邢振華

摘要 從近年來(lái)陸續(xù)暴露出的重大橋梁事故原因分析來(lái)看，絕大多數(shù)安全事故的起因都與橋梁健康監(jiān)測(cè)及維修保養(yǎng)工作未落實(shí)有關(guān)。文章著重介紹公路橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和安全預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)用，并借助當(dāng)下各類現(xiàn)代化高新技術(shù)，如傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)等，使得公路橋梁安全問(wèn)題更新與優(yōu)化更加及時(shí)與便捷，并逐漸成為橋梁健康監(jiān)測(cè)的新幫手，通過(guò)此手段改善橋梁工程整體質(zhì)量，從而保障人民的出行安全。

關(guān)鍵詞 公路橋梁;健康監(jiān)測(cè);安全預(yù)警

中圖分類號(hào) U446文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0010-03

0 引言

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，少數(shù)公路橋梁會(huì)因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷、建筑材料未達(dá)到施工要求等內(nèi)部因素，導(dǎo)致公路橋梁垮塌事故發(fā)生[1]。但更多的是在運(yùn)營(yíng)期由侵蝕、地震、荷載量等環(huán)境或非環(huán)境因素引起的結(jié)構(gòu)失效，使其工作性能的表征量-公路橋梁的剛度和強(qiáng)度隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)，從而影響公路橋梁使用壽命[2]?；诖?，該文對(duì)公路橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警進(jìn)行研究探討。

1 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)的意義

（1）檢測(cè)公路橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)，可幫助路橋管理人員評(píng)估公路橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并對(duì)潛在安全隱患進(jìn)行預(yù)警[3]。除此之外，還能幫助工作人員準(zhǔn)確識(shí)別公路橋梁各構(gòu)件的損傷情況，以便后續(xù)運(yùn)營(yíng)管理工作的正常開(kāi)展。

（2）保證施工階段的安全與質(zhì)量。對(duì)公路橋梁進(jìn)行周期性檢測(cè)，可以避免施工過(guò)程中的一些風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全和施工質(zhì)量。

（3）及時(shí)發(fā)送事故預(yù)警。通過(guò)檢測(cè)，可對(duì)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，建立公路橋梁正常運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的各項(xiàng)動(dòng)力、靜力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)間的相關(guān)信息集，從而在大橋遭遇突發(fā)大荷載、極端天氣變化或嚴(yán)重過(guò)載事故時(shí)觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，避免重大安全事故的發(fā)生。

（4）針對(duì)公路橋梁施工監(jiān)控量測(cè)工作面臨的主要問(wèn)題，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了公路橋梁智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。與傳統(tǒng)方式相比，采用公路橋梁智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，自動(dòng)智能化的分析計(jì)算避免了大量的人工計(jì)算，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，報(bào)警信息實(shí)時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員和管理人員，提高了預(yù)警處理的及時(shí)性。經(jīng)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)可顯著提高公路橋梁監(jiān)控量測(cè)工作的效率。

2 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是公路橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)、維修加固記錄系統(tǒng)和公路橋梁巡檢檢查記錄系統(tǒng)[4]。

（1）公路橋梁結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要是存儲(chǔ)公路橋梁基本信息數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)功能可為后期公路橋梁日常管理提供理論依據(jù)。通過(guò)公路橋梁基本信息系統(tǒng)應(yīng)用，可檢索、瀏覽公路橋梁結(jié)構(gòu)基本信息，以方便公路橋梁運(yùn)維人員及時(shí)進(jìn)行公路橋梁檢查與維修。

（2）檢查記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)置的主要目的是將各類檢測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，并以圖表形式呈現(xiàn)公路橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移情況。

（3）維修加固記錄系統(tǒng)：該系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是能夠針對(duì)曾接受過(guò)維修加固處理的公路橋梁信息進(jìn)行記錄，并存儲(chǔ)于檔案之中。信息內(nèi)容包括維修加固時(shí)間、方法、原因等，以便在其他公路橋梁出現(xiàn)類似情況時(shí)有第一手參考資料。

