李俊杰

（1甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省綠色建筑與建筑節(jié)能工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)安全預(yù)警和質(zhì)量控制方面有突出的作用，強調(diào)該系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用有重要的現(xiàn)實意義。目前，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的使用有其針對性，一般是基于特殊土木結(jié)構(gòu)實施系統(tǒng)的建設(shè)與使用。但從監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用實踐來看，雖然在不同的土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實踐中應(yīng)用，但是系統(tǒng)架構(gòu)存在著一致性，且較多的功能模塊可以通用?；谶@樣的應(yīng)用背景，開發(fā)具有通用性的土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺，不同系統(tǒng)建設(shè)實踐中存在的軟件重復(fù)利用、成本消耗過大和管理困難等問題可得到有效解決。

1 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通用架構(gòu)

對實踐應(yīng)用的土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)進行分析后發(fā)現(xiàn)，雖然不同結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式方面存在差異，在具體環(huán)境以及荷載方面也有各自顯著的特點，但是其具備的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)卻是基本相同的[1]。就目前的結(jié)構(gòu)分析來看，結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)主要由五個部分構(gòu)成：1）傳感器子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳感器、二次儀表等組成，能夠?qū)こ探Y(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)量進行實時測量。2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。就該系統(tǒng)的組成來看，主要為數(shù)據(jù)站，而數(shù)據(jù)站一般需要利用微機進行控制。在實踐中，該系統(tǒng)的主要功能是采集傳感器原始測量數(shù)據(jù)。3）數(shù)據(jù)通信與傳輸子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括服務(wù)器站點、監(jiān)測系統(tǒng)局域網(wǎng)以及與局域網(wǎng)聯(lián)系的干網(wǎng)連接等，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信與傳輸。4）監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)。就該系統(tǒng)的構(gòu)成來看，主要為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[2]。針對數(shù)據(jù)庫的管理主要有監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、備份、修改以及刪除和查詢等。5）數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要組成是邏輯服務(wù)器。利用該系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理、圖形化顯示以及診斷、預(yù)/報警等工作的開展更具實效性，對土木工程的具體管理等實施也有現(xiàn)實效果。

2 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通用功能模塊

2.1 主要功能

通過對結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實踐的分析發(fā)現(xiàn)，其主要功能集中在如下方面：

1）監(jiān)測結(jié)構(gòu)荷載的變化情況。

2）監(jiān)測結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的變化情況。

3）診斷結(jié)構(gòu)損傷并基于診斷結(jié)果預(yù)/報警。

4）評估結(jié)構(gòu)狀態(tài)[3]。

5）為結(jié)構(gòu)的維修以及養(yǎng)護實踐提供更加充實的參考。

6）實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)自身的管理控制以及運行維護。

2.2 主要模塊

基于監(jiān)測系統(tǒng)的功能實現(xiàn)將應(yīng)用軟件進行劃分，可以劃分出較多的通用軟件模塊，主要分如下：

1）傳感器布點優(yōu)化模塊。該模塊可以基于結(jié)構(gòu)初始有限元模型的分析結(jié)果，優(yōu)化傳感器布點方案，從而使傳感器在信息獲取方面的效果更加突出。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。該模塊的主要作用是進行信息的收集并對其做預(yù)處理。

3）數(shù)據(jù)通訊模塊。該模塊的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)布。

4）數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)存儲、備份、刪除、修改以及查詢等目標(biāo)的實現(xiàn)均屬該模塊的功能[4]。

5）數(shù)據(jù)處理模塊。基于預(yù)處理的數(shù)據(jù)，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)更加深入和系統(tǒng)的分析與處理。

6）結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別模塊。該模塊的主要作用是實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識別。

7）結(jié)構(gòu)模型修正模塊。該模塊主要的價值體現(xiàn)在對有限元模型的修正和優(yōu)化方面。

8）預(yù)/報警模塊。使用該模塊可設(shè)置不同的警報級別，實現(xiàn)針對性的預(yù)/報警。

9）結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估模塊。該模塊的主要作用是對工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行綜合評估。

10）監(jiān)測系統(tǒng)控制管理與運行維護模塊。該模塊的主要作用是進行系統(tǒng)管控。

總的來講，系統(tǒng)通用功能的明確以及軟件模塊的有效劃分對于通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用有突出的現(xiàn)實意義。

