基于物聯網的橋梁健康監測技術在山區橋梁運營中的應用

杜茂周

（貴州黔程弘景工程咨詢有限責任公司，貴州 貴陽 550018）

0 引言

橋梁工程是交通運輸體系的重要部分，在當前橋梁工程的發展下，山區橋梁設計理論和工程技術不斷發展、成熟，促使山區橋梁跨度進一步擴大，結構形式越來越復雜。但是因為山區環境惡劣、氣候環境復雜多變，山區橋梁在建設和運營的過程中受到氣候環境、外力因素的影響，尤其是車輛、風力、地震、疲勞等因素的影響，導致材料性能退化，結構和部件因為設計年限問題，出現不同程度的損傷和破壞。如果不對這些問題進行監測和分析，不及時修補和維護，會影響車輛通行的安全和穩定?？紤]到山區橋梁結構的復雜性和特殊性，需要采用先進、可靠的橋梁健康監測技術。

基于物聯網技術，創建物聯網健康監測系統和平臺進行常態化的監測，及時發現問題，確保監測結果的準確性。通過結果評估和分析，掌握橋梁的狀態和損傷情況，據此制定相關對策，及時修補，確保車輛通行安全。

1 相關概述

1.1 物聯網

物聯網是指應用信息傳感器和射頻識別、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描等技術，實時采集物體的監控數據信息、節點和部位連接數據信息、物體互動過程信息等，具體包括聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置、時間等各種信息。在獲取信息后，進行分析和重組，通過專門的網絡接入設置和端口，將物和物、人和物有效連接，最終對物品進行智能化感知和識別、管理等。

1.2 橋梁健康監測概述

當前的健康監測系統具體包括：傳感系統，可以將監測的物理信息轉換成為電信號；信息采集和處理系統，可以對安裝在監測結構處的信息采集傳感系統內的數據信息進行預處理；通信系統，可以將采集、處理后的數據信息傳輸到監控中心；監控中心和報警設施，可以對接收到的數據信息進行自動診斷、分析和處理，明確病害的位置、原因、程度等，評估橋梁的健康狀況，如果存在異常會自動報警。

橋梁健康監測是指根據橋梁工程結構相關的性能指標，如可靠性、耐久性、穩固性、耐腐蝕性等，通過無損檢測技術和結構特點分析等方法對橋梁工程運營過程中存在的結構異常狀態進行觀察和分析，得出相關數據信息。

通過這種常態化、日?；谋O測，有效發現橋梁結構的損傷情況、損傷部位、損傷危害性問題，對結構狀態和性能進行評估、分析，監測橋梁工程在異常氣候環境、交通條件、運營狀態下的最大荷載承受力和預警信號，為后期檢修和維護、保養、管理等工作提供信息依據。

當前的橋梁健康監測內容主要包括橋梁結構的安全性、適用性、耐久性、穩定性、可靠性的分析和管理，決策部門的信息獲取。

在監測時，需要根據當前國內經濟發展情況、交通條件、橋梁工程現場監測條件等，采用物聯網技術構建在線監測平臺，明確監測項目和重難點，制訂相關計劃和方案，并考慮經濟性、技術性、可行性條件，最終明確具體的監測項目[1]。

2 基于物聯網的橋梁健康監測技術應用的必要性

調查發現，我國現有的橋梁工程運營里程逐漸延長，數量多，是城市發展的基礎設施。在橋梁建設的過程中，還沒有完整、先進的健康監測系統，但是在橋梁工程數量增多的情況下，對于橋梁健康監測系統的需求和市場也逐漸擴大。在我國一些地區的橋梁工程中，物聯網技術已經被應用到了橋梁工程結構健康監測中。當前，基于物聯網的橋梁健康監測系統具體包括數據采集、傳輸、中轉和應用處理等各個模塊。其中，數據采集模塊具體包括傳感器、傳感網和巡檢設備等，傳輸模塊具體包括各種軟件，中轉模塊具體包括數據分析和處理、數據管理、數據可視化平臺等，應用處理模塊具體包括通行和荷載等。橋梁是現代交通網絡體系的重要組成部分，在投入運營的過程中，會受到各種因素的影響，出現老化、疲勞、受損的問題。調查發現，橋梁因為質量病害等問題，誘發了許多坍塌和交通安全事故，需要相關部門加強重視，定期對橋梁結構的性能、使用壽命、安全性等健康狀態進行監測和評估，把握其健康狀況，為后期橋梁結構安全養護和管理提供指導。當前的橋梁健康監測主要依靠人力進行，方法落后、單一，無法滿足要求，且成本高和效率低下，對此需要采用物聯網技術進行在線動態化監測，及時發現其中存在的問題，有效進行遠程監測[2]。

