金林榮 尤 婷 呂梅蕾 范 杰 包飛翔

（衢州學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，浙江 衢州324000）

1 物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，簡稱IOT)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)，不如說物聯(lián)網(wǎng)是業(yè)務(wù)和應(yīng)用。因此，應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新2.0是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。

從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)角度解讀物聯(lián)網(wǎng)，可以將支持物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)分為四個層次：感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、支撐技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)。感知技術(shù)是指能夠用于物聯(lián)網(wǎng)底層感知信息的技術(shù)，它包括RFID與RFID讀寫技術(shù)、傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人智能感知技術(shù)、遙測遙感技術(shù)以及IC卡與條形碼技術(shù)等。?傳輸技術(shù)是指能夠匯聚感知數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，它包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地面無線傳輸技術(shù)以及衛(wèi)星通信技術(shù)等。支撐技術(shù)是指用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和利用的技術(shù)，它包括云計算與高性能計算技術(shù)、智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、GIS/GPS技術(shù)、通信技術(shù)以及微電子技術(shù)等。應(yīng)用技術(shù)是指用于直接支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)運行的技術(shù)，它包括物聯(lián)網(wǎng)信息共享交互平臺技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲技術(shù)以及各種行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)在業(yè)界大致被公認(rèn)為有3個層次，自下而上依次是感知層、傳送層和應(yīng)用層。如果拿人來比喻的話，感知層就像皮膚和五官，用來識別物體、采集信息；傳送層則是神經(jīng)系統(tǒng)，將信息傳遞到大腦進(jìn)行處理；人能從事各種復(fù)雜的事情，這就是各種不同的應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)示意

感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體、采集信息。

網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分運用在各行各業(yè)之中，主要把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。從而可以以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。

2 橋梁安全與健康監(jiān)測

2.1 橋梁健康監(jiān)測原因

橋梁的運營環(huán)境非常的復(fù)雜，影響橋梁運營安全和健康的不利因素分為外部因素和內(nèi)部因素兩方面，具體情況如下：

2.1.1 大自然的不可抗力（如滑坡、地震、惡劣天氣等等）的影響；

2.1.2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷的影響；

2.1.3 橋梁結(jié)構(gòu)材料腐蝕老化等的影響；

2.1.4 橋梁自身承受重力能力等的影響。

這些因素不僅會影響人們行車安全，更會縮短橋梁使用壽命，因此對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行檢測與監(jiān)測甚至對其安全性能進(jìn)行評估是維護(hù)橋梁正常運營重要內(nèi)容之一。

2.2 橋梁健康監(jiān)測的概念

橋梁健康監(jiān)測概念是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，從而為橋梁維護(hù)維修與管理決策提供更好、更有效的依據(jù)和指導(dǎo)。

2.3 橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)容

2.3.1 施工階段的健康監(jiān)測內(nèi)容

由于在施工階段會受到一些不利因素的影響，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形和受力與原先橋梁設(shè)計狀態(tài)要求不符。為了避免以上問題的出現(xiàn)，我們在施工中需要進(jìn)行健康監(jiān)測。其監(jiān)測的主要內(nèi)容如下：

1）幾何形態(tài)檢測。獲取已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)的實際幾何形態(tài)參數(shù)，如高程、結(jié)構(gòu)或纜索的線形、結(jié)構(gòu)物的變形和位移等。

2）橋梁截面應(yīng)力監(jiān)測。主要是對混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測，也是橋梁施工過程的安全預(yù)警系統(tǒng)。

3）索力監(jiān)測。近年來大跨徑橋梁采用斜拉橋和懸索橋等纜索承重結(jié)構(gòu)越來越普遍，而斜拉橋的斜拉索懸索橋的主纜索及吊索的索力是設(shè)計的重要參數(shù)，也是橋梁安全監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容。

4）預(yù)應(yīng)力監(jiān)測。主要對預(yù)應(yīng)力筋的張拉真實應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力管道摩擦導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失以及永久預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行監(jiān)測。