3 土木工程結(jié)構(gòu)常規(guī)監(jiān)測內(nèi)容

通過分析土木工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測實踐中，需要關(guān)注的監(jiān)測內(nèi)容較多。目前，常規(guī)的監(jiān)測內(nèi)容主要可以劃分為七大類，每個大類中還有諸多不同的小內(nèi)容[5]。以下是對七大類監(jiān)測內(nèi)容的總結(jié)。

1）變形監(jiān)測。變形監(jiān)測是工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中最常見的內(nèi)容，包括了結(jié)構(gòu)各個部位的靜態(tài)位移等，是掌握結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的重要參考。

2）索力監(jiān)測。索力監(jiān)測主要目的是實時掌握各類索，比如拉索、吊索、預(yù)應(yīng)力索等的內(nèi)力變化。

3）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。其主要監(jiān)測內(nèi)容是構(gòu)件在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。

4）振動監(jiān)測。振動監(jiān)測的主要目的是掌握動態(tài)荷載下結(jié)構(gòu)的位移、速度等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，并基于變化規(guī)律獲取位移模態(tài)或應(yīng)變模態(tài)參數(shù)。

5）環(huán)境及荷載監(jiān)測。其主要監(jiān)測結(jié)構(gòu)所處環(huán)境及荷載的變化。

6）構(gòu)件耐久性監(jiān)測。構(gòu)件耐久性對結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全有顯著影響，因此需強調(diào)耐久性監(jiān)測。

7）構(gòu)件表觀的監(jiān)測，該監(jiān)測的主要目的是掌握構(gòu)件表面的具體變化情況。

4 通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺框架設(shè)計

通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺的建設(shè)需要滿足健康監(jiān)測的具體要求，同時還要解決軟件模塊的重復(fù)利用問題及成本控制，因此,基于多方面考慮對平臺框架設(shè)計進行分析有突出的現(xiàn)實價值[6]。目前，系統(tǒng)平臺框架設(shè)計需確定以下五個主要目標(biāo)：

1）能夠快速實現(xiàn)對具體結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)框架布置和設(shè)計。

2）能夠為數(shù)據(jù)管理與顯示提供友好型的人機交互界面。

3）可為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實踐中的常見問題提供解決方法選集。

4）可針對具體結(jié)構(gòu)建立健康監(jiān)測方案，并對監(jiān)測方案進行合理有效的維護和管理。

5）可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實時監(jiān)測，并實時預(yù)/報警，從而使監(jiān)測結(jié)果可以為相關(guān)決策提供依據(jù)與支持。

基于具體的目標(biāo)實現(xiàn)進行系統(tǒng)平臺框架的設(shè)計，對于完善系統(tǒng)平臺框架來說非常必要[7]。就通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的平臺框架建設(shè)而言，基于目標(biāo)實現(xiàn)原則，可采用用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層3層結(jié)構(gòu)設(shè)計法。從用戶界面層來看，其主要功能是實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)之間的交互，將數(shù)據(jù)的圖形或者列表清晰地顯示在用戶面前，從而為用戶提供真實的參考依據(jù)。業(yè)務(wù)邏輯層主要包括各種方法庫模塊，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的核心層，就系統(tǒng)和平臺的運行而言，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估、預(yù)/報警信息等均是業(yè)務(wù)邏輯層提供的。數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)平臺運行的基礎(chǔ)，其主要作用是進行各類信息的獲取并存儲，從系統(tǒng)設(shè)計來看，系統(tǒng)需要建立在開放和兼容的基礎(chǔ)上，從而能夠為用戶提供一個可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點而定制的系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)設(shè)計中采用XML標(biāo)準(zhǔn)，圖1為系統(tǒng)在應(yīng)用實踐中實現(xiàn)具體功能的示意圖。

圖1 功能示意圖

5 結(jié)語

綜上所述，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)評估和預(yù)/報警方面發(fā)揮著重要的作用。從目前掌握的研究應(yīng)用現(xiàn)狀來看，雖然針對不同的工程結(jié)構(gòu)構(gòu)建的健康監(jiān)測系統(tǒng)存在或多或少的差異，但在系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊等方面存在著通用性。因此，開發(fā)通用土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺，可以實現(xiàn)資源整合，從而顯著提升監(jiān)測工作的專業(yè)性和規(guī)范性，對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的廣泛應(yīng)用與深入研究有重要的現(xiàn)實意義。