吳華燈 趙賢任

橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

吳華燈 趙賢任

吳華燈，2008年畢業(yè)于中山大學(xué)計(jì)算機(jī)系，理學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)集成研究，現(xiàn)任廣東省地震監(jiān)測(cè)中心技術(shù)室副主任。曾主持開(kāi)發(fā)了一批軟硬件產(chǎn)品，并在系統(tǒng)內(nèi)得到推廣應(yīng)用。近5年來(lái)，作為項(xiàng)目主要成員參與并完成地震行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)和廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目5 項(xiàng)，主持完成地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)，主持完成廣東省科技廳項(xiàng)目協(xié)作任務(wù)1 項(xiàng)，完成中國(guó)地震局業(yè)務(wù)司“強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)管理軟件”開(kāi)發(fā)任務(wù)1 項(xiàng)，發(fā)表EI 和核心期刊論文10多篇，參編國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2 部，獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利2 項(xiàng)，參加多屆粵港澳地區(qū)地震科技研討會(huì)、強(qiáng)震動(dòng)觀(guān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用專(zhuān)業(yè)研討會(huì)等學(xué)術(shù)會(huì)議。曾獲廣東省防震減災(zāi)優(yōu)秀成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第三）、中國(guó)地震局震害防御司強(qiáng)震動(dòng)觀(guān)測(cè)技術(shù)革新獎(jiǎng)（排名第一）、第十屆全國(guó)虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用方案有獎(jiǎng)?wù)魑母?jìng)賽一等獎(jiǎng)（排名第一）。

項(xiàng)目研發(fā)背景

2007年6月15日，廣東省九江大橋23號(hào)橋墩被船撞擊，22號(hào)和24號(hào)橋墩隨后倒塌，200米橋面墜入江中，致使4輛汽車(chē)墜入江中，事故導(dǎo)致7人死亡，2人下落不明，成為新中國(guó)成立以來(lái)最大的坍橋事故。事故發(fā)生后，引起廣東省地震局黨組的高度重視，隨即組織技術(shù)人員對(duì)事故進(jìn)行了思考和分析，提出盡快開(kāi)發(fā)出一套具備橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)及碰撞報(bào)警功能的軟硬件系統(tǒng)，并與廣東省相關(guān)主管部門(mén)就“在廣東省內(nèi)有條件的橋梁上設(shè)置強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施”事宜開(kāi)展溝通協(xié)調(diào)。事情經(jīng)過(guò)近一年的推進(jìn)，廣東省交通廳于2008年3月5日，向省地震局、各地市以上市公路局、廣州市建委及省內(nèi)有關(guān)路橋公司等部門(mén)，發(fā)出了“關(guān)于在我省特大橋梁上設(shè)置強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施的通知”。通知明確規(guī)定：廣東省公路橋梁主跨150米以上，跨江海、河流的特大橋，按照“統(tǒng)籌實(shí)施，分步推進(jìn)”的原則，設(shè)置強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施。先期開(kāi)展虎門(mén)大橋等4座大橋的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)工作，在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再在全省特大橋梁全面推廣強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)工作?！皹蛄簭?qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”的軟硬件開(kāi)發(fā)工作隨即全面開(kāi)展。

項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

研制多通道強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器。

開(kāi)發(fā)橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件。

項(xiàng)目研究目標(biāo)

研制出一臺(tái)多通道強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器和一套橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件并進(jìn)行系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)橋梁地震反應(yīng)專(zhuān)用臺(tái)陣的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和交互分析等功能，達(dá)到對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)、安全診斷和震動(dòng)報(bào)警的目的。

“6?15”九江大橋坍橋事故現(xiàn)場(chǎng)

系統(tǒng)功能指標(biāo)

多通道強(qiáng)震動(dòng)采集器具備以下功能指標(biāo)：

?單臺(tái)設(shè)備支持48通道的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，可擴(kuò)容到96通道信號(hào)輸入。

?采用了經(jīng)濟(jì)型的搭建方式，使用數(shù)字抗混疊濾波器，采集精度達(dá)16位分辨率，動(dòng)態(tài)范圍90 dB，可升級(jí)到24位分辨率、120 dB動(dòng)態(tài)范圍，采樣速率支持到250 SPS。標(biāo)配單分向、兩分向、3分向DC-80 Hz頻響、120 dB動(dòng)態(tài)范圍甚至更高的加速度計(jì)。