3 基于物聯網的橋梁健康監測技術在山區橋梁運營中的應用

3.1 在車輛超載監測中的應用

調查發現，在橋梁工程運營中，車輛超載會對橋梁結構造成無法修補的損傷，尤其是一些貨車。在監測時，可以在橋梁兩端安裝路面壓力傳感器，基于物聯網獲取車輛載重的數據信息，識別車輛類型，獲取違規車輛的車牌數據信息等。對數據信息分析后，可以進行分級警告，并自動統計路面的總荷載量。在物聯網技術的應用下，創建智能化管理平臺，將其應用到交通設施管理中，可以對橋梁工程的運營情況進行監測。當超載貨車通過橋梁時，橋端埋深的智能感知線圈會自動感知橋梁路面的受力變化情況，將感知的數據信息傳遞給智能平臺，啟動自動報警功能，最終全方位監測橋梁的荷載和運行異常情況。工作人員可以根據報警提示，及時通過工作平臺處理違規車輛。

3.2 在橋梁健康狀況監測中的應用

為了把握不同橋梁工程的使用壽命、結構耐久性等健康狀態，可以在橋梁的兩端埋設不同類型的傳感設備，并創建信息搜集和實時監測平臺，利用無線傳輸技術等物聯網技術，將監測到的數據信息實時傳遞到平臺節點中。通過數據傳輸通道將數據信息存入平臺應用層，進行存儲、管理、分析，為后期制訂相關方案提供依據和指導，便于工作人員制定防范和控制對策。當橋梁工程損傷嚴重時，則可以拆除傳感設備，比如，在某個橋梁中，安裝了不同類型的傳感器等硬件設備，通過這些傳感器可以對橋梁結構的狀態和變化情況，如應力變化、裂縫、位移、變形、撓度、傾斜角、溫度等進行監測；對車輛荷載信息進行獲取，尤其車型、車速、車重等信息都可以全面獲??；對墩柱砸到的傾斜和顛覆情況、滑動等信息進行感知；對橋梁結構的沉降和橋面線形等參數進行監測和分析[3]。通過在線監測技術，可以準確獲取橋梁結構狀況和基礎沉降、車輛運行等數據信息。獲取后，通過網絡平臺傳輸到數據中心，最終進行電子化的管理，提高管理水平，有效掌握橋梁的健康狀況。

另外，技術人員也可以進入現場，詳細檢查，對橋梁的外觀進行分析?？梢酝ㄟ^測量、手機拍攝、掃描的方法，獲取數據信息，由管理人員通過計算機分析數據信息，有效掌握橋梁的健康情況，為后期處理各種突發情況、修復病害、運營管理等提供依據?？傊?，基于物聯網，創建智慧橋梁運營監測系統，在該系統中，可以自動繪制圖像，自動生成相關建議和措施。通過智慧橋梁運營監測系統，獲取現場監控視頻，獲取監測數據信息，為后期責任追究和事故索賠提供依據和指導。

3.3 在橋梁結構病害監測中的應用

當前，物聯網技術也可以應用在橋梁工程結構病害監測中，可以對橋梁受到的外力影響和破壞情況進行監測，及時發現橋梁結構存在的疲勞和受損情況，及時預防和控制。一般在橋梁工程前期規劃、設計、施工中，無法及時發現結構的異常情況和質量等級。更需要在后期運營過程中，加強監測和分析，可以通過一種信息化的方法，對橋梁的整體運營狀態進行常態化、精細化的監測和控制，尤其是使用時間久的橋梁工程[4]。

