劉 輝，宮 濤

（1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 信息化處，北京 100860；2.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 土地房產(chǎn)管理處, 北京 100860）

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路基礎(chǔ)建設(shè)的安全性面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。站臺雨棚作為鐵路基建的重要組成部分，在高速鐵路上的應(yīng)用逐漸增多。高鐵雨棚在長期運(yùn)行、使用過程中，經(jīng)歷時(shí)間變化、環(huán)境變化以及大風(fēng)、雨雪等特殊氣候條件，其鋼結(jié)構(gòu)難免發(fā)生各種變形、損傷，存在危及旅客和行車安全的隱患。因此對高鐵雨棚鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、長期監(jiān)測已成為其安全評定、運(yùn)行安全性和可靠性的重要保證措施。開展高速鐵路雨棚鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究具有重要意義。

大型鋼結(jié)構(gòu)建筑健康監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展，我國在鐵路客站工程建設(shè)中也逐漸開展了一些結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工作，如北京西站、北京站無站臺柱雨棚安全監(jiān)測工作，沈陽北站無站臺柱雨棚安全性評價(jià)、上海虹橋站超長梁監(jiān)測工作，南京南站結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動力響應(yīng)和變形測試3部分監(jiān)測工作，深圳福田站地下結(jié)構(gòu)施工的變形監(jiān)測工作，取得了一定的成果[1-3]。目前國內(nèi)外大型建筑應(yīng)力監(jiān)測和形變監(jiān)測研究普遍采取定時(shí)監(jiān)測、特定監(jiān)測和人工監(jiān)測，主要解決定期巡檢和突發(fā)事件（大風(fēng)、大雨、沉降等）后的監(jiān)測，不能實(shí)時(shí)、有效和長期健康分析，存在實(shí)施復(fù)雜、人力物力耗費(fèi)巨大等問題。建筑物（雨棚）等資產(chǎn)的全生命周期健康管理已經(jīng)有相關(guān)研究，但還不夠成熟、穩(wěn)定，可用性不高。

現(xiàn)階段健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)主要為[4]：（1）在全世界重大工程應(yīng)用最多的是橋梁結(jié)構(gòu)，并逐漸推廣到其他形式的結(jié)構(gòu)；（2）應(yīng)用規(guī)模與工程投資相匹配，監(jiān)測項(xiàng)目與結(jié)構(gòu)形式相匹配；（3）系統(tǒng)呈現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測、運(yùn)行便捷、功能全面和高新技術(shù)應(yīng)用等發(fā)展趨勢。同時(shí)，健康監(jiān)測系統(tǒng)研究也面臨一些重要挑戰(zhàn)：（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；（2）傳感器選型及優(yōu)化布設(shè)的合理性有待商榷；（3）系統(tǒng)本身軟硬件的耐久性、長期穩(wěn)定性難以保證；（4）環(huán)境影響和測量噪聲難以消除；（5）測量數(shù)據(jù)的不完備性造成數(shù)據(jù)分析困難；（6）海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理困難，容易淹沒真實(shí)有用的信息；（7）結(jié)構(gòu)損傷識別方法還處在理論研究和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段；（8）結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評價(jià)理論尚不完善；（9）相關(guān)子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合和協(xié)調(diào)統(tǒng)一有待加強(qiáng)。

本文基于鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和健康評估技術(shù)理論，以及在陽泉北站的實(shí)際應(yīng)用情況，介紹高速鐵路鋼結(jié)構(gòu)雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)、主要功能，梳理系統(tǒng)技術(shù)性能、關(guān)鍵技術(shù)、存在問題、改進(jìn)建議、工程效益分析等。

1 高鐵站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)

高鐵站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的測試傳感設(shè)備對結(jié)構(gòu)在外界各種激勵(lì)包括交通荷載、環(huán)境荷載等各種響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，對監(jiān)測到的各種信息進(jìn)行處理，結(jié)合結(jié)構(gòu)模型等經(jīng)驗(yàn)知識對結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷，分析結(jié)構(gòu)的損傷狀況，對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，并確定科學(xué)的維修、養(yǎng)護(hù)策略[5]。