5）溫度監(jiān)測。對大跨徑橋梁，尤其是斜拉橋或懸索橋，其溫度效應(yīng)十分明顯，斜拉橋的斜拉索隨溫度的升降直接影響主梁的標(biāo)高；懸索橋主纜索的線形也將隨溫度而變化，此時對溫度進(jìn)行監(jiān)測十分必要。

6）下部結(jié)構(gòu)監(jiān)測。對于斜拉橋和懸索橋等特大型橋梁，其購物基礎(chǔ)分部集中，荷載集度通常非常大，因而必須對地基的內(nèi)外部變形、地錨的應(yīng)力以及主塔樁基的軸力等進(jìn)行監(jiān)測。

2.3.2 運營階段的健康監(jiān)測內(nèi)容及使用的傳感器

1）荷載監(jiān)測。包括風(fēng)、地震等。所使用的傳感器有：風(fēng)度儀——記錄風(fēng)向、風(fēng)速進(jìn)程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得到風(fēng)功率譜；強(qiáng)震儀——記錄地震作用。

2）表面形貌監(jiān)測。監(jiān)測橋梁各部分的靜態(tài)位置、動態(tài)位置、沉降、傾斜、位移等。所使用的傳感器有：位移計、傾角儀、GPS、數(shù)字相機(jī)等。

3）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測。監(jiān)測橋梁的應(yīng)變、應(yīng)力、索力、動力反應(yīng)、扭矩等。所使用的傳感器有：應(yīng)變儀——記錄橋梁靜動力應(yīng)變、應(yīng)力，連接數(shù)據(jù)處理后可得構(gòu)件疲勞應(yīng)力循環(huán)譜；測力計（力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷）——記錄主纜、錨桿、吊桿的張拉歷史；加速度計——記錄結(jié)構(gòu)及各部分的反應(yīng)加速度，連接數(shù)據(jù)處理后可得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

4）振動監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動、沖擊、機(jī)械導(dǎo)納以及模態(tài)參數(shù)等。

5）性能趨向監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)構(gòu)的各種主要性能指標(biāo)等。

6）非結(jié)構(gòu)部件及輔助設(shè)施。監(jiān)測支座、振動控制設(shè)施等。

根據(jù)監(jiān)測對象的不同，影響其工作性能的控制因素也就不同，從而導(dǎo)致監(jiān)測出的物理參數(shù)也盡不相同。因為同一物理參數(shù)對不同的結(jié)構(gòu)又具有不同的靈敏度，所以效果也不同。因此，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對象的選擇是至關(guān)重要的一步。

對于大型橋梁結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)以振動監(jiān)測、荷載監(jiān)測、強(qiáng)度監(jiān)測和表面形貌監(jiān)測為主要目標(biāo)，且選擇靈敏度高的特征參數(shù)或幾種參數(shù)聯(lián)合使用作為監(jiān)測對象。

2.4 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成及監(jiān)測管理方法

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括各類軟硬件系統(tǒng)，其中各類高性能智能傳感元件、信號采集與通訊系統(tǒng)、綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理與動態(tài)管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)實時損傷識別、定位與模型修正系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康診斷、安全預(yù)警與可靠性預(yù)測系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是利用一些傳感器（如光纖傳感器、壓電傳感器、GPS、風(fēng)速風(fēng)向儀等）來讀取橋梁各部分結(jié)構(gòu)的傾斜、應(yīng)力、沉降、位移、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐蛄罕O(jiān)控室的數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，由專業(yè)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和處理方法來對信號進(jìn)行存儲、處理、分析和顯示，最終顯示給用戶的是一段時間內(nèi)連續(xù)采集的各個數(shù)據(jù)。各方專家會同橋梁設(shè)計部門可以對某些數(shù)據(jù)設(shè)立警戒值，當(dāng)某個數(shù)據(jù)超過了相應(yīng)的警戒值，系統(tǒng)會主動報警，提醒管理人員及時做出反應(yīng)。

