中國(guó)西部高原山地鋼結(jié)構(gòu)特大橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)研究

顧永標(biāo)

（貴州高速公路集團(tuán)有限公司安順營(yíng)運(yùn)中心，貴州安順 561000）

1 工程概況

壩陵河大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2008 年11 月進(jìn)行招標(biāo)，中標(biāo)單位于2009 年9 月進(jìn)場(chǎng)施工；2010 年12 月完成外場(chǎng)設(shè)備安裝；2011 年4 月完成臨時(shí)監(jiān)控中心內(nèi)場(chǎng)設(shè)備安裝；2011 年12 月完成交工驗(yàn)收。

壩陵河大橋宣教館具備提供永久監(jiān)控中心的安置條件，于2015 年5 月開始對(duì)監(jiān)控中心進(jìn)行搬遷，對(duì)系統(tǒng)故障設(shè)備進(jìn)行更換升級(jí)，于2015 年7 月完工。主要工作內(nèi)容為監(jiān)控室搬遷、GNSS 基準(zhǔn)站搬遷、顯示拼接大屏安裝、視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)、部分故障設(shè)備更換與維修。壩陵河大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行期間，對(duì)2010年關(guān)嶺地震、凍雨及道路結(jié)冰、行經(jīng)大橋的車輛自燃、2016 年大風(fēng)風(fēng)災(zāi)等應(yīng)急事件提供了數(shù)據(jù)支持。

圖1 橋型總體布置圖

2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 橋梁健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括以下方面：

2.1.1 結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)

為了解橋梁結(jié)構(gòu)的整體工作狀態(tài)，從宏觀上分析結(jié)構(gòu)工作性能的變化規(guī)律，需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)橋梁整體變形參數(shù)。通過安裝傳感器采集橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)，如位移、沉降、傾斜、加速度、振幅、頻率等，用于實(shí)時(shí)或定期監(jiān)測(cè)橋梁的結(jié)構(gòu)狀況。

2.1.2 荷載參數(shù)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)橋梁的荷載信息，用于評(píng)估橋梁的荷載狀態(tài)和荷載歷史，為結(jié)構(gòu)健康評(píng)估提供依據(jù)。

2.1.3 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)

通過傳感器監(jiān)測(cè)橋梁所處環(huán)境的參數(shù)，如溫度、濕度、風(fēng)速、雨量等，用于分析環(huán)境因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康的影響。

2.親蝦越冬及培育 親蝦暫養(yǎng)于土池中，搭建加溫大棚越冬，通過環(huán)保鍋爐加熱，期間水溫保持15～18℃。至3月上旬，親蝦移入加溫苗池進(jìn)行產(chǎn)卵培育，逐漸升高水溫至26～28℃，促進(jìn)親蝦性腺進(jìn)一步成熟。加強(qiáng)親蝦營(yíng)養(yǎng)直接關(guān)系到卵和幼體質(zhì)量。日常投喂羅氏沼蝦專用配合飼料外，同時(shí)搭配投喂切碎的胡蘿卜、南瓜等新鮮蔬菜和冰鮮魚塊，確保營(yíng)養(yǎng)豐富、全面。日投喂量一般在4%～5%左右，投喂新鮮飼料時(shí)適當(dāng)增加投喂量，越冬期間視情況適量投喂。培育期間保持環(huán)境安靜，水質(zhì)清新，溶氧豐富，必要時(shí)換水。池內(nèi)放置PVC管和網(wǎng)衣作為隱蔽物，減少殘殺。

2.1.4 振動(dòng)、裂縫、撓度等局部損傷檢測(cè)

通過對(duì)橋梁局部區(qū)域的振動(dòng)、裂縫、撓度等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的局部損傷。

通過橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)在管橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)整體把控，為養(yǎng)護(hù)決策和規(guī)劃提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)橋梁病害、橋梁管養(yǎng)分級(jí)，使養(yǎng)護(hù)資金的分配更加合理，養(yǎng)護(hù)維修措施更有針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期總體養(yǎng)護(hù)資金投入最小化，降低維養(yǎng)成本[1]。

2.2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史查詢、統(tǒng)計(jì)分析、專項(xiàng)在線分析于一體，其主要由感知層、采集層、傳輸層、云服務(wù)器和人機(jī)交互幾部分組成。在橋梁各關(guān)鍵部位安裝各類傳感器后，將數(shù)據(jù)接入采集設(shè)備，采集設(shè)備初步運(yùn)算后通過4G 無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)輸出到云服務(wù)器；云服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后下發(fā)到后端。

用戶門戶、GIS 地圖集成、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、車輛監(jiān)測(cè)、綜合報(bào)警、報(bào)告報(bào)表、監(jiān)測(cè)配置等子系統(tǒng)共同構(gòu)成橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架，如圖2 所示。