4 基于物聯網的橋梁健康監測技術在山區橋梁運營中的應用技術

4.1 光纖光傳播傳感技術

采用光纖光傳播傳感技術可以將不同類型的傳感器有效串接在相同的光纖中，提高系統的集成性；在進行單根光纖串接時，需要科學控制傳感器的距離，有效提高遠程信息數據傳輸的測量精度和分辨率；光纖傳感器可以確保光纖傳播數據的穩定性，將其作為最終的測量數值，確保系統運行的穩定性；光纖傳感器的環境適應性強，可以應用在一些高溫、高濕、化學腐蝕性強的環境中，其質量輕、體積小、安裝操作便捷，優勢顯著。在具體使用時，可以準確測量其中的光信號波的長度，不受光強波動和傳輸光纖彎曲損耗影響。光纖傳感器具有自動修復功能，一般在橋梁工程結構的健康監測時，需要將傳感器的一端串接光纖網絡分析儀器的一端，實時獲取傳感器接收的信號。如果在操作使用中，發生了串接線路斷裂的情況，可以中斷一端，將另外一端進行連接，確保分析儀器可以自動恢復運行。

總之，光纖傳感系統下的橋梁健康監測系統是一個應用平臺，以橋梁結構監測為核心，采用光纖光傳播傳感技術及時、準確地對橋梁關鍵部分的結構變形情況、環境溫度和濕度變化、地下水位變化、結構振動等參數進行實時監測。因此，該系統也是一種綜合性系統，可以監測橋梁結構在不同環境、不同荷載、不同條件下的結構變化情況，為后期制定修復和保護措施提供依據和指導，進一步提高橋梁運營管理水平，確保橋梁運營的安全和穩定，有效預防各種病害的發生，提高橋梁的使用壽命。

4.2 全球衛星定位系統

在當前的橋梁工程技術的發展下，大跨度橋梁設計促使橋梁結構更加多樣、靈活，可以抵抗外界溫度、風力、地震等因素的荷載和沖擊，尤其是在有限元模型升級、結構異常響應預測、安全狀況評估中，發揮重要的作用。當前，在橋梁工程變形、撓度、沉降等位移性測量中，需要有先進技術的支撐。比如，可以采用全球衛星定位系統，通過在橋梁中安裝定位傳感器，監測健康狀況，如圖1 所示。

該系統主要對橋梁的絕對位移進行監測，通過接收導航衛星載波相位數據信息，監測橋梁的位移情況，是一種差分系統。該系統具體包括定位基準站和監測站、通信系統等。其中，基準站可以獲取衛星差分信息系統接收到的光纖信號，后將其傳遞到監測站內，監測站主要接收衛星信號和基準站數據信息，通過實時差分得出基準站的三維空間坐標，并將最終的結果傳遞到監控中心中。通過監控中心對接收機的定位差分結果進行分析，以此把握橋面和橋墩的位移程度、計算轉角，為管理部門進行安全監管和控制提供依據。當前，該系統已經得到了較快的發展，推動了橋梁健康監測應用技術的進步，但是還存在一定的技術性限制問題，導致應用范圍小。對此在未來還需要加強研究和分析，做好以下幾個方面工作：第一，提高定位測量質量，確保衛星定位能見距離適中，科學應用幾何學，保證信號傳輸質量，注意定位系統光波通過電離層和對流層時的時間；第二，解決衛星設備在不同空間位置上的定位精準度差異，對不同城市的地質條件和通信條件進行分析；第三，盡量將測量精準度控制在厘米和毫米之內，有效提高其精準度。

4.3 無線網絡傳感技術

當前，在橋梁健康監測中，需要在被監測區域內安裝傳感器，將傳感器節點采集到的數據信息傳輸到處理中心；在處理完成后，對數據進行分析、存儲；通過無線通信技術，再次傳輸到網關節點；最終，通過相關網絡平臺將監測數據信息傳送到監控中心，確保系統在發現異常后自動報警，便于掌握橋梁的具體運行情況。

5 結語

總之，我國橋梁健康監測還處于起步階段，基于物聯網可以獲得較快的發展，市場前景好，且在橋梁逐步老化的情況下，市場需求會進一步增加。對傳感器設備的使用壽命進行分析，橋梁健康監測市場是循環、可持續發展的。如果在橋梁工程規劃和設計、施工等階段，制訂基于物聯網的橋梁健康監測方案，則會進一步擴大市場。當前自然環境復雜多變，地質災害頻繁發生，橋梁健康監測是一個有前景的市場，在一些地區的需求會持續高漲。因此需要加強重視，不斷完善現有的基于物聯網的橋梁健康監測系統，充分發揮系統的安全監管職責和作用。