橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術體系應用探討

楊建南

浙江滄海建設有限公司 浙江 寧波 315105

1 橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術體系應用的作用和意義

橋梁結構在橋梁使用過程中受到設計標準、施工材料質量與工藝技術、交通超載負荷及偶然事故等各種內外因素的影響，其結構安全性能會發(fā)生變化，嚴重的話會危險到人們生命財產和國家交通設施安全。

長期以來，由于技術水平及環(huán)境等因素的影響，人們對橋梁的典型、重要、復雜結構安全性一直采用人工方法在現(xiàn)場進行檢測，將檢測數(shù)據(jù)帶回實驗室進行分析。這種方法不能及時、有效的掌握橋梁結構實時安全狀況。

隨著科學技術的發(fā)展，特別在傳感器技術、數(shù)據(jù)通訊與傳輸技術及網(wǎng)絡計算機技術的發(fā)展，對橋梁結構安全實施實時遠程監(jiān)控檢測成為現(xiàn)實。通過橋梁結構實時安全信息數(shù)據(jù)采集、傳送收集及分析評估技術，結合傳統(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構安全性能的變化規(guī)律、趨勢，為判定結構安全等級提供依據(jù)，并對出現(xiàn)預警的結構安全問題及時采取有效措施進行整改、調整，確保橋梁使用安全。

2 橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術體系的組成

橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術的應用需要一個完整的體系組成。該體系包括結構安全數(shù)據(jù)實時采集系統(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)、安全評估與預警系統(tǒng)、安全決策系統(tǒng)。

橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術體系是在物聯(lián)網(wǎng)技術的支持下，實時采集橋梁的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)設定的流程進行數(shù)據(jù)的管理和組織，在此基礎上通過信號調理和傳輸模塊進行數(shù)據(jù)集成存儲，結合數(shù)據(jù)智能識別、融合和分析診斷，完成橋梁結構安全的實時監(jiān)測及預警分析，有效杜絕橋梁結構各種安全事故的發(fā)生。

2.1 結構安全數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

在橋梁各個重要部位安裝不同類型的傳感器設備，利用先進的傳感器技術來實時采集橋梁運行過程中的各種形態(tài)變化和運行數(shù)據(jù)。使用的傳感器類型有沉降、應變、位移、壓力、振動、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，能夠確保及時準確的收集各種數(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)全天候實時采集、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)來實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信與傳輸，具有經(jīng)濟、實用、實用方便的優(yōu)點。它既可以實現(xiàn)人與人之間的數(shù)據(jù)通信，又可以實現(xiàn)人與儀器設備、儀器設備與儀器設備之間的數(shù)據(jù)通信。

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

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)進行分類收集和處理。

數(shù)據(jù)信號通過各種不同的信道傳輸發(fā)出，會出現(xiàn)信號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中區(qū)分噪聲和有用的信號，取出有用信號并通過輸入轉換器將信號還原成數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的分析與處理利用計算機系統(tǒng)來完成，利用各種通訊、數(shù)據(jù)處理及應用處理軟件通過對有用數(shù)據(jù)進行加工、整理、計算，分析得到各種指標數(shù)據(jù)，并將處理后的所有數(shù)據(jù)（包括不同監(jiān)測時間、不同橋梁結構部位及不同類型的橋梁）進行歸類，形成數(shù)據(jù)庫。

2.4 安全評估與預警系統(tǒng)

根據(jù)橋梁工程結構安全技術標準規(guī)范要求，建立健康監(jiān)測模型。

利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)及計算機程序軟件，將分析得到的各種指標數(shù)據(jù)與健康監(jiān)測模型進行比較，確定結構安全參數(shù)是否處于正常范圍以內。對超過標準安全警示值數(shù)據(jù)的項目（變形、振動、位移、應力應變等）啟動預警模塊，為橋梁安全決策提供相關信息數(shù)據(jù)。

2.5 安全決策系統(tǒng)

通過安全決策系統(tǒng)，對預警模塊項目采取的技術措施進行安全評估和對比，選擇科學合理的方案對出現(xiàn)的橋梁結構安全問題進行維修加固處理，避免橋梁在非健康狀態(tài)下使用而導致出現(xiàn)結構安全問題。

3 橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術實施應用的技術條件

目前，隨著技術的不斷發(fā)展和進步，作為傳統(tǒng)產業(yè)的建筑業(yè)，在工程設計、施工過程中質量與安全控制、運營管理等各方面，已經(jīng)融入許多新型技術，如BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G+移動通訊、3D打印、云計算等,這些創(chuàng)新技術的應用，為建筑業(yè)智能化與信息化管理提供強有力的支撐。

在橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術應用到的科技創(chuàng)新技術方面有：

3.1 大數(shù)據(jù)技術

建立適合于橋梁結構安全實時監(jiān)控預警大數(shù)據(jù)應用框架。通過匯聚整合和分析相關大數(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、應用等各環(huán)節(jié)安全保障措施。