圖2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能

3.1 在線監(jiān)測(cè)，超限報(bào)警

該系統(tǒng)能夠通過實(shí)時(shí)傳輸?shù)臉蛄航】当O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行橋梁狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、集中管理及展示。參照《公路長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試點(diǎn)建設(shè)技術(shù)指南》（2021 試行版），建立橋梁健康監(jiān)測(cè)三級(jí)報(bào)警體系（藍(lán)色報(bào)警、黃色報(bào)警、紅色報(bào)警），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁健康數(shù)據(jù)。在橋梁運(yùn)營(yíng)狀況異常時(shí)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)（界面提醒、郵件自動(dòng)推送等），提醒相關(guān)人員關(guān)注橋梁的運(yùn)營(yíng)與安全狀況，并采取合理的應(yīng)對(duì)措施，消除橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超限報(bào)警狀態(tài)，使橋梁處于正常服役水平。同時(shí)，該系統(tǒng)可自動(dòng)化生成各類報(bào)告報(bào)表，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、對(duì)比分析、相關(guān)性分析、趨勢(shì)分析等報(bào)告。

3.2 特殊事件報(bào)警體系

針對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)內(nèi)的特殊事件，如結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)、火災(zāi)、車輛撞擊吊索、堵車偏載、惡劣極端天氣等，該系統(tǒng)可以根據(jù)內(nèi)置的各類應(yīng)急預(yù)案及時(shí)采取應(yīng)急響應(yīng)措施（密切跟蹤關(guān)注報(bào)警狀態(tài)、查明報(bào)警原因、提出應(yīng)對(duì)措施），并同步啟動(dòng)應(yīng)急識(shí)別和評(píng)估機(jī)制，出具特殊事件專項(xiàng)評(píng)估報(bào)告，給出具有數(shù)據(jù)支撐的技術(shù)處治建議。

3.3 及時(shí)“感知橋梁”，依據(jù)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果指導(dǎo)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)

“感知橋梁”是基于大橋自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，相關(guān)人員可以依據(jù)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，針對(duì)性地開展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，可避免橋梁病害擴(kuò)大而造成交通中斷等問題[2]。

3.4 為養(yǎng)管規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持

該系統(tǒng)能夠?qū)υ诠軜蛄航Y(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)整體把控，為養(yǎng)護(hù)決策和規(guī)劃提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)橋梁病害、管養(yǎng)分級(jí)，使養(yǎng)護(hù)資金得到合理分配，使養(yǎng)護(hù)維修措施更具針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期總體養(yǎng)護(hù)資金投入最小化，降低維養(yǎng)成本。

4 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

壩陵河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造項(xiàng)目將結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)安全報(bào)警、數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理與存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的人性化交互顯示等各功能集中于同一平臺(tái)。前期統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)籌開發(fā)，預(yù)留自定義接口，后續(xù)分步接入，分階段進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、電子化、信息化養(yǎng)護(hù)管理，監(jiān)管運(yùn)營(yíng)期橋梁結(jié)構(gòu)與行車安全，最大限度地維持橋梁的良好工作狀態(tài)。

該項(xiàng)目旨在升級(jí)改造大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、電子化巡檢子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全報(bào)警與狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)以及用戶界面子系統(tǒng)。系統(tǒng)預(yù)留數(shù)據(jù)接口后續(xù)可接入交通運(yùn)輸部長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)平臺(tái)，總體架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

4.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過傳感器、數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)響應(yīng)和環(huán)境特征數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)處理和控制設(shè)備對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該子系統(tǒng)需滿足以下要求：

第一，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且可擴(kuò)展、易維護(hù)。第二，能夠提供精度、采樣頻率均滿足要求的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。第三，能夠滿足設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的需求，同時(shí)設(shè)備可更換、易標(biāo)定。第四，采集軟件能根據(jù)用戶設(shè)置的采集參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。第五，采集箱能夠自動(dòng)完成GNSS 校時(shí)，不同采集箱應(yīng)能保持同步采集。第六，數(shù)據(jù)采集應(yīng)能在采集箱內(nèi)緩存，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)采集數(shù)據(jù)保存在采集箱內(nèi)。第七，采集箱具備一定的數(shù)據(jù)預(yù)處理、簡(jiǎn)單分析及報(bào)警功能。第八，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備自診斷、自恢復(fù)功能，自動(dòng)定位故障，并實(shí)時(shí)報(bào)警，具有故障隔離功能，出現(xiàn)故障時(shí)不影響其他設(shè)備正常工作。第九，系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，用戶能夠通過因特網(wǎng)遠(yuǎn)程使用該系統(tǒng)。第十，能夠?qū)Σ杉脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)校驗(yàn)和選擇存儲(chǔ)。第十一，對(duì)用于存儲(chǔ)二次處理、數(shù)據(jù)融合、結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，進(jìn)行定期存檔、備份，以保持?jǐn)?shù)據(jù)連續(xù)性。第十二，能夠向結(jié)構(gòu)報(bào)警模塊提供數(shù)量和精度都滿足要求的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。第十三，在結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)可變荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)，并在出現(xiàn)威脅橋梁運(yùn)營(yíng)安全的情況時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)在特殊氣候或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況異常時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，提醒橋梁管理養(yǎng)護(hù)人員關(guān)注結(jié)構(gòu)的安全狀況。必要情況下系統(tǒng)還可以啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，以保障橋梁的安全運(yùn)行[3]。

