中派河大橋健康監測系統的設計與實現

孫少偉

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

隨著我國交通基礎設施建設規模的快速發展，橋梁建設數量在不斷增多，同時交通流量也在不斷增加，多數橋梁超負荷運行，存在巨大的安全隱患。通過橋梁健康監測系統可以長期不間斷地監測橋梁結構狀態，對橋梁進行有效維護，保障橋梁通行安全和延長橋梁的使用壽命。

為滿足中派河大橋健康監測需要，基于結構數據監測獲取的信息，在橋梁主墩部位設置一定數量的靜力水準儀、位移傳感器和應力傳感器，24 h不間斷地實時采集橋梁結構相關數據；同時利用監測數據建立相應的分析模型，定制開發一套基于Web的橋梁監測平臺，實現橋梁結構監測數字化、養護管理信息化和信息展示可視化，為橋梁管理提供科學的決策依據。

1 中派河大橋健康監測系統總體架構

中派河特大橋是京臺國家高速公路安徽省方興大道至馬堰段的重要橋梁，全長1 852 m（含橋臺長度），采用三跨下承式變高度鋼桁架梁橋。為了保證中派河大橋的安全運行，需要對大橋在運營階段主墩的撓度、相對位移和鋼筋應力進行實時監測和實時分析。中派河大橋健康監測系統主要包括橋梁數據采集傳輸系統和橋梁數據監測平臺。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

中派河特大橋在運行過程中，部署在橋梁上的傳感器實時采集橋梁的結構數據，在綜合采集模塊中實現數據匯聚后，統一通過RS 485的通信形式發送給采集系統；采集系統將處理好的信號通過無線的方式發送給服務器，由Web服務器對所有接收到的信號進行預處理、歸類、界面顯示和存儲等一系列操作；橋梁數據監測平臺從數據庫中讀取所需要的數據，并對橋梁結構健康狀況進行綜合分析和評估，實現關鍵要素的閾值告警、結構監測、生成歷史數據報表和綜合評價等功能。

2 橋梁數據采集傳輸系統

中派河大橋橋梁數據采集傳輸系統主要包括：前端傳感器、監測系統和光伏供電管理系統，主要實現橋梁結構數據的采集、傳輸和存儲。本項目橋梁數據采集傳輸系統采用有線方式進行通信，并將采集數據傳輸到橋梁監測平臺的服務器中。數據采集傳輸系統結構如圖2所示。

圖2 數據采集傳輸系統結構

2.1 前端傳感器

橋梁健康監測系統的設計首先要考慮監測數據參數的確定，數據參數的選擇影響橋梁監測系統的健康評估有效性。橋梁健康監測系統設計遵循安全可靠和經濟實用原則，同時結合本橋梁結構的實際情況，確定本系統重點監測橋梁結構性能：撓度、位移和應力。

2.1.1 靜力水準儀

靜力水準儀：橋梁主要截面的撓度是評價橋梁質量及運行狀態的重要指標之一。撓度測量最普遍的方法是采用靜力水準方式，其基本原理就是利用液體在連通的管道中會由于重力作用，在不同位置的液面高度會相同，通過測量液體水平面位置的變化而測量橋梁的撓度。

位移傳感器：將一種固定式雙軸傾角傳感器安裝在橋墩頂端，當橋梁發生變形，可以通過測量橋墩的兩個相互垂直方向相對于重力軸線的傾角，監測相對水平位移，防止極端情況落梁。

應力傳感器：是一種智能應變計，通過對橋梁主墩鋼筋應力的監測，充分了解和監測主墩的受力狀態。

2.1.2 測試系統

監測系統主要由綜合采集模塊和總線采集模塊構成，主要用于撓度、位移及應變等參數的采集以及采集數據的傳輸。綜合采集模塊實現將采集到的數據轉換成RS 485信號輸出，總線采集模塊實現RS 485數據集中控制并上傳到后臺管理系統。

綜合采集模塊：是一種多路數據采集模塊，支持多種類型數據輸入，如模擬量輸入的應力傳感器等。

總線控制模塊：是一種總線型傳感器采集模塊，內置微控制系統，具有一定的運算和存儲能力，可自動識別傳感器采集數據的類型，根據不同的數據類型對傳感器傳回的數據進行處理、存儲以及讀取傳感器編號等功能。

