史曉貞，羅艷利，查正軍

（1.武漢華中科大土木工程檢測中心，湖北武漢 430074；2.上海巨一科技發(fā)展有限公司，上海 200031）

橋梁工程

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析

史曉貞1，羅艷利2，查正軍2

（1.武漢華中科大土木工程檢測中心，湖北武漢 430074；2.上海巨一科技發(fā)展有限公司，上海 200031）

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，總結(jié)了判斷傳感器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的各種方法，并給出了相關(guān)的解決方案，該方法和解決方案在上海長江隧橋、東海大橋、膠州灣大橋、閔浦大橋、閔浦二橋等橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用效果，能及時發(fā)現(xiàn)故障傳感器，并快速修復(fù)，確保橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警和評估的準(zhǔn)確性，合理的判斷大橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

橋梁；健康監(jiān)測；數(shù)據(jù)；分析

1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析研究的重點偏重于監(jiān)測數(shù)據(jù)的后續(xù)處理和利用，如利用各種方法進行結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和預(yù)警、損傷識別等，而很少關(guān)心傳感器本身的采集到數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、是否反映真實情況。如果傳感器本身采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有問題，不能反映橋梁實際承受的各類荷載狀況和結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，勢必影響到后續(xù)的評估和預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性，繼而影響到對大橋狀態(tài)的整體結(jié)論，使得橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測任務(wù)不能順利完成。本文根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，總結(jié)了判斷傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的各種方法。

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析方法

2.1 和傳感器自身的量程比較

這是最初級的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析方法，主要是與每類傳感器自身的量程進行比較，如果超過量程，可認(rèn)為該傳感器發(fā)生問題。如以位移計為例，某座大橋梁端位移計的測量范圍為-500 mm到500 mm，如果該位移計的輸出數(shù)據(jù)一直在600 mm左右變化，基本可以判斷該位移計已壞。

2.2 根據(jù)常識判斷

對于荷載類的傳感器，如溫度計、風(fēng)速儀可以用該方法進行判斷，如在夏天出現(xiàn)零下幾度的溫度，雖然在量程范圍內(nèi)，但由于不符合常識，可認(rèn)為該傳感器準(zhǔn)確性有問題。

2.3 不同位置同種類型傳感器的對比判斷

該判斷方法適用于斜拉橋、懸索橋等有對稱結(jié)構(gòu)的橋梁，根據(jù)相關(guān)理論大橋?qū)ΨQ位置的結(jié)構(gòu)響應(yīng)比較相似，可以利用該特性判斷測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)類傳感器的準(zhǔn)確性，如應(yīng)變計、加速度計、GPS等。

以上海某橋為例，如圖1所示在主梁1／4和3／4截面共布置了4個豎向加速度計，按照理論這兩個截面關(guān)于跨中對稱，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)應(yīng)該一致，可經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，SAV1204、SAV1208、SAV1108的加速度響應(yīng)趨勢一致，而SAV1104的加速度響應(yīng)幅值明顯比其他三個明顯偏小，這必然影響到利用加速度數(shù)據(jù)進行大橋模態(tài)識別的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)該問題后經(jīng)過詳細排查是該加速度的放大系數(shù)設(shè)置有誤所致。

圖1 加速度計布置圖

2.4 不同類型傳感器之間的相關(guān)性分析

該方法適用于測量數(shù)據(jù)之間有比較強相關(guān)性的傳感器類型，如溫度計和梁端位移計、風(fēng)速儀與GPS等，下面以溫度與梁端位移為例說明該類傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析方法。

研究表明大橋的梁端位移與溫度有很高的相關(guān)性，以上海某橋為例，其主航道橋全長1 430 m，縱向約束是對稱布置縱向活動支座，根據(jù)規(guī)范可給出該橋主航道橋梁端位移隨溫度變化的理論公式

ΔL=α*ΔTL，即斜率k=ΔL／ΔT=α*L= 0.000 012*1 430e3／2=8.58 mm／℃

正常情況下，位移變化量和溫度變化量的實測斜率和理論斜率相差不大。如果通過分析發(fā)現(xiàn)這兩者相差過大，有可能是位移計本身的原因（沒有標(biāo)定、位移計已壞等），也有可能是結(jié)構(gòu)損傷或其他荷載變化導(dǎo)致。我們可以用該方法來判斷位移計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖2為該橋梁端位移與溫度相關(guān)性圖，可以看出，梁端四個位移計有三個工作正常，長興島側(cè)上游位移計的實測斜率與理論斜率相差甚遠，經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)該位移計的鋼絲彈簧已斷。