3.2 云計算

利用云計算中的虛擬化、分布式數(shù)據(jù)存儲、大規(guī)模數(shù)據(jù)管理、信息安全、綠色節(jié)能等多項ICT技術，能夠為橋梁結構安全實時監(jiān)控預警提供強有力的數(shù)據(jù)處理技術服務支持。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術

結合橋梁結構安全實時監(jiān)控預警需求，利用低成本、低功耗、智能化傳感器及相關設備的研發(fā)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)高速移動通訊、無線射頻、近場通訊、二維碼識別、核心芯片、儀器儀表、配套軟件等在橋梁結構安全實時監(jiān)控預警的集成應用。

3.4 智能化技術

在橋梁結構安全實時監(jiān)控預警實施過程中，采用智能機器人及設備、手持智能終端設備、智能監(jiān)測設備等，是一種智能化技術應用發(fā)展趨勢。它的應用可以提升監(jiān)控預警準確性和效率，降低安全風險。

3.5 5G+移動通訊

隨著5G+技術的出現(xiàn)，會助推橋梁結構安全實時監(jiān)控預警體系的使用。首先，5G技術高帶寬數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，適合于橋梁結構安全實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。其次，基于智能終端的橋梁結構安全實時監(jiān)測設備在5G的支撐下，實現(xiàn)可視化操作和智慧化管理。

4 橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術存在的問題及未來發(fā)展方向

4.1 存在的問題

目前，道路橋梁結構實時安全監(jiān)控預警技術在研究及使用過程中還需要以下幾個方面的問題

（一）傳感器的優(yōu)化合理布置

橋梁在使用過程中，結構所受到的影響安全的因素較多，也比較復雜，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行選擇和合理布置，直接影響到橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術能不能順利開展的關鍵。

（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)信息傳輸技術非常先進。但我們也應該考慮到目前部分道路橋梁分布在城市外圍傳輸信號薄弱的地方且部分數(shù)據(jù)采集設備安裝部位比較隱秘。這些部位如何順利進行數(shù)據(jù)通信與傳輸，也是我們在進行橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術應用時應該解決的問題之一。

（三）監(jiān)控預警數(shù)據(jù)采集設備的更換與維修

數(shù)據(jù)采集設備也有一定的使用壽命和周期。由于數(shù)據(jù)采集設備（如傳感器）數(shù)量多，一般安轉部位隱秘，對設備的日常維護及保養(yǎng)十分困難，而且更換時還會影響到數(shù)據(jù)的正常采集與傳輸發(fā)送。這就需要我們在設計結構安全實時監(jiān)控預警系統(tǒng)時，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備，保證其采購和安裝質量，提高其使用壽命和周期。二要在安裝位置設計時，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)采集設備的維修保養(yǎng)與更換要求。

4.2 未來的技術發(fā)展方向

（一）通過微波、太赫茲及紅外成像等技術的應用，實現(xiàn)橋梁結構安全實時探傷、災害監(jiān)控預警。包括對橋梁上部結構、下部結構裂紋探傷、缺陷演變過程監(jiān)控及預警，對橋跨結構、支座體系、蓋梁立柱及橋梁樁基的位移、演變過程監(jiān)控及預警。

（二）通過基于光纖光柵、電阻敏感纖維的應力和溫度傳感器預警系統(tǒng)的設置，在橋梁結構工程施工過程中安全生產監(jiān)控領域方面得到應用，與建筑業(yè)推廣的工程建設信息化與智能化管理有效結合。

（三）結構安全實施監(jiān)控預警體系技術先進，不僅能夠對橋梁使用過程中結構安全實時監(jiān)控預警中應用，而且還能夠應用于房屋內外結構、綜合管廊、特殊地質條件、水庫大壩等方面的實時監(jiān)控預警，具有較廣泛的應用前途。

5 結束語

保證已投入使用橋梁的結構安全至關重要，傳統(tǒng)的橋梁結構安全監(jiān)測采用人工地毯式方式進行，配備簡單的測量儀器，測得的數(shù)據(jù)不準確，只能以模糊分級的方式描述橋梁結構安全狀況，不能及時正確反映橋梁工作實時狀態(tài)信息。而采用橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術體系，采用專用設備儀器實時監(jiān)測橋梁的安全狀態(tài)參數(shù)，用專用設備和軟件對數(shù)據(jù)進行識別、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警參數(shù)，利用決策系統(tǒng)對橋梁的結構安全問題進行處理，確保橋梁使用安全?？梢钥隙ㄊ褂脴蛄航Y構安全實時監(jiān)控預警技術體系，對保證橋梁的結構安全使用具有非常重要的作用。

隨著橋梁結構安全實時監(jiān)控預警技術體系不斷完善和進步，不僅可以實現(xiàn)對已投入使用的橋梁工程結構安全全方位進行實時監(jiān)控，而且還可以結合橋梁施工過程中質量與安全監(jiān)控管理，應用到施工過程當中去。