橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系應(yīng)用探討

楊建南

浙江滄海建設(shè)有限公司 浙江 寧波 315105

1 橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系應(yīng)用的作用和意義

橋梁結(jié)構(gòu)在橋梁使用過程中受到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工材料質(zhì)量與工藝技術(shù)、交通超載負(fù)荷及偶然事故等各種內(nèi)外因素的影響，其結(jié)構(gòu)安全性能會(huì)發(fā)生變化，嚴(yán)重的話會(huì)危險(xiǎn)到人們生命財(cái)產(chǎn)和國家交通設(shè)施安全。

長期以來，由于技術(shù)水平及環(huán)境等因素的影響，人們對橋梁的典型、重要、復(fù)雜結(jié)構(gòu)安全性一直采用人工方法在現(xiàn)場進(jìn)行檢測，將檢測數(shù)據(jù)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。這種方法不能及時(shí)、有效的掌握橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全狀況。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別在傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊與傳輸技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)施實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測成為現(xiàn)實(shí)。通過橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全信息數(shù)據(jù)采集、傳送收集及分析評(píng)估技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)人工現(xiàn)場檢測方式，能夠使我們正確的掌握橋梁使用過程中結(jié)構(gòu)安全性能的變化規(guī)律、趨勢，為判定結(jié)構(gòu)安全等級(jí)提供依據(jù)，并對出現(xiàn)預(yù)警的結(jié)構(gòu)安全問題及時(shí)采取有效措施進(jìn)行整改、調(diào)整，確保橋梁使用安全。

2 橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系的組成

橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用需要一個(gè)完整的體系組成。該體系包括結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集分析與處理系統(tǒng)、安全評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)、安全決策系統(tǒng)。

橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，實(shí)時(shí)采集橋梁的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的流程進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和組織，在此基礎(chǔ)上通過信號(hào)調(diào)理和傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)集成存儲(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)智能識(shí)別、融合和分析診斷，完成橋梁結(jié)構(gòu)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警分析，有效杜絕橋梁結(jié)構(gòu)各種安全事故的發(fā)生。

2.1 結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

在橋梁各個(gè)重要部位安裝不同類型的傳感器設(shè)備，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)來實(shí)時(shí)采集橋梁運(yùn)行過程中的各種形態(tài)變化和運(yùn)行數(shù)據(jù)。使用的傳感器類型有沉降、應(yīng)變、位移、壓力、振動(dòng)、傾角、加速度、溫度及濕度等。傳感器在橋梁中的安裝部位根據(jù)性能及采集的數(shù)據(jù)不同而不同，比如可以將振動(dòng)傳感器安裝在橋梁面層、箱梁底部、蓋梁與立柱連接處等部位，壓力傳感器和位移傳感器可以安裝在支座及箱梁梁板之間位置。

各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須安裝正確、牢固可靠，能夠確保及時(shí)準(zhǔn)確的收集各種數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的工作形式有檢測數(shù)據(jù)全天候?qū)崟r(shí)采集、定期周期性采集和監(jiān)控中心指令數(shù)據(jù)采集三種模式。

2.2 無線數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)

采用無線數(shù)字化通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信與傳輸，具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、實(shí)用方便的優(yōu)點(diǎn)。它既可以實(shí)現(xiàn)人與人之間的數(shù)據(jù)通信，又可以實(shí)現(xiàn)人與儀器設(shè)備、儀器設(shè)備與儀器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

將通過傳感器收集到的數(shù)據(jù)，輸入到轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)信號(hào)模式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)模式（即基帶信號(hào)）過程。設(shè)置加密器，能夠起到信息保密的效果。對基帶信號(hào)經(jīng)過調(diào)制以后將其頻譜轉(zhuǎn)移到較高的頻率范圍進(jìn)行頻帶傳輸，完成檢測數(shù)據(jù)無線通信與傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心接收設(shè)備的功能。

2.3 數(shù)據(jù)收集分析與處理系統(tǒng)

由于各種傳感器采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)表示的意義不同，存儲(chǔ)和處理的方式大不相同，因此需要對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類收集和處理。

數(shù)據(jù)信號(hào)通過各種不同的信道傳輸發(fā)出，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的失真及噪音混雜現(xiàn)象。數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的作用就是在受噪音影響的信號(hào)中區(qū)分噪聲和有用的信號(hào)，取出有用信號(hào)并通過輸入轉(zhuǎn)換器將信號(hào)還原成數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的分析與處理利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成，利用各種通訊、數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用處理軟件通過對有用數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、整理、計(jì)算，分析得到各種指標(biāo)數(shù)據(jù)，并將處理后的所有數(shù)據(jù)（包括不同監(jiān)測時(shí)間、不同橋梁結(jié)構(gòu)部位及不同類型的橋梁）進(jìn)行歸類，形成數(shù)據(jù)庫。

2.4 安全評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，建立健康監(jiān)測模型。

利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)程序軟件，將分析得到的各種指標(biāo)數(shù)據(jù)與健康監(jiān)測模型進(jìn)行比較，確定結(jié)構(gòu)安全參數(shù)是否處于正常范圍以內(nèi)。對超過標(biāo)準(zhǔn)安全警示值數(shù)據(jù)的項(xiàng)目（變形、振動(dòng)、位移、應(yīng)力應(yīng)變等）啟動(dòng)預(yù)警模塊，為橋梁安全決策提供相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

2.5 安全決策系統(tǒng)

通過安全決策系統(tǒng)，對預(yù)警模塊項(xiàng)目采取的技術(shù)措施進(jìn)行安全評(píng)估和對比，選擇科學(xué)合理的方案對出現(xiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)安全問題進(jìn)行維修加固處理，避免橋梁在非健康狀態(tài)下使用而導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問題。

