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        橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)分析與設計

        2021-12-09 22:43:32楊立新
        交通科技與管理 2021年36期
        關鍵詞:應用

        摘 要:健康監(jiān)測是橋梁安全管理的重要內(nèi)容,其需要進行橋梁建設、運行狀態(tài)等大量數(shù)據(jù)的采集傳輸和應用分析。本文在闡述橋梁健康監(jiān)測作用的基礎上,就健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設計要點展開分析,并指出監(jiān)測數(shù)據(jù)的應用情況,期望能進一步提升數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的應用效果,提升橋梁健康監(jiān)測質(zhì)量,進而在保證橋梁穩(wěn)定、安全的基礎上,推動橋梁工程的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。

        關鍵詞:橋梁工程;健康監(jiān)測;采集傳輸系統(tǒng);應用

        中圖分類號:U446 文獻標識碼:A

        0 引言

        橋梁工程項目建設及使用在加強其與聯(lián)系,帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展中起到至關重要的作用。新時期,人們對于橋梁使用的穩(wěn)定性、安全性提出了較高要求,有必要在使用階段開展起來健康監(jiān)測工作。新時期,規(guī)范設計并使用橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng),能通過全面、準確的數(shù)據(jù),為橋梁健康監(jiān)測工作開展有效參考和支撐,提升橋梁使用的整體效益。

        1 橋梁健康監(jiān)測的作用

        橋梁結(jié)構(gòu)安全直接關系著交通出行的效率和質(zhì)量,對于出行人員安全具有深刻影響?;诖耍跇蛄菏褂秒A段,應重視橋梁健康監(jiān)測工作的開展。一方面,自橋梁建成通車后,除溫度、濕度、風速等自然環(huán)境外,交通荷載、剛硬度物質(zhì)磕碰等都會對橋梁的應用效果和使用年限造成影響,引起公路橋梁結(jié)構(gòu)老化和性能退化,這嚴重地影響了橋梁使用的安全性,有必要及時進行橋梁健康監(jiān)測管理。另一方面,從橋梁健康監(jiān)測過程來看,其不僅需要進行橋梁上溫度、濕度、撓度、索力監(jiān)測,而且需要進行橋梁傾角、應變、位移、振動等參數(shù)的收集,將這些數(shù)據(jù)實時性的傳輸?shù)椒掌脚_,然后基于大數(shù)據(jù)技術(shù)進行這些海量數(shù)據(jù)的處理,并根據(jù)相應的閾值對其進行預警及分析評估,能使得橋梁使用始終處于受控狀態(tài),這對于提升其的穩(wěn)定性、安全性具有積極作用[1]。

        2 橋梁健康監(jiān)測頂層設計思路

        2.1 監(jiān)測內(nèi)容

        橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸中,需重視監(jiān)測內(nèi)容的精準把控,確保健康監(jiān)測內(nèi)容的全面性?,F(xiàn)階段,公路橋梁健康監(jiān)測包含荷載、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)響應等要素的監(jiān)測。其中在橋梁荷載監(jiān)測中,除風荷載、溫度荷載、徐變外,需重視腐蝕、交通荷載的系統(tǒng)監(jiān)控;而在橋梁結(jié)構(gòu)特性監(jiān)測中,靜態(tài)影響系數(shù)、整體動態(tài)特定是兩個主要的監(jiān)測內(nèi)容,此外橋梁結(jié)構(gòu)響應包含了幾何形狀、索力、應變和應力分布狀況的監(jiān)測[2]。

        2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

        一個完整橋梁監(jiān)測系統(tǒng)不僅包含傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng),而且涉及數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)、橋梁健康評估系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的采集傳輸具有深刻影響。本研究中,重點分析橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)到數(shù)據(jù)采集傳輸階段的應用情況。期望能為后期監(jiān)測數(shù)據(jù)信號調(diào)理、濾波和A/D轉(zhuǎn)換分析提供有效參考。