3 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

（1）運(yùn)營(yíng)公路橋梁健康監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)必須基于詳細(xì)的專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)專項(xiàng)檢測(cè)，分析病害分布范圍及成因，為運(yùn)營(yíng)公路橋梁健康監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)盡可能覆蓋病害區(qū)段，條件允許情況下，可向外擴(kuò)展設(shè)置比對(duì)斷面，且在病害區(qū)段內(nèi)，按照圍巖級(jí)別、襯砌類型、病害情況進(jìn)行疏密相間布置（重點(diǎn)區(qū)段可按10 m間距設(shè)置斷面，非重點(diǎn)區(qū)段可按20～

50 m間距設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面）。監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)盡可能兼顧每一類斷面。

（3）二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形響應(yīng)能較好反映襯砌結(jié)構(gòu)健康狀況，可作為后期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

（4）巖溶地區(qū)地下水豐富，結(jié)構(gòu)受力變形與降雨下滲息息相關(guān)，應(yīng)盡可能地進(jìn)行滲水壓力和雨量監(jiān)測(cè)。

4 公路橋梁安全預(yù)警研究

4.1 攝影測(cè)量

傳統(tǒng)的傳感器如激光傳感器和全站儀只能用于測(cè)量公路橋梁的相對(duì)位移，無(wú)法對(duì)公路橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。全球定位系統(tǒng)（GPS）可對(duì)公路橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，但具有兩大局限性：測(cè)量的精度較低，無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)橋面下面橋墩的位移。故為了能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鋼箱跨中的撓度，采用攝影測(cè)量系統(tǒng)。攝影測(cè)量系統(tǒng)分為動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)與報(bào)警抓拍系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺(tái)，通過(guò)采用新型動(dòng)撓度傳感器和各種傳統(tǒng)傳感器的綜合方案設(shè)計(jì)?？蓪?shí)現(xiàn)以下三大目標(biāo)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跨中鋼箱的動(dòng)撓度;當(dāng)動(dòng)撓度超限時(shí)，可抓拍路面車輛情況;當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到超限時(shí)，會(huì)用聲音、彈窗的形式提示工作人員處理。動(dòng)撓度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要?jiǎng)訐隙葌鞲衅髋c靶點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，并且靶點(diǎn)設(shè)置的位置也必須在動(dòng)撓度傳感器的紅外掃描范圍之內(nèi)[5]。動(dòng)撓度傳感器其原理為：傳感器中影像傳感器獲取目標(biāo)靶變化后，通過(guò)圖像測(cè)量算法即可求出監(jiān)測(cè)目標(biāo)靶位置隨時(shí)間變化參數(shù)，并經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到目標(biāo)的位移，進(jìn)而獲得被測(cè)物體運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位移，具有二維實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量精度高、范圍大，適合長(zhǎng)期、在線、多點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量。報(bào)警抓拍系統(tǒng)與動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)密切相關(guān)[6]。報(bào)警抓拍系統(tǒng)利用動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值實(shí)時(shí)判斷超限情況，超限發(fā)生后上傳報(bào)警信息，同時(shí)控制專用攝像機(jī)拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖片，并通過(guò)微信公眾號(hào)、瀏覽器報(bào)警信息等各種手段上傳報(bào)警信息和現(xiàn)場(chǎng)圖片，供值班員或相關(guān)人員決策。