針對目前鋼結(jié)構(gòu)雨棚健康監(jiān)測中存在諸多不足的問題，基于業(yè)務(wù)部門對陽泉北站鋼結(jié)構(gòu)雨棚的管理需要，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和健康評估理論，結(jié)合現(xiàn)有無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研制出集現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)采集、突發(fā)情況預(yù)警與報(bào)警等一體的鋼結(jié)構(gòu)雨棚變形監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足以下功能要求：

（1）鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點(diǎn)采集：通過對鋼結(jié)構(gòu)雨棚進(jìn)行應(yīng)力分析，得出高鐵雨棚的應(yīng)力集中點(diǎn)，并進(jìn)行無線應(yīng)力傳感器部署，采集關(guān)鍵的應(yīng)力傳感器變量。

（2）鋼結(jié)構(gòu)雨棚無線溫度采集：考慮到陽泉北站已經(jīng)整體運(yùn)行超過5年，整體結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)接近穩(wěn)定，但處在季節(jié)溫度變化明顯，晝夜溫差較大的地理區(qū)域，溫度載荷較大，需對其進(jìn)行溫度形變進(jìn)行監(jiān)測。

（3）鋼結(jié)構(gòu)雨棚健康數(shù)據(jù)傳輸：對來自無線應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場級無線傳輸，確保健康狀態(tài)參數(shù)能夠穩(wěn)定地傳輸?shù)綗o線管理基站，并在初步處理后，通過有線網(wǎng)絡(luò)或WLAN傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器。

（4）鋼結(jié)構(gòu)雨棚健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理：處理、存儲和圖形化展示雨棚健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括單點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線展示和應(yīng)力云場圖展示等。

（5）鋼結(jié)構(gòu)雨棚健康預(yù)警：通過數(shù)據(jù)處理和分析，對雨棚健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，防止突發(fā)災(zāi)害發(fā)生。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)共分為4部分：傳感器子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，安全評估與預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

基于雨棚鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)變、位移變化等關(guān)鍵部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力分析、拱架應(yīng)力監(jiān)測分析、拱架變形觀測分析等應(yīng)用，保障整個(gè)大型雨棚鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量。同時(shí)通過對鋼結(jié)構(gòu)的長期、實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析，設(shè)計(jì)雨棚鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化模型和形變變化模型，支撐大型雨棚鋼結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)預(yù)測、維護(hù)和維修，實(shí)現(xiàn)大型雨棚健康狀態(tài)可視化、可量化、可控化。

1.2 硬件架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件控制包括以下部分：監(jiān)控室計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場路由器，無線傳感器管理基站（網(wǎng)關(guān)），無線應(yīng)變變送器、傳感器、無線溫濕度傳感器[6]。系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖2所示。應(yīng)力傳感器應(yīng)考慮整體鋼結(jié)構(gòu)拱架的受力特性，在布置應(yīng)力測點(diǎn)時(shí), 綜合考慮理論分析較大的受力部位以及施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)；位移傳感器采用超聲波測距矩陣方式，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)結(jié)構(gòu)體多維立體實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)擴(kuò)大監(jiān)測范圍，避免某一應(yīng)力點(diǎn)或某一特定區(qū)域的單一監(jiān)測。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

1.3 軟件架構(gòu)

通過對監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際用戶現(xiàn)場應(yīng)用的詳細(xì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)為5級，如圖3所示。數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理是監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，為用戶提供輔助決策參考。數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)變形量計(jì)算、變形速率計(jì)算、變形預(yù)報(bào)和三維變形模擬計(jì)算。變形預(yù)測模塊通過MatlabEngine技術(shù)，完成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色模型預(yù)測的Matlab實(shí)現(xiàn)功能；三維變形模擬計(jì)算基于ArcObjects中的SceneControl控件，實(shí)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色模型的應(yīng)用。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

1.4 鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型

鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究涉及測試、分析及決策等多個(gè)學(xué)科，其理論核心為基于振動的損傷識別技術(shù)[7-8]。作為鋼結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測管理類系統(tǒng)，功能應(yīng)涵蓋了傳感器數(shù)據(jù)采集、多種方式數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、系統(tǒng)監(jiān)控報(bào)警、報(bào)表、曲線數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、云場圖呈現(xiàn)等多項(xiàng)功能。并可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示與采集系統(tǒng)及在線有限元計(jì)算分析系統(tǒng)獲取的信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)識別，獲取結(jié)構(gòu)頻率、振型、阻尼等。分析與識別對比評估系統(tǒng)目前提供了在線分析計(jì)算與識別結(jié)果的各種對比顯示圖，進(jìn)行非尋常監(jiān)測結(jié)果的預(yù)警和報(bào)警。