        在橋梁健康監(jiān)測傳感器系統(tǒng)、采集傳輸系統(tǒng)設計應用中,應充分考慮監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性?;趥鞲衅鲬?,在數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設計中,首先應考慮系統(tǒng)的容錯性,即在系統(tǒng)某個硬件發(fā)生故障后,其與的功能模塊仍能穩(wěn)定運行。其次新設計的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)用哪個具有自啟動、自恢復功能,且能實現(xiàn)數(shù)據(jù)過載問題的有效防控。同時在系統(tǒng)斷電時,要求不間斷凈化電源仍然能夠持續(xù)工作,并且工作的時間不少于24 h。最后出于橋梁健康監(jiān)測全面性、準確性考慮,要求重視健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸及后續(xù)分析系統(tǒng)的分布式布局,在分布式監(jiān)測中提升健康監(jiān)測的整體性能,保證橋梁使用的安全性。

        3 基于橋梁健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設計

        3.1 傳感器系統(tǒng)

        傳感器的布置及使用是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)幕A前提,在傳感器布置設計中,應深刻認識傳感器的功能,合理使用傳感器監(jiān)測方法,并進行傳感器布置形態(tài)的設計。

        3.1.1 傳感器作用及監(jiān)測方法

        傳感器在橋梁各部分荷載、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)響應監(jiān)測中起到至關重要的作用?;趥鞲衅鞯氖褂?,能實現(xiàn)前使用中多元性能指標的有效監(jiān)控。現(xiàn)階段,橋梁健康監(jiān)測中傳感器的使用形態(tài)多樣,除超風速監(jiān)測儀、溫濕度監(jiān)測傳感器外,傾斜儀、位移傳感器、水準儀等都是較為常見的傳感器類型。各種類型傳感器作用及監(jiān)測方法有一定差異。以溫濕度監(jiān)測傳感器而言,其旨在了解橋梁使用區(qū)域的溫濕度變化情況,并掌握橋梁主要構(gòu)件溫度及溫度梯度情況。在具體監(jiān)測中,應使用連續(xù)監(jiān)測方法,按照0.02 Hz的頻率進行監(jiān)測,并且應將該傳感器就近接入串口服務器,實現(xiàn)RS485/232信號的有效輸出。而在位移傳感器監(jiān)測中,應通知實時連續(xù)監(jiān)測點處的位移情況,實現(xiàn)主梁、橋塔縱橫向位移的準確把控,位移傳感器的采樣頻率需保持在10 Hz。此外應通過水準儀連續(xù)性地進行梁體與大地相對位移的監(jiān)測[3]。

        3.1.2 傳感器布置形態(tài)

        使用傳感器的目的在于精準化的獲取橋梁使用過程中的狀態(tài)信息,確保橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性、安全性。但是結(jié)合實際情況可知,在橋梁使用監(jiān)測中,于所有自由度上安裝傳感器是不現(xiàn)實的,這主要是受到了傳感器應用經(jīng)濟效益的影響?;诖?,在橋梁健康監(jiān)測中,應注重傳感器布置方式的優(yōu)化。其一,在荷載監(jiān)測中,要求將傳感器設置在有利于掌握交通荷載強度極限狀態(tài)的區(qū)域,實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應力等指標參數(shù)的有效監(jiān)測。其二,針對特殊部位實施監(jiān)測時,要求布置得傳感器便于計算、分析構(gòu)件的工作狀態(tài)。其三,應在橋梁危險及易損構(gòu)件區(qū)域布置傳感器,實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)損傷情況的有效分析。其四,在傳感器布置中,應確保所布置的傳感器處于橋梁各性能參數(shù)變化的敏感區(qū)域,并且監(jiān)測的數(shù)據(jù)能為后期橋梁狀態(tài)分析提供有效支撐,有利于數(shù)據(jù)分析模型的建設和應用。

        3.2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設計

        3.2.1 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)分類

        為實現(xiàn)橋梁健康狀況的有效監(jiān)測,在數(shù)據(jù)采集傳輸階段,首要任務就是設計與橋梁使用及健康監(jiān)測相匹配的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?,F(xiàn)階段,集中式、分布式是橋梁健康監(jiān)測中數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膬煞N基本形態(tài)。