?在實(shí)時(shí)RT設(shè)計(jì)上，具備IIR-A、CLASSIC STRONG MOTION、IIR-C三種觸發(fā)濾波器和多種采集觸發(fā)策略。結(jié)合FPGA設(shè)計(jì)，具備標(biāo)定信號(hào)的多路轉(zhuǎn)換控制。

?具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的MiniSEED格式壓縮封裝，并能夠按照NetSeis/ IP協(xié)議，無(wú)縫接入國(guó)內(nèi)地震行業(yè)“區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)常規(guī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)JOPENS”的地震數(shù)據(jù)流服務(wù)器。

?多通道數(shù)據(jù)采集器的上位機(jī)軟件，具備遠(yuǎn)程波形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算（包括最大加速度、最小加速度、均值加速度、峰值加速度、均方根、sigma等）、強(qiáng)震動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、本地記錄、遠(yuǎn)程記錄、遠(yuǎn)程標(biāo)定、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)的FFT分析、STFT分析等功能。

?支持?jǐn)?shù)據(jù)非壓縮傳輸。

?能顯示設(shè)備的系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS狀態(tài)、秒脈沖狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、硬盤(pán)和內(nèi)存空間使用情況等。

?支持大容量的存儲(chǔ)空間，可外掛1T容量的硬盤(pán)、10/100 BaseT以太網(wǎng)口、設(shè)備防塵防雨等級(jí)IP65、設(shè)備適應(yīng)-40～70℃溫度及5%～95%工作濕度、適合9～18V供電等。

橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件具備以下功能：

?能對(duì)多座橋梁地震臺(tái)陣數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集。

?能對(duì)多座橋梁地震臺(tái)陣進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理（峰值加速度計(jì)算、CoC矩陣計(jì)算、反應(yīng)譜分析等）、前臺(tái)數(shù)據(jù)交互分析。

?能對(duì)多座橋梁地震臺(tái)陣進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

?能對(duì)多座橋梁地震臺(tái)陣進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)震動(dòng)狀況監(jiān)測(cè)、安全診斷及報(bào)警。

多通道強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器

成果應(yīng)用情況

目前，項(xiàng)目成果已經(jīng)在廣東省佛開(kāi)高速公路有限公司的“佛開(kāi)高速九江大橋強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)和警報(bào)系統(tǒng)”工程項(xiàng)目、廣東虎門(mén)大橋有限公司的“虎門(mén)大橋強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)和警報(bào)系統(tǒng)”工程項(xiàng)目、廣州珠江黃埔大橋建設(shè)有限公司的“黃埔大橋強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)和警報(bào)系統(tǒng)”工程項(xiàng)目、新豐江大壩地震反應(yīng)專(zhuān)用臺(tái)陣升級(jí)改造項(xiàng)目、湖北省地震局地震工程研究院水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目中得到應(yīng)用。還擬定了下一步在汕頭礐石大橋地震反應(yīng)專(zhuān)用臺(tái)陣和汕頭國(guó)際隔震試驗(yàn)樓臺(tái)陣等項(xiàng)目中的應(yīng)用方案。

橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)軟件報(bào)警界面

自從2012年11月本項(xiàng)目成果在河源新豐江水庫(kù)大壩地震反應(yīng)專(zhuān)用臺(tái)陣上使用以來(lái)，記錄了大量震級(jí)在M 1.5到M 2.5的地震，其中記錄最大的地震事件是2013年2月22日11時(shí)34分發(fā)生在河源的M 4.8地震，取得了新豐江大壩強(qiáng)震動(dòng)觀(guān)測(cè)史上最有價(jià)值的數(shù)據(jù)?！笆晃濉币詠?lái)，該臺(tái)陣使用的是國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，由于設(shè)備的不穩(wěn)定和故障原因，漏記了多次有價(jià)值的地震事件，而本項(xiàng)目研制出的設(shè)備，在試運(yùn)行時(shí)便采集到了很多有價(jià)值的數(shù)據(jù)。項(xiàng)目成果在佛開(kāi)高速九江大橋、虎門(mén)大橋、廣州珠江黃埔大橋等橋梁臺(tái)陣上部署以來(lái)，也記錄了大量的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值加速度分析、快速傅立葉變換、窗口傅立葉變換、反應(yīng)譜的計(jì)算和繪圖，得出了這些橋梁關(guān)鍵部位的峰值加速度、頻率分布情況、橋面地震響應(yīng)及傳遞函數(shù)和橋梁的振動(dòng)周期等，效果明顯。