因而對于橋梁運營期間結(jié)構(gòu)安全和健康的監(jiān)測，我們應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)工程的理論、方法及實踐有效的結(jié)合起來，深入了解橋梁安全和健康的各種因素的特性及相互關(guān)系和橋梁表觀病害與結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的關(guān)系。隨著科技的迅猛發(fā)展，我們尋求到更有效對橋梁安全和健康狀態(tài)監(jiān)控管理的方法——物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)。

圖2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3 橋梁安全評估

橋梁的安全評估的性能指標(biāo)內(nèi)容包括：（1）可靠性評估，橋梁各組成部分在強(qiáng)度、剛度等方面是否滿足現(xiàn)有運輸荷載的要求以及能否適應(yīng)運輸荷載的進(jìn)一步發(fā)展；（2）耐久性評估，指建橋材料的耐久性和結(jié)構(gòu)抗疲勞損傷的性能，即迄今為止的疲勞損傷度及剩余壽命；（3）適用性評估，主要指車輛通過橋梁時走行的安全性和舒適度等。

3.1 監(jiān)測參數(shù)與評價指標(biāo)選取

橋梁在長期的使用過程中不免會發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷，損傷的原因可以是使用、維護(hù)不當(dāng)、車禍?zhǔn)鹿实热藶橐蛩?，也可能是地震、風(fēng)暴等自然災(zāi)害。此外某些要道上交通量以大大高于預(yù)測流量的速度猛增也加劇了橋梁結(jié)構(gòu)的自然老化，這些因素均導(dǎo)致了橋梁承載能力和耐久性的降低，甚至影響到運營的安全。因此如何合理評估現(xiàn)有橋梁的承載能力，并使之規(guī)范化，便成為橋梁狀態(tài)評估的核心。在此基礎(chǔ)上才能對橋梁的損傷和病害建立一套現(xiàn)實客觀的維修決策系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外對橋梁健康狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的綜合性指標(biāo)，對橋梁進(jìn)行安全性評估，首先建立系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，除需驗算其承載能力外，尚需通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的實測，評估其承載狀態(tài)（構(gòu)造、不適于繼續(xù)承載的位移或變形、裂縫等）的安全性，才能全面地做出評定結(jié)論。指標(biāo)體系是決策過程中對某一問題進(jìn)行決策的判據(jù)，評價指標(biāo)的制定要盡可能地做到科學(xué)、合理、實用。對于不同結(jié)構(gòu)的橋梁，其評價指標(biāo)體系亦應(yīng)有所差異和側(cè)重。

橋梁監(jiān)測參數(shù)指標(biāo)有動力參數(shù)指標(biāo)和靜力參數(shù)指標(biāo)，對橋梁的遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)測，以使用最少的監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測成本為宜，靜力參數(shù)指標(biāo)比較適合。而且，橋梁結(jié)構(gòu)的靜力參數(shù)指標(biāo)測量要比動力參數(shù)指標(biāo)的提取更直接，并且在測量精度上前者優(yōu)于后者。橋梁結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)變是反映橋梁安全性的重要指標(biāo)。橋梁撓度監(jiān)測主要是測量活荷載引起結(jié)構(gòu)的變化，應(yīng)變監(jiān)測反映了橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下構(gòu)件的局部受力狀況。

3.2 評估方法與流程

20世紀(jì)80年代中期以來，國內(nèi)外學(xué)者針對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性評價進(jìn)行了廣泛深入的研究，提出了層次分析、灰色關(guān)聯(lián)分析與變權(quán)綜合等多種方法。但現(xiàn)有的評價方法存在評價模型簡單、指標(biāo)體系不完整以及評價結(jié)果較為粗糙等缺點，而且往往集中于對橋梁各部分構(gòu)件的檢測與單獨評價，缺乏對橋梁整體安全性的綜合評價?，F(xiàn)有的評估方法各有優(yōu)缺點及適用條件，在橋梁的實際評估過程中，可以結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的具體特點和受力機(jī)理，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全評價體系，開發(fā)不同原理、相互補(bǔ)充的安全評價方法，建立橋梁安全性評估模型，對橋梁的安全性進(jìn)行綜合評定。近年來人們提出了許許多多的結(jié)構(gòu)整體檢測方法，從研究和應(yīng)用的角度看,這些方法大致可分為模型修正法和指紋分析法兩大類：