2.1.3 光伏供電管理系統

為保證傳感器、控制模塊和路由器等元器件長期穩定工作，以及保證系統能達到較長的續航時間，本文采用了太陽能電池板和大容量鋰電池組相結合的模式作為電源設計方案。

2.2 傳感器布置

為了實時了解橋梁結構的數據，分析主體結構功能參數的變化規律，需要重點對橋梁關鍵部位進行結構參數的測量。

通過對橋梁結構設計方案的整體研究，確定結構性能的監測內容包括撓度、位移、應力等參數，結合橋梁結構有限元分析進行相應計算，選取在關鍵截面進行傳感器布置。因此，選擇在中派河大橋三個主墩處布置3個靜力水準儀、3個位移傳感器和12個應力傳感器（每個主墩上對稱布置4個），具體位置如圖3所示。

圖3 傳感器布置

3 橋梁數據監測平臺

橋梁數據監測平臺系統采用B/S架構將核心業務功能集中在服務器中實現，僅有少量的業務放在前端。系統采用此種架構，簡化了開發、應用和維護成本。Web瀏覽器是客戶端最主要的應用軟件，客戶機上只要安裝Web瀏覽器，建立一個可視化界面，即可對各項業務功能進行展示和操作。在服務器安裝數據管理系統，Web瀏覽器通過Web Server同數據庫進行數據交互。橋梁監測平臺主要有數據管理系統和用戶界面系統組成，具體架構如圖4所示。

圖4 監測平臺架構

3.1 數據管理系統

數據管理系統主要通過簡歷中心數據庫和數據存儲倉庫，將所有數據分類歸檔、查詢和存儲。數據管理系統將從橋梁數據采集傳輸系統中接收的數據按照一定的數據格式和規則歸類儲存于數據存儲和管理子系統中，并通過數據分析子系統進行深入的計算分析，獲得結構的相關參數；再結合各特征參數預設的安全閾值，實現系統的綜合報警和狀態評估功能，最終實現通過用戶界面系統以表單和圖標的形式完成可視化展示。

3.2 用戶界面系統

Web瀏覽器是用戶界面系統最主要的應用軟件，只用于顯示，核心業務在Web應用服務器中。用戶界面系統根據不同的用戶設定不同用戶權限，設置普通用戶和管理員2種登錄方式，登錄后系統根據用戶類型顯示相應的功能界面。管理員登錄后，可自由設置用戶登錄中的功能系統權限，每個用戶的功能由用戶所屬權限來決定。普通用戶登錄后，僅能夠查看到當前橋梁健康監測相關數據及結構分析結果，并可以輸出相關數據報表。管理員登錄后，除了能夠實現普通用戶的權限外，還能查看和修改傳感器預設的警戒閾值，也可以對傳感器進行添加、刪除和修改等操作。中派河特大橋健康監測系統可視化界面如圖5所示。

圖5 可視化界面

中派河特大橋健康監測系統主要用于對橋梁結構的健康狀況進行24 h不間斷地監測，將監測的數據分類進行存儲和整理分析，得到橋梁結構信息的實時參數、實時監測分析結果和閾值告警情況，并出具階段性的橋梁健康評估等級報告。

用戶界面系統的首頁中包含子系統入口、設備在線情況和監測信息顯示等。橋梁數據傳輸采集系統實時采集傳輸數據，用戶界面系統實時顯示并進行閾值預警，當監測數據超過設定閾值時，在相應頁面進行實時警示，并提供告警數據發生的時間、位置和數據值等具體信息，根據實際情況實時劃分出預警等級情況，為橋梁的科學管理和養護提供依據。

4 結 語

本文根據中派河大橋結構特點，設計了一種基于Web的橋梁健康監測系統；并借助于物聯網技術，實現了橋梁結構長期健康監測。橋梁安全運管人員可以很方便地通過瀏覽器訪問用戶界面系統進行24 h不間斷的數據監測和預警。作為橋梁結構人工檢查的延伸和補充，系統能夠有效地解決人工巡檢不及時、數據分析時效性差等問題。整個系統在投入使用后，經過了一系列的實驗驗證，均表現出了良好的穩定性和可靠性，同時完善了監測功能，也為橋梁安全運管提供有力支撐。

本系統目前是基于網絡瀏覽器開發的用戶系統，下一步可考慮基于手機APP或微信小程序開發用戶系統，方便管理人員通過手機實時監測橋梁的結構數據信息，確保健康監測信息的實效性及智能性。