在結(jié)構(gòu)模態(tài)在線識別中，應(yīng)力計(jì)算方法主要包括“平行于梁軸”、“45°于梁軸（測量剪應(yīng)變）”、“45°應(yīng)變花（測量軸力、彎矩和剪應(yīng)變）”等3種，考慮到在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的雨棚結(jié)構(gòu)簡潔，監(jiān)測傳感器只采用了平行于梁軸的振弦式應(yīng)變傳感器[9]，故采用第1種應(yīng)力計(jì)算方法。

計(jì)算程序采用ANSYS分析軟件，將力學(xué)簡化后的雨棚頂面?zhèn)鬟f的風(fēng)荷載、雨荷載和雪荷載作用到有限元模型的節(jié)點(diǎn)上[10]，并建立空間三維模型分析受力，如圖4所示。

圖4 雨棚結(jié)構(gòu)有限元分析圖

采用雨棚結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估的預(yù)測函數(shù)（式（1））進(jìn)行評估，評估標(biāo)準(zhǔn)如式（2）～ 式（4）。

其中：

K為結(jié)構(gòu)剛度；

T為環(huán)境溫度因素；P為外部荷載。

其中：

ε1i為診斷標(biāo)準(zhǔn)；

ε2i為安全限值；

Yi為響應(yīng)量的實(shí)測值；

Y/i為響應(yīng)量的計(jì)算值；

i為第i階模態(tài)。

式（2）說明實(shí)測值與預(yù)測計(jì)算值接近，表示結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)正常。

式（3）說明實(shí)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)值偏離預(yù)測計(jì)算值，但仍處于安全范圍內(nèi)。

式（3）說明實(shí)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)值不僅偏離了預(yù)測計(jì)算值, 而且已經(jīng)超出了規(guī)范允許的正常使用安全限值。此時(shí)的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)可能存在嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)立即發(fā)出報(bào)警信息，查明故障原因、排除險(xiǎn)情。

2 關(guān)鍵技術(shù)

高鐵站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是解決鋼結(jié)構(gòu)雨棚變形實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)施不便、無法長期有效監(jiān)測的實(shí)際問題。通過比較各種變形監(jiān)控方案的優(yōu)劣，最終采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)。該系統(tǒng)造價(jià)低，后期維修費(fèi)用低，易擴(kuò)展，易操作和便利性，其高實(shí)用性使其不受地理空間位置限制。系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）無線傳感網(wǎng)[11]技術(shù)：開發(fā)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源構(gòu)成，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力，即傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)上，增加了協(xié)同、計(jì)算、通信功能。

（2）獨(dú)特的低功耗電源設(shè)計(jì)及深度休眠喚醒技術(shù)：大幅度增加采集傳感器節(jié)點(diǎn)的工作壽命。

（3）分布式遠(yuǎn)程Web服務(wù)平臺技術(shù)：使遠(yuǎn)程無線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠傳輸，達(dá)到物-物、物-人實(shí)時(shí)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高鐵雨棚鋼結(jié)構(gòu)全生命周期狀態(tài)監(jiān)測。

3 案例分析

該監(jiān)測系統(tǒng)在陽泉北站應(yīng)用實(shí)施，于2015年10月正式投入使用，現(xiàn)場效果圖如圖5所示。系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后，鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控室值班人員通過監(jiān)控智能終端和監(jiān)視器大屏對本站內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)雨棚運(yùn)行、應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行集中監(jiān)測，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了對陽泉北站2號站臺斜拉梁鋼結(jié)構(gòu)雨棚的集中應(yīng)力、應(yīng)變以及實(shí)時(shí)天氣（風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、溫度、濕度）的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視、健康預(yù)警、參數(shù)存儲和歷史數(shù)據(jù)回放等功能。經(jīng)過7個(gè)多月的運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益顯著，實(shí)施效果良好。

