麻竹倩（上海市建筑科學研究院，上海 200032)

現(xiàn)有橋梁體系中，中小型橋梁占所有橋梁的 90% 以上，因此中小型橋梁是城市運營安全監(jiān)控的重點，但將大而全的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)簡單地移植應用于中小型橋梁并不現(xiàn)實。

針對上述背景，基于一般中小型橋梁的結(jié)構(gòu)特點和病害發(fā)展規(guī)律，定制一套針對中小型橋梁的監(jiān)測管理系統(tǒng)，對中小型橋梁的重點參數(shù)進行實時監(jiān)測；基于 BIM 技術(shù)，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu) BIM 模型構(gòu)架的信息標準和框架設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、經(jīng)濟化和智能化。

1 傳統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)與小型監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點

傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測強調(diào)測量數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)采集的實時性和連續(xù)性、數(shù)據(jù)傳輸及通訊的高效性和可靠性以及數(shù)據(jù)分析處理能力的有效性，通過對橋梁的系統(tǒng)分析和安全評估，為橋梁的維護、維修和決策提供可靠的依據(jù)，同時也為橋梁設(shè)計理論和設(shè)計方法的改進提供最直接的信息。表 1 列出了部分橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)成功應用的工程案例。

表1 部分橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)投資匯總 萬元

上面數(shù)據(jù)表明目前的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)多針對特大型橋梁或特殊結(jié)構(gòu)橋梁，技術(shù)要求高，設(shè)計復雜，建造費用大。

1.2 小型監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)的必要性及可行性

與特大型橋梁不同，城市中小型橋梁結(jié)構(gòu)相對簡單，構(gòu)件形式單一，多采用標準構(gòu)件。目前上海市建筑科學研究院分別在橋梁和隧道領(lǐng)域主導設(shè)計和實施了幾個健康監(jiān)測系統(tǒng)，基本具備了健康監(jiān)測技術(shù)的成套實施能力。但在技術(shù)的進一步推廣和應用于中小型橋梁的過程中，遇到了幾個問題：小型監(jiān)測系統(tǒng)中單點成本過高；線纜鋪設(shè)工作量大、效率低、成本高；缺少系統(tǒng)配套，如電力供給、網(wǎng)絡。簡單地移植大而全的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)并不現(xiàn)實。

隨著半導體、硬件網(wǎng)絡和無線通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器在微小體積內(nèi)能夠集信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等功能于一體。無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)的應用可以大大簡化系統(tǒng)構(gòu)架，規(guī)避傳統(tǒng)傳感器所需要的大量線纜鋪設(shè)工作。無線傳感器網(wǎng)絡具有自適應和自動組網(wǎng)功能，具有良好的可擴展性，以實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的完整性和有效性。同時，無線采集模塊具有低功耗特性和良好的電源管理機制，可以通過局部電池供電實現(xiàn)較長時間的在線監(jiān)測工作，從而擺脫整個監(jiān)測系統(tǒng)對于傳統(tǒng)電力供給的過度依賴。

2 小型監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)架與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

利用無線傳感器技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的無線自動組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，降低整個系統(tǒng)的整體能耗，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、經(jīng)濟化和智能化。同時嘗試使用太陽能電池供電技術(shù)，擺脫監(jiān)測系統(tǒng)對傳統(tǒng)電力供給的依賴，對中小型橋梁的重點參數(shù)進行“實時監(jiān)測和有效預警”。

2.1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

整個系統(tǒng)包括如下幾個部分：振弦式傳感器；數(shù)據(jù)采集器；網(wǎng)絡控制器；基于 C/S 構(gòu)架的客戶端采集軟件；基于B/S 構(gòu)架的網(wǎng)絡發(fā)布軟件和數(shù)據(jù)庫。

2.1.2 硬件系統(tǒng)

每個采集器可以采集 4 個通道的應變計傳感器數(shù)據(jù)，傳感器之間進行內(nèi)部 Zigbee Mesh 組網(wǎng)，傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡控制器模塊，網(wǎng)絡控制器模塊內(nèi)部有 SIM 卡，將數(shù)據(jù)通過 3 G 網(wǎng)絡傳輸?shù)?Internet 上。服務器端運行的客戶端采集軟件從對應的端口讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。

2.2 傳感器及數(shù)據(jù)采集模塊的選型

2.2.1 傳感器類型選型

相較于橋梁檢測，橋梁健康監(jiān)測對所采用的傳感器在穩(wěn)定性和可靠性、體積大小、埋置安裝便捷性、傳輸線路和保護構(gòu)架等方面提出了更高的要求。目前的主要傳感器類型有電阻電流式、振弦式和光纖光柵式。