4.3 電子化巡檢子系統(tǒng)

傳統(tǒng)的巡檢養(yǎng)護(hù)手段并不能滿足工程龐大、構(gòu)造復(fù)雜的特大橋的養(yǎng)護(hù)管理需要。而借助標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的電子化巡檢子系統(tǒng)，能夠?yàn)闃蛄猴L(fēng)險(xiǎn)管理、科學(xué)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)管養(yǎng)工作制度化、管養(yǎng)技術(shù)現(xiàn)代化、管養(yǎng)決策科學(xué)化。

4.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資料分類、高效管理，一方面能夠安全可靠地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)資料，另一方面能夠充分利用數(shù)據(jù)價(jià)值，使之服務(wù)于上層系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)、歷史數(shù)據(jù)的回溯和統(tǒng)計(jì)，各類文檔資料的歸檔、下載、上傳、打印等。

子系統(tǒng)具備以下功能：第一，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)管理，增加或刪除結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)。第二，實(shí)現(xiàn)傳感器管理，增加、刪除、查看、歸屬所屬的監(jiān)測(cè)項(xiàng)、編號(hào)編輯等。第三，實(shí)現(xiàn)各類文檔的管理，增加、刪除、查找等。第四，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)、傳感器、各類基礎(chǔ)庫(kù)的自定義配置。第五，對(duì)大量、多種類數(shù)據(jù)的管理，為多個(gè)子系統(tǒng)提供共享數(shù)據(jù)信息，同時(shí)支持分布式的處理與訪問。第六，支持多并發(fā)用戶的操作，為各應(yīng)用子系統(tǒng)提供可靠的分布式數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)平臺(tái)，方便開發(fā)與使用。

4.5 結(jié)構(gòu)安全報(bào)警與狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全報(bào)警模塊是橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?qū)赡芡{橋梁運(yùn)營(yíng)安全的可變荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)（如主梁變形等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。此外，該模塊能夠提供特殊氣候、交通條件下或橋梁營(yíng)運(yùn)狀況異常時(shí)的報(bào)警信號(hào)，提醒橋梁管理養(yǎng)護(hù)人員及時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)與安全狀況，并啟動(dòng)相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。

充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)安全報(bào)警模塊還能對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析等，為橋梁運(yùn)營(yíng)階段的管理提供技術(shù)支持。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用的最終體現(xiàn)，也是構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中技術(shù)難度最大的部分。該子系統(tǒng)具體功能如下：

第一，具有結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能，能夠給出結(jié)構(gòu)理論計(jì)算值或規(guī)范值，實(shí)現(xiàn)比對(duì)分析和分級(jí)報(bào)警。第二，能在監(jiān)控中心內(nèi)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警值和限值。第三，能夠充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析等，自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)相關(guān)性能報(bào)表，為橋梁運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)管理提供技術(shù)支持。第四，能對(duì)交通流量、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超限、撞擊、異常振動(dòng)等特殊事件數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。第五，具備遠(yuǎn)程信息發(fā)布與共享，遠(yuǎn)程授權(quán)操控功能。第六，橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估，針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、易損性和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，展開相應(yīng)的狀態(tài)評(píng)估工作[4]。

4.6 用戶界面子系統(tǒng)

用戶界面子系統(tǒng)是人機(jī)交互的入口，通過搭建系統(tǒng)軟件平臺(tái)及UI 交互界面，實(shí)現(xiàn)橋梁基礎(chǔ)信息管理、橋梁各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)查看、統(tǒng)計(jì)報(bào)表分析。該子系統(tǒng)具備以下功能：其一，具有地理信息系統(tǒng)（GIS）定位功能，三維可視化顯示橋梁健康監(jiān)測(cè)情況；其二，在線實(shí)時(shí)查看，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)報(bào)警、提示。

5 結(jié)語

簡(jiǎn)而言之，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在養(yǎng)護(hù)管理決策方面有重要意義。交通運(yùn)輸部已經(jīng)將其作為“智慧交通”的重點(diǎn)項(xiàng)目，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，因此應(yīng)繼續(xù)深入研究橋梁物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、養(yǎng)護(hù)管理體系、數(shù)據(jù)深挖掘傳感器研發(fā)等，不斷提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在管理養(yǎng)護(hù)工作中的應(yīng)用價(jià)值。