4.2 公路橋梁健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

公路橋梁健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，按功能可以劃分為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲(chǔ)等。預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)作為核心，負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，應(yīng)用層是用戶查看和管理整個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的主要途徑，該層的主要功能是進(jìn)行可視化處理，從而將數(shù)據(jù)直觀展示給用戶，服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)的處理提交給用戶。數(shù)據(jù)分析層是由結(jié)構(gòu)健康評(píng)估和數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)子系統(tǒng)完成其主要功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析[7]。數(shù)據(jù)管理層負(fù)責(zé)對(duì)用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理、監(jiān)測(cè)管理、文件管理等各個(gè)功能模塊的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和操作，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)具有穩(wěn)健便捷的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、查、改等操作。對(duì)比傳統(tǒng)的公路橋梁健康監(jiān)測(cè)方法，該方法可以提高數(shù)據(jù)的利用率，使數(shù)據(jù)的作用得到最大限度上的挖掘，減少誤判，節(jié)約人力物力，同時(shí)進(jìn)一步提高公路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)水平[8]。提出的監(jiān)測(cè)平臺(tái)預(yù)測(cè)子系統(tǒng)，通過(guò)采用數(shù)據(jù)集劃分、預(yù)警窗口設(shè)置的方法，可以在公路橋梁故障發(fā)生前做出預(yù)警，并且預(yù)留充分時(shí)間（24 h）進(jìn)行問(wèn)題處理。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以提高平臺(tái)的可靠性，是對(duì)原平臺(tái)的重要補(bǔ)充。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。6157CCEB-B82F-47F1-B3F4-FE1B16D27EA1

4.3 基于BIM的公路橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基本信息模塊主要對(duì)檢測(cè)的公路橋梁的基本信息、傳感器基本信息及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、布設(shè)信息、預(yù)警等級(jí)信息等進(jìn)行管理，監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目參照《城市公路橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ99—2017）中給出的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定。模型展示模塊利用BIM技術(shù)，通過(guò)Revit軟件將公路橋梁進(jìn)行三維建模，主要完成測(cè)點(diǎn)在檢測(cè)平臺(tái)Web頁(yè)面中的展示，包括測(cè)點(diǎn)的位置、數(shù)據(jù)以及測(cè)點(diǎn)的實(shí)際健康狀況等，直觀準(zhǔn)確地反映公路橋梁的信息。并且，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三維模型的旋轉(zhuǎn)、放大縮小等操作。數(shù)據(jù)采集模塊分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和人工巡檢。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分利用布設(shè)的有線、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;人工巡檢部分采用專業(yè)的儀器設(shè)備，以人工檢查的方式，對(duì)公路橋梁必要的檢測(cè)部位進(jìn)行定期檢測(cè)或者災(zāi)后緊急檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工檢測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理。數(shù)據(jù)管理模塊主要是將采集的數(shù)據(jù)傳入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后利用ECharts圖形庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)在平臺(tái)中進(jìn)行可視化展示，通過(guò)綠、黃、紅三級(jí)預(yù)警等級(jí)的閾值（根據(jù)公路橋梁具體設(shè)計(jì)、實(shí)際狀況與相關(guān)規(guī)定得出）進(jìn)行判斷與預(yù)警，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)報(bào)表的查看、下載功能。

4.4 危險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)

基于待監(jiān)測(cè)公路橋梁的實(shí)際業(yè)務(wù)需求與各子系統(tǒng)間的相互聯(lián)系，對(duì)危險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行整體功能設(shè)計(jì)，包括氣象災(zāi)害預(yù)警模塊、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)模塊、公路橋梁狀態(tài)警示模塊、斷電自動(dòng)報(bào)警模塊等[9]。

（1）氣象災(zāi)害預(yù)警模塊。該模塊的數(shù)據(jù)支持為傳感器監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)與本市氣象臺(tái)發(fā)布的氣象災(zāi)害預(yù)警信息。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出閾值或接收到來(lái)自氣象臺(tái)發(fā)布的不同等級(jí)預(yù)警信息，將以黃色預(yù)警（低風(fēng)險(xiǎn)）、橙色預(yù)警（中風(fēng)險(xiǎn)）以及紅色預(yù)警（高風(fēng)險(xiǎn)）的方式通知公路橋梁管護(hù)人員做好防災(zāi)減災(zāi)工作。