模型修正法在橋梁健康監(jiān)測中主要用于把試驗結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)記錄與原先的模型計算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測知的模態(tài)參數(shù)、加速度時程記錄、頻率響應(yīng)函數(shù)等，通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度分布，從而得到結(jié)構(gòu)剛度變化的信息，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。這種方法在劃分和處理子結(jié)構(gòu)上具有很多優(yōu)點，但由于測試模態(tài)集不完備、測試自由度不足以及測量噪信比高的原因，很少能給出修正所需的足夠信息，導(dǎo)致了解的不唯一。同時采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行參數(shù)估計時易產(chǎn)生病態(tài)方程。針對這些問題，一方面，可以考慮利用動邊界條件進(jìn)行子結(jié)構(gòu)模型修正以減少未知數(shù)的方法；另一方面，可以通過良態(tài)建模、合理劃分子結(jié)構(gòu)以及最優(yōu)測點布置來獲取最大信息量進(jìn)行解決。目前這些方法都在研究之中。

結(jié)構(gòu)整體監(jiān)測的另一類方法就是尋找與結(jié)構(gòu)動力特性相關(guān)的動力指紋，通過這種指紋的變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實狀況.通常用到的動力指紋有頻率、振型、振型曲率/應(yīng)變模態(tài)、功率譜、MAC(模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn))、COMAC(坐標(biāo)模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn))指標(biāo)等。大量的模型和實際結(jié)構(gòu)試驗表明結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的固有頻率變化很小，而振型雖然對局部剛度變化比較敏感，但精確量測比較困難。MAC，COMAC等依賴于振型的動力指紋都遇到同樣的問題。振型曲率應(yīng)變模態(tài)則在傳統(tǒng)的低幅值振動測試中變化量量級過小，難以起到有效的判別作用。這類方法的成功應(yīng)用將有待于尋找新的動力指紋。

在監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，根據(jù)評價及決策分析所關(guān)注的問題和目標(biāo)，結(jié)合橋梁數(shù)據(jù)庫、專家知識庫、橋梁運營現(xiàn)狀條件等確定相關(guān)判據(jù)及評價指標(biāo)體系和邊界條件，建立評價及決策系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在最優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)的評價和決策。橋梁安全評估流程如圖3所示。

4結(jié)語

隨著我國公路交通業(yè)的高速發(fā)展。各類已建橋梁結(jié)構(gòu)滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運營的情況十分普遍，加之各種自然災(zāi)害的影響及周邊環(huán)境的人為改變，橋梁的安全運營問題日益引起人們的重視?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建橋梁安全監(jiān)測評估系統(tǒng)，目的在于能夠充分利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建更為科學(xué)和完善的橋梁安全與健康監(jiān)測體系。以提高橋梁運營管理的水平和效率。希望得到業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的關(guān)注、支持和指導(dǎo)，使該體系得到完善和改進(jìn)。并能夠在橋梁安全運營管理工作中得到實際的應(yīng)用和推廣。

［1］王海英.橋梁健康無線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

［2］蔣林濤.互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010，23(2)：1-5.

［3］淡丹輝，何廣漢.橋梁結(jié)構(gòu)傳感器優(yōu)化布置法[J].工程設(shè)計CAD與智能建筑，2002，19(2)：53-56.

［4］唐亞鳴，張河.信息傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].智能建筑與城市信息，2003，10(5)：48-50.

［5］張永清，馮忠居.用層次分析法評價橋梁的安全性[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報，2001，21(3)：52-56.

［6］蘭海，史家鈞.灰色關(guān)聯(lián)分析和變權(quán)綜合法在橋梁評估中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2001，29(1)：50-54.

［7］張啟偉，袁萬城，范立礎(chǔ).大型橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，1997，25(增刊)：76-81.