn)行存儲(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于無線傳感技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以克服傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護(hù)難題，能夠?qū)Χ喾N復(fù)雜條件下的橋梁狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)出告警，確保橋梁的安全得到有效維護(hù)。自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也為橋梁的長(zhǎng)久運(yùn)營(yíng)提供了合理化指導(dǎo)和依據(jù)。