3.1 效益分析

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)施圖

圖6 實(shí)時(shí)顯示傳感器數(shù)據(jù)和曲線圖

通過本監(jiān)測系統(tǒng)投入運(yùn)行，減少了站內(nèi)監(jiān)控室數(shù)量和雨棚監(jiān)控值班人員。進(jìn)一步節(jié)省了費(fèi)用支出，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約各項(xiàng)費(fèi)用支出131.5萬元，如表1所示。

表1 可節(jié)約的各項(xiàng)費(fèi)用單位：萬元

該監(jiān)測系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，通過將多余的監(jiān)控室用來安排維修工日常值班，就近及時(shí)處理雨棚出現(xiàn)的各種問題，提高了雨棚發(fā)生問題后處理故障的及時(shí)性；通過自行進(jìn)行設(shè)備維保，提高了監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生問題后處理的及時(shí)性和可靠性。

3.2 實(shí)施效果

該監(jiān)測系統(tǒng)在陽泉北站取得了良好的實(shí)施效果，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。對高速鐵路雨棚鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線和長期應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測特征分析，使鋼結(jié)構(gòu)雨棚變形監(jiān)測成本低、效率高。有效保障站臺類雨棚結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保障旅客出行、行車組織安全等運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行；能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常、損傷或退化，確保結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全；向有關(guān)專家提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，供業(yè)主在暴雪、地震及其它災(zāi)害性事件后，及時(shí)提供實(shí)時(shí)信息，以實(shí)現(xiàn)全面有效的安全評估；通過高速鐵路雨棚智能監(jiān)測與診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)分層分布式狀態(tài)監(jiān)測、采集和一體化數(shù)據(jù)集成、存儲、分析應(yīng)用，使高鐵雨棚可基于狀態(tài)進(jìn)行智能維護(hù)。

綜上所述，通過本監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了鐵路斜拉梁鋼結(jié)構(gòu)雨棚健康監(jiān)測的管理效率和服務(wù)水平，保證了鐵路斜拉梁鋼結(jié)構(gòu)使用安全。同時(shí)，前期研究還存在無線傳感器數(shù)量受限和電池供電不足，造成數(shù)據(jù)采集不夠豐富、更換電池成本增加的問題，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益完善和發(fā)展、成本的持續(xù)降低，將逐步減小上述兩個(gè)問題帶來的影響。

4 結(jié)束語

本文研究設(shè)計(jì)了高速鐵路鋼結(jié)構(gòu)雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過現(xiàn)場工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對雨棚健康參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行多方位、多參數(shù)采集，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)雨棚健康狀態(tài)的長期、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，滿足鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點(diǎn)采集、雨棚無線溫度采集、健康監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸及處理、鋼結(jié)構(gòu)雨棚健康預(yù)警等功能。本監(jiān)測系統(tǒng)在陽泉北站的實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)實(shí)施和部署快速簡潔，長期運(yùn)營穩(wěn)定、可靠，且整體成本較低，降低了雨棚運(yùn)維的勞動強(qiáng)度和運(yùn)營成本，提高了雨棚正常使用的安全性，具有良好的實(shí)施效果和經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣價(jià)值。

[1] 孟憲全. 北京西站無站臺柱雨棚安全監(jiān)測方法[J]. 鐵道建筑，2006（7）：96-98.

[2] 劉志勇. 北京站無站臺柱雨棚安全監(jiān)測內(nèi)容與方法[J]. 山西建筑，2005（20）：67-68.

[3] 邢 磊. 無站臺柱雨棚結(jié)構(gòu)的敏感性分析與安全性評價(jià)[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2014.

[4] 何浩祥,閆維明,馬 華,等. 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化評述與展望[J]. 地震工程與工程振動，2008（4）：154-160.

[5] 周 耀. 地鐵車站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[6] 徐 勇. 基于振弦式傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2016.

[7] 韓志偉.鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究與思考[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究，2011（6）：28-32.

[8] 劉繼鵬. 工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測近期研究進(jìn)展[J]. 鄭州經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（1）：89-92.

[9] 王永寶，趙人達(dá)，陳 列,等.振弦式應(yīng)變傳感器溫度修正試驗(yàn)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，34（1）：68-75.

[10] 劉祖勝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息融合框架在鐵路環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2017，26（2）：22-25.

[11] 張其林,李 晗,楊暉柱,等.鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和研究[J].施工技術(shù)，2012，41（14）：13-19.