        就集中式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)而言,其主要是通過一臺計算機來完成數(shù)據(jù)采集和傳輸,但是這種方式的可靠性較差,即當計算機系統(tǒng)發(fā)生故障后,橋梁健康監(jiān)測整體系統(tǒng)將停止工作,并且在同一臺計算機中,難以實現(xiàn)多個物理量的系統(tǒng)處理?;诖?,集中式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的應用較少。現(xiàn)階段,分布式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測中應用廣泛,其不僅包含數(shù)據(jù)采集單元、遠程計算機系統(tǒng),而且涉及網(wǎng)絡交換機、數(shù)據(jù)傳輸應用等單元。借助分布式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng),能在網(wǎng)絡技術(shù)的支撐下,形成單元獨立、整體關聯(lián)的資源共享系統(tǒng),這對于橋梁健康數(shù)據(jù)的采集傳輸具有積極作用,有效地保證了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)男?。同時基于分散式的數(shù)據(jù)采集和傳輸,能在系統(tǒng)功能分散的基礎上,降低系統(tǒng)的負載,這對于降低數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)危險性、保證橋梁健康監(jiān)測安全可靠性具有積極作用。此外從長遠發(fā)展角度來看,分布式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)能基于較高的操作系統(tǒng)和統(tǒng)一的協(xié)議進行信息的交換管理,滿足橋梁健康監(jiān)測實際需要。

        3.2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)性能設計

        新時期,要進一步提升橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸效果,還應注重該系統(tǒng)性能指標的系統(tǒng)優(yōu)化。即在完成健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設計后,應確保該系統(tǒng)能滿足橋梁健康監(jiān)測的具體要求,同時數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)本身應具有操作性更好的特點,即系統(tǒng)本身應具有便于使用和維護的特征。此外,在分散式數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)設計中,還應注重系統(tǒng)通用性和可擴充性能力的設計,最大限度地提升數(shù)據(jù)采集的靈活性。值得注意的是,在保證數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)可靠性的基礎上,還應注重該系統(tǒng)設計周期、經(jīng)濟效益等因素的控制,確保橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)具有最佳的性價比。

        3.2.3 采集傳輸系統(tǒng)總線設計

        規(guī)范化地進行采集傳輸系統(tǒng)總線設計,能實現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器、采集傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、健康評估系統(tǒng)的有效銜接;這對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸和應用具有積極作用?,F(xiàn)階段,PXI總線系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中得到了廣泛應用,從應用效果來看,在32位機中,PXI總線的帶寬可達到132 Mb/s,而在64位機中,其帶寬可達到264 Mb/s。基于該總線形成全新的虛擬儀器體系,能有效滿足健康監(jiān)測系統(tǒng)各種復雜的觸發(fā)協(xié)議,這對于觸發(fā)信號的傳遞具有積極作用。

        3.2.4 數(shù)據(jù)采集傳輸

        橋梁健康監(jiān)測中,數(shù)據(jù)采集傳輸包含了模擬信號、非模擬信號的采集和傳輸。在模擬信號采集傳輸中,首先應注重數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)范選擇,優(yōu)選具有較高分辨率和采集效率的數(shù)據(jù)采集卡,然后進行定時同步模塊的選擇,為橋梁荷載、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)響應等參數(shù)的采集傳輸?shù)於己脳l件。最后在PXI控制器應用的基礎上,應重視信號調(diào)理模塊的選擇,采用不同的調(diào)理設備對信號進行調(diào)理,確保采集的信號滿足數(shù)據(jù)傳輸需要。而在非模擬信號闡述中,光纖光柵傳感器、錨索計信號采集是兩種主要的信號采集方式,針對這兩種數(shù)據(jù)采集方式,應基于PXI總線進行數(shù)據(jù)傳輸,為后期數(shù)據(jù)分析應用和橋梁健康狀況評估奠定良好基礎。

        4 結(jié)語

        數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設計應用對于橋梁健康監(jiān)測整體效益具有深刻影響。新時期,人們只有充分認識到橋梁健康監(jiān)測的作用,在健康監(jiān)測系統(tǒng)頂層設計的基礎上,深化數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設計應用,這樣才能準確掌握橋梁使用荷載、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)響應情況,實現(xiàn)橋梁健康的有效評估,進而推動橋梁工程的持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展。

        參考文獻:

        [1]張門哲,金耀,李小龍,等.湖北石首長江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設計研究[J].中外公路,2019(1):158-163.

        [2]肖時輝,梅敏彰,唐孟雄,等.基于LoRa的城市立交橋遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].公路,2021(2):87-93.

        [3]李雄偉,季鈺林,謝伊亮,等.基于IEEE1588時間同步的分布式橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子測試,2021(8):5-9.

        作者簡介:楊立新(1990—),女,吉林長春人,碩士研究生,研究方向:橋梁隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析。

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