3 橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)實(shí)施應(yīng)用的技術(shù)條件

目前，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的建筑業(yè)，在工程設(shè)計(jì)、施工過程中質(zhì)量與安全控制、運(yùn)營管理等各方面，已經(jīng)融入許多新型技術(shù)，如BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G+移動(dòng)通訊、3D打印、云計(jì)算等,這些創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，為建筑業(yè)智能化與信息化管理提供強(qiáng)有力的支撐。

在橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)應(yīng)用到的科技創(chuàng)新技術(shù)方面有：

3.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)

建立適合于橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警大數(shù)據(jù)應(yīng)用框架。通過匯聚整合和分析相關(guān)大數(shù)據(jù)，建立安全保障體系，規(guī)范大數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)安全保障措施。

3.2 云計(jì)算

利用云計(jì)算中的虛擬化、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大規(guī)模數(shù)據(jù)管理、信息安全、綠色節(jié)能等多項(xiàng)ICT技術(shù)，能夠?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)處理技術(shù)服務(wù)支持。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警需求，利用低成本、低功耗、智能化傳感器及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)高速移動(dòng)通訊、無線射頻、近場通訊、二維碼識(shí)別、核心芯片、儀器儀表、配套軟件等在橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警的集成應(yīng)用。

3.4 智能化技術(shù)

在橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警實(shí)施過程中，采用智能機(jī)器人及設(shè)備、手持智能終端設(shè)備、智能監(jiān)測設(shè)備等，是一種智能化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢。它的應(yīng)用可以提升監(jiān)控預(yù)警準(zhǔn)確性和效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 5G+移動(dòng)通訊

隨著5G+技術(shù)的出現(xiàn)，會(huì)助推橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警體系的使用。首先，5G技術(shù)高帶寬數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，適合于橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。其次，基于智能終端的橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備在5G的支撐下，實(shí)現(xiàn)可視化操作和智慧化管理。

4 橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)存在的問題及未來發(fā)展方向

4.1 存在的問題

目前，道路橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)在研究及使用過程中還需要以下幾個(gè)方面的問題

（一）傳感器的優(yōu)化合理布置

橋梁在使用過程中，結(jié)構(gòu)所受到的影響安全的因素較多，也比較復(fù)雜，而各種傳感器的數(shù)據(jù)采集性能又有一定的局限。因此如何對傳感器進(jìn)行選擇和合理布置，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)能不能順利開展的關(guān)鍵。

（二）監(jiān)測數(shù)據(jù)無線通信與傳輸模式的選擇

目前各種數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù)非常先進(jìn)。但我們也應(yīng)該考慮到目前部分道路橋梁分布在城市外圍傳輸信號(hào)薄弱的地方且部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備安裝部位比較隱秘。這些部位如何順利進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與傳輸，也是我們在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)該解決的問題之一。

（三）監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)采集設(shè)備的更換與維修

數(shù)據(jù)采集設(shè)備也有一定的使用壽命和周期。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備（如傳感器）數(shù)量多，一般安轉(zhuǎn)部位隱秘，對設(shè)備的日常維護(hù)及保養(yǎng)十分困難，而且更換時(shí)還會(huì)影響到數(shù)據(jù)的正常采集與傳輸發(fā)送。這就需要我們在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，一要根據(jù)數(shù)據(jù)不同采集要求需要選擇合適的采集設(shè)備，保證其采購和安裝質(zhì)量，提高其使用壽命和周期。二要在安裝位置設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮到滿足數(shù)據(jù)采集要求，又要考慮到日常數(shù)據(jù)采集設(shè)備的維修保養(yǎng)與更換要求。

4.2 未來的技術(shù)發(fā)展方向

（一）通過微波、太赫茲及紅外成像等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)探傷、災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警。包括對橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)裂紋探傷、缺陷演變過程監(jiān)控及預(yù)警，對橋跨結(jié)構(gòu)、支座體系、蓋梁立柱及橋梁樁基的位移、演變過程監(jiān)控及預(yù)警。

（二）通過基于光纖光柵、電阻敏感纖維的應(yīng)力和溫度傳感器預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)置，在橋梁結(jié)構(gòu)工程施工過程中安全生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域方面得到應(yīng)用，與建筑業(yè)推廣的工程建設(shè)信息化與智能化管理有效結(jié)合。

（三）結(jié)構(gòu)安全實(shí)施監(jiān)控預(yù)警體系技術(shù)先進(jìn)，不僅能夠?qū)蛄菏褂眠^程中結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警中應(yīng)用，而且還能夠應(yīng)用于房屋內(nèi)外結(jié)構(gòu)、綜合管廊、特殊地質(zhì)條件、水庫大壩等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警，具有較廣泛的應(yīng)用前途。

5 結(jié)束語

保證已投入使用橋梁的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測采用人工地毯式方式進(jìn)行，配備簡單的測量儀器，測得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，只能以模糊分級(jí)的方式描述橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，不能及時(shí)正確反映橋梁工作實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。而采用橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系，采用專用設(shè)備儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的安全狀態(tài)參數(shù)，用專用設(shè)備和軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、分析和加工，就能夠得到橋梁的正確工作狀態(tài)信息，再通過特定的分析方式確定橋梁的健康狀況與安全預(yù)警參數(shù)，利用決策系統(tǒng)對橋梁的結(jié)構(gòu)安全問題進(jìn)行處理，確保橋梁使用安全。可以肯定使用橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系，對保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全使用具有非常重要的作用。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系不斷完善和進(jìn)步，不僅可以實(shí)現(xiàn)對已投入使用的橋梁工程結(jié)構(gòu)安全全方位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且還可以結(jié)合橋梁施工過程中質(zhì)量與安全監(jiān)控管理，應(yīng)用到施工過程當(dāng)中去。