成果主要效益

“橋梁強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)”的研制成功，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)受震動(dòng)狀況并進(jìn)行地震事件或碰撞事件的實(shí)時(shí)報(bào)警；可以獲得橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)變化數(shù)據(jù)，為判斷橋梁健康狀態(tài)提供依據(jù)；可以捕獲寶貴的強(qiáng)震時(shí)程數(shù)據(jù)，服務(wù)于橋梁工程抗震設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)多通道強(qiáng)震監(jiān)測(cè)應(yīng)用上處于領(lǐng)先水平，其中數(shù)據(jù)采集器在性能和功能上，已經(jīng)超越了進(jìn)口設(shè)備，總體上使我們擺脫對(duì)進(jìn)口設(shè)備昂貴的費(fèi)用負(fù)擔(dān)和技術(shù)牽制，將開(kāi)創(chuàng)科學(xué)儀器技術(shù)創(chuàng)新格局，并向產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)，力促經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上一個(gè)臺(tái)階。

廣東省交通廳粵交基函〔2008〕407號(hào)文件要求，對(duì)我省公路橋梁主跨150米以上，跨海、河流的特大橋，按照“統(tǒng)籌實(shí)施，分步推進(jìn)”的原則，設(shè)置強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施。當(dāng)前，已經(jīng)在廣東省4座特大型橋梁上設(shè)置的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施，使用了本項(xiàng)目的研究成果。據(jù)2007年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，僅廣東橋梁（縣道以上）就達(dá)3.6萬(wàn)余座。其中一類(lèi)橋（完好、良好狀態(tài)）5935座，占40.89%，特大橋梁上百座，其他省份知名的特大橋梁數(shù)目也非常多。本項(xiàng)目研究成果的應(yīng)用數(shù)量按保守估計(jì)每年10套計(jì)算，預(yù)計(jì)投入成本300萬(wàn)元人民幣，可實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入600萬(wàn)元人民幣，具有非常好的市場(chǎng)前景。

根據(jù)國(guó)務(wù)院2004年第409號(hào)令的要求，重大工程、生命線(xiàn)工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)均要設(shè)置強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施。本項(xiàng)目的研究成果，可進(jìn)一步應(yīng)用到其他重大工程、生命線(xiàn)工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)上，將獲取豐富的結(jié)構(gòu)抗震性能信息、提高結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)水平，將能實(shí)時(shí)地對(duì)工程建筑結(jié)構(gòu)物的健康進(jìn)行診斷。特別是在遇到突發(fā)性震動(dòng)破壞事件時(shí)，能對(duì)重大工程、生命線(xiàn)工程實(shí)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，及時(shí)采取應(yīng)急措施，進(jìn)而減輕突發(fā)性破壞事件造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡。

后續(xù)發(fā)展

項(xiàng)目的后期，依托中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)資源，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的其他科研小組在早期項(xiàng)目成果的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了后續(xù)開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)是基于B/S框架開(kāi)發(fā)了大型橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)分析信息系統(tǒng)軟件，冠名“大型橋梁地震安全性在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)”。

建設(shè)的主要內(nèi)容如下：

1.基于瀏覽器端開(kāi)發(fā)符合用戶(hù)需求的大橋振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用，主要功能包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹與參數(shù)設(shè)置、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)瀏覽、多指標(biāo)融合分析及仿真五部分；

2.開(kāi)發(fā)與瀏覽器端系統(tǒng)相匹配的WEB后臺(tái)管理系統(tǒng)，主要功能包括數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理三部分。

基于B/S架構(gòu)的報(bào)警模塊

未來(lái)展望

項(xiàng)目在立項(xiàng)時(shí)，重點(diǎn)的服務(wù)對(duì)象是“大型橋梁”，因此軟件的很多功能指標(biāo)是針對(duì)橋梁而開(kāi)發(fā)，缺乏普適性。但項(xiàng)目在總體設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，其頂層設(shè)計(jì)是考慮了能采集并匯集生命線(xiàn)工程（機(jī)場(chǎng)、港口、燃?xì)鈽屑~、供水管道、海洋平臺(tái)等）、超高層建筑（電視塔、商務(wù)中心等）和特殊結(jié)構(gòu)（地鐵、新型橋梁、大壩、核電站等）等強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施的數(shù)據(jù)的，后期尚需針對(duì)不同的觀(guān)測(cè)對(duì)象，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理功能模塊，使得強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)具有更好的通用性，以滿(mǎn)足防震減災(zāi)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。