圖2 位移和溫度相關(guān)性圖

2.5 和其它監(jiān)測手段互相對比校核

該方法適用于有其他監(jiān)測方法可以互相校驗的傳感器類型，如在裝有動態(tài)稱重系統(tǒng)的橋梁上，可以根據(jù)視頻監(jiān)控的交通量數(shù)據(jù)來驗證動態(tài)稱重數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 解決方案

3.1 數(shù)據(jù)去噪

如果某個傳感器偶爾有超過量程或不符合常識的點，可以通過一定的方法，進行去噪處理，剔除異常值和噪點，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。一般采用采用拉依達法即“3S準(zhǔn)則”剔除粗差，采用小波變換去除噪點。

3.2 調(diào)整傳感器參數(shù)

如果在正常情況下橋梁對稱位置的加速度計測出的橋梁振動響應(yīng)有很大不同，可能是由于加速度計安裝時放大系數(shù)設(shè)置錯誤導(dǎo)致。發(fā)現(xiàn)該類問題后可以通過調(diào)整加速度放大系數(shù)來解決。

更換光纖類傳感器時容易出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)在更換時間前后變化范圍不一致的情況，根據(jù)橋梁的正常結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在短時間內(nèi)不可能有這樣的突變。經(jīng)過分析，出現(xiàn)上述情況的原因是新更換的傳感器與之前傳感器的初始參數(shù)不一致，可以通過重新配置傳感器的初始參數(shù)（斜率、初值）來解決該問題。

3.3 更換傳感器

對于確認(rèn)已壞的傳感器，要及時予以更換，避免已壞傳感器測點處采集數(shù)據(jù)的長時間缺失。更換傳感器的時候應(yīng)注意保持?jǐn)?shù)據(jù)變化的連續(xù)性，避免更換傳感器后有數(shù)據(jù)突變發(fā)生。這一點通常通過調(diào)整傳感器的參數(shù)實現(xiàn)。

4 結(jié)論與展望

上述傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析方法和相關(guān)的解決方案在上海長江隧橋、東海大橋、閔浦大橋、閔浦二橋、膠州灣大橋等健康監(jiān)測系統(tǒng)中有良好的效果，能及時發(fā)現(xiàn)故障傳感器，并快速修復(fù)，確保橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警和評估的準(zhǔn)確性，合理的判斷大橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。但這些方法的不足之處是需要人工定期判斷，在今后橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展過程中應(yīng)該實現(xiàn)計算機根據(jù)一定的準(zhǔn)則自動判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

［1］ 劉學(xué)，羅艷利，左峰.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在運營養(yǎng)護管理中的應(yīng)用［J］.中國交通信息化，2010，（z1）：87-91.

［2］ 唐浩，譚川，陳果.橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究綜述［J］.公路交通技術(shù)，2014，（5）：99-104.

［3］ 史曉貞，王曉乾，吳軍.青島海灣大橋耐久性評估指標(biāo)及方法［J］.公路交通科技，2010，27（9）：71-74.

［4］ 羅艷利.基于《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》的長大橋梁在線評估體系［J］.城市道橋與防洪，2015，（10）：43-46.

Data accuracy analysis of bridge health monitoring system

SHIXiao-zhen1，LUO Yan-li2，CHA Zheng-jun2
（1.Wuhan central China branch of Civil Engineering Testing Center，Wuhan Hubei，430074；2.Giant Shanghai science and Technology Development Co.Ltd.，Shanghai200031，China）

This paper according to the relevantengineering experience，summed up the judge sensor data acquisition accuracy of variousmethods，and gives the related solutions.Themethod and solving scheme has good application effect in bridge structure healthmonitoring system of ShanghaiYangtze River Tunneland bridge，Donghai Bridge，Jiaozhou Bay Bridge，Min Pu Bridge，Min Pu Bridge，etc.，can detect sensor fault，and repair to ensure the accuracy of bridge structure assessment and early warning，reasonable judgment of the bridge structure.

bridge；healthmonitoring；data analysis

U442.1

C

1008-3383（2017）01-0067-02

2016-04-11

史曉貞（1984-），女，河南禹州人，工程師，研究方向：橋梁檢測與監(jiān)測。