（2）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)模塊。包含網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)、主備線路自主切換、斷網(wǎng)自動(dòng)提示等功能，為確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)連續(xù)提供三重保障。

（3）公路橋梁狀態(tài)警示模塊。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)公路橋梁健康結(jié)構(gòu)狀態(tài)初始值，通過(guò)設(shè)置各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)的安全閾值，通常采用以5%、1%超越概率的極值或均方根值為通常值及限值的分級(jí)方式。一旦某項(xiàng)或多項(xiàng)參數(shù)超出設(shè)定閾值，將會(huì)發(fā)出緊急警報(bào)。

（4）斷電自動(dòng)報(bào)警模塊。當(dāng)系統(tǒng)處于異常斷電狀態(tài)時(shí)，將啟用備用蓄電池為系統(tǒng)持續(xù)供電。同時(shí)通過(guò)提取預(yù)存的值班手機(jī)號(hào)碼，撥打電話和發(fā)送報(bào)警短信，通知值班人員及時(shí)檢修停電故障。系統(tǒng)在每種預(yù)警模塊上采用了告警響聲、界面告警提示、短信發(fā)布等不同方式，并單獨(dú)連接了短信網(wǎng)關(guān)用于預(yù)警短信發(fā)送。

4.5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)保設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果由低到高分別分為V～I(xiàn)級(jí)五個(gè)預(yù)警等級(jí)，當(dāng)預(yù)警結(jié)果是V級(jí)時(shí)，表明設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)損壞跡象，但可能會(huì)存在一定的隱患，為防止高風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生可以在適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行檢修處理;隨著預(yù)警結(jié)果等級(jí)升高特別是出現(xiàn)I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警時(shí)，需要立即終止使用，并及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)，等到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)保設(shè)備處于“冷卻”狀態(tài)下，重新更換相應(yīng)元件及設(shè)備。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及各檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)異常后，再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。將燈光正常工作下傳感器電壓值鍵入仿真信號(hào)輸入窗口中，運(yùn)行程序。預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)異常信號(hào)，令紅色指示燈表示設(shè)備壓力出現(xiàn)異常;令紫色指示燈表示設(shè)備溫度出現(xiàn)異常;令黃色指示燈表示設(shè)備運(yùn)行和制動(dòng)效果出現(xiàn)異常;令藍(lán)色指示燈表示設(shè)備提示燈出現(xiàn)異常。通過(guò)面板上的布爾開(kāi)關(guān)按鍵，設(shè)置預(yù)警燈光的閃爍頻率，觀察波形圖表模塊輸出的傳感器電壓曲線是否正確，是否出現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)警。當(dāng)指示燈閃爍頻率較慢時(shí)，證明設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)無(wú)異常情況;當(dāng)指示燈閃爍頻率加快時(shí)，說(shuō)明設(shè)備指標(biāo)出現(xiàn)異常;若指示燈長(zhǎng)亮則表示設(shè)備已經(jīng)無(wú)法運(yùn)行。模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)，同時(shí)令設(shè)備壓力、溫度、制動(dòng)效果、指示燈都出現(xiàn)異常波動(dòng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備四個(gè)指標(biāo)時(shí)，三個(gè)測(cè)試組得出的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警效果[10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

公路橋梁健康監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的研究發(fā)展對(duì)現(xiàn)階段大荷載量、通行量情況下的公路橋梁運(yùn)維工作至關(guān)重要，該研究在傳統(tǒng)公路橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)代高新科學(xué)技術(shù)，提出適合大多數(shù)公路橋梁的“安全預(yù)警監(jiān)測(cè)內(nèi)容與評(píng)判體系”。在建設(shè)公路橋梁安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，要本著以自動(dòng)化為主、人工為輔原則進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)公路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，該文還專門針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用中的公路橋梁安全預(yù)警測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為相關(guān)人員提供科學(xué)借鑒。

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