振弦式傳感器的振弦是鋼弦，通過激振產(chǎn)生振動。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號，因此，具有抗干擾能力強、受電參數(shù)影響小、零點飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動、壽命長等特點。在長期監(jiān)測領(lǐng)域中，采用振弦式傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、無線傳輸、處理和存儲，是一種相對較優(yōu)的選擇。

2.2.2 采集模塊選型

小型無線監(jiān)測系統(tǒng)要求整個系統(tǒng)盡可能地簡化，采集模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和解析即可，需盡可能地控制體積，以便現(xiàn)場安裝和保護；同時把能耗控制在最低，以實現(xiàn)系統(tǒng)的較長時間監(jiān)測功能。

經(jīng)多個產(chǎn)品比對分析，本系統(tǒng)最終采用莫尼特采集模塊，它不僅能采集、存儲、分析數(shù)據(jù)，還能夠通過互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)多用戶、多現(xiàn)場、多終端管理等。現(xiàn)場采用無線組網(wǎng)技術(shù)，采集器之間采用 Zigbee Mesh 網(wǎng)自組網(wǎng)、自恢復網(wǎng)絡。網(wǎng)絡可布置成線狀、云狀以及任何三維結(jié)構(gòu)，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性。同時該局域網(wǎng)容量大，合理的電源管理模式可以減小功耗，延長系統(tǒng)的有效工作時間。

2.3 客戶端數(shù)據(jù)采集模塊的開發(fā)

網(wǎng)絡控制器的信號通過 GPRS 傳輸?shù)椒掌?，在服務器上開發(fā)一個客戶端軟件，該軟件的主要功能是從服務器的固定端口讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫內(nèi)。該軟件的開發(fā)主要用了 C/S 結(jié)構(gòu)。

2.4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)

管理系統(tǒng)的構(gòu)架模式目前主要有兩種：C/S 結(jié)構(gòu)即客戶機/服務器結(jié)構(gòu)（Client/Server）；B/S 結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務器結(jié)構(gòu)（Browser/Server）。由于本系統(tǒng)面對諸多未知的潛在客戶，而且客戶類型各異，很難要求客戶都具有相同的操作系統(tǒng)，同時隨著適用對象和客戶需求的不斷變化，對于整個系統(tǒng)的更新和維護呈現(xiàn)多樣化，在這樣的背景下，采用B/S 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有更多的優(yōu)勢?？蛻舳酥恍枰邆渖暇W(wǎng)功能即可，具有良好的普適性，且所有的數(shù)據(jù)都保存在中心數(shù)據(jù)庫服務器，可以有效確保數(shù)據(jù)的安全性、完整性和一致性。

2.5 太陽能電池的選型和測試

本系統(tǒng)主要采用干電池供電，為了進一步延長系統(tǒng)的監(jiān)測時間，減少電池的更換頻率，采用太陽能電池技術(shù)作為綠色能源供給的新嘗試。本系統(tǒng)網(wǎng)絡控制器的峰值功率為 2 W，太陽能電池板的功率為 50 W，蓄電池的容量為 100 AH，持續(xù)光照 24 h 可以將蓄電池充滿電，考慮到陰雨天氣，即使沒有光照的情況下，太陽能電池板提供的電量可以供系統(tǒng)使用 21 d，可以滿足系統(tǒng)的需求。

3 監(jiān)測系統(tǒng)在某中小型橋梁的應用

該連續(xù)彎箱梁位于中環(huán)線浦東段（上中路越江隧道-申江路）施工 6 標 NE 匝道 U 3 聯(lián)，共兩跨，箱梁墩號為：NE 6～NE 8。匝道箱梁寬度位于 12.6 ～15.0m之間，底板寬度位于 5.7 ～8.1m之間，采用一次性澆筑成型。

針對彎箱梁的結(jié)構(gòu)特點和典型病害特征，在該箱梁布設(shè)一套安全監(jiān)控預警系統(tǒng)，對該連續(xù)彎箱梁的側(cè)向位移、扭轉(zhuǎn)進行實時監(jiān)測。

系統(tǒng)在 2017 年 2 月份調(diào)試運營，采集頻率為 1 次/h，截至目前共積累了超過 12 個月的數(shù)據(jù)。

測試表明該系統(tǒng)具有良好的長期穩(wěn)定性和可靠性，整個系統(tǒng)的長期數(shù)據(jù)丟包率＜1%，基于目前的工況和采樣頻率，系統(tǒng)的整體有效工作時間≥12 個月。

4 結(jié) 語

基于中小型橋梁的結(jié)構(gòu)特點和病害發(fā)展規(guī)律，構(gòu)架了一套小型化、經(jīng)濟化和智能化的無線監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對重點參數(shù)的實時監(jiān)測和有效預警，有效簡化了運營維護管理平臺構(gòu)架，擺脫了監(jiān)測系統(tǒng)對傳統(tǒng)電力供給的依賴，提高了系統(tǒng)的實施效率和項目適用性。