龔 偉,吳 慧,鞠鵬飛,秦澤翔

(1.武漢機場路發(fā)展有限公司,湖北 武漢 430065; 2.湖北楚天聯(lián)發(fā)路橋養(yǎng)護有限公司，湖北 武漢 430065)

橋梁是人類生存和發(fā)展的重要媒介，橋梁建設(shè)的快速發(fā)展在很大程度上推動了人類社會和經(jīng)濟的發(fā)展。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，截止到2020年底，全國各類橋梁總數(shù)高達120萬座，但由于外界環(huán)境的侵蝕、橋梁結(jié)構(gòu)材料本身的老化、長期荷載效應(yīng)和疲勞效應(yīng)的作用以及車輛撞擊、地震破壞等偶然事故等多因素的影響，橋梁的安全問題日漸凸出[1-2]。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測多采用人工巡檢，這種方式需耗費大量人力和物力，且時效性較差，不能實時客觀地反映橋梁運營情況，從而導致在役橋梁存在安全隱患。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施的安全健康監(jiān)控中[3]，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)成為學術(shù)界和工程界的研究熱點。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是指將信息傳感設(shè)備與無線通訊技術(shù)相結(jié)合，再與互聯(lián)網(wǎng)融合，從而實現(xiàn)物到物、人與人的規(guī)?；ヂ?lián)[4-5]。在橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中運用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要有：傳感與解調(diào)技術(shù)、中間件技術(shù)、Web Service與數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)、通訊接口與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。這些監(jiān)控技術(shù)高效率、低成本、少損耗、實時性好，橋梁結(jié)構(gòu)模擬表達可視化精確度高。該項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對采集傳輸回來的數(shù)據(jù)進行空間分析與定位、屬性查詢與處理，專業(yè)人員通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)對橋梁的實時管理、實時安全評估、及時的應(yīng)急預(yù)警、交通疏導、事故處理和恢復等一系列相關(guān)工作，從而保證了在役橋梁的正常安全運營。

2 以某連續(xù)梁橋為例設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 橋梁的基本情況

該橋為典型的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，全長18.625 km，其中第1聯(lián)、第2聯(lián)、第11聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，其余各聯(lián)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)。橋型布置圖如圖1所示。

2.2 監(jiān)控內(nèi)容、參數(shù)及設(shè)備選擇

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)成本、運營環(huán)境的復雜性、橋梁本身重要性及其力學特征、橋梁易損性分析結(jié)果、安全評估需求和運營維護需求等因素綜合確定：該橋第1聯(lián)邊跨和第2聯(lián)處于關(guān)鍵地段，跨越某河下游河段，環(huán)境復雜，橋梁跨度大，結(jié)構(gòu)受力不利，對其進行監(jiān)測能夠準確地反映出整橋的健康狀況，結(jié)合橋梁的所處環(huán)境和實際使用情況，橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容選取如表1所示。

表1 監(jiān)控內(nèi)容、參數(shù)及設(shè)備情況

2.3 健康監(jiān)控系統(tǒng)組成

根據(jù)該箱型梁橋結(jié)構(gòu)的特點，以及大橋結(jié)構(gòu)預(yù)警、評估、管理及養(yǎng)護決策等方面的需求，對該橋進行健康監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)由四個子系統(tǒng)所組成，分別為：1)自動化傳感測試子系統(tǒng)；2)綜合預(yù)警與結(jié)構(gòu)安全評估子系統(tǒng)；3)數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)；4)用戶界面子系統(tǒng)，系統(tǒng)總體構(gòu)成及其功能實現(xiàn)如圖2所示。綜合來看這4個系統(tǒng)主要由以下4個模塊所組成：1)數(shù)據(jù)采集、傳輸、對接與處理模塊；2)數(shù)據(jù)庫模塊；3)告警預(yù)警模塊；4)業(yè)務(wù)管理模塊。

2.3.1 數(shù)據(jù)采集、傳輸、對接與處理模塊

該橋數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊主要是通過大橋附近的外場數(shù)據(jù)采集站和信號傳輸網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集站采用220 V單相交流供電，供電負荷為3 000 W，主要包括兩個部分，分別為：傳感器輸入與輸出調(diào)理通道和網(wǎng)絡(luò)控制器。傳感器的工作原理是將各種類型的監(jiān)控參量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以識別的光或電信號，再將這些信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。在結(jié)構(gòu)上布置一定數(shù)量的傳感器，通過傳感器對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行識別，并完成對部分損傷識別數(shù)據(jù)的采集和傳輸。根據(jù)該橋的監(jiān)控內(nèi)容，本項目監(jiān)控儀器布置位置及數(shù)量如表2所示。圖3為主梁監(jiān)測測點布置圖。

表2 監(jiān)控儀器布置位置

傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過TCP傳輸至對接設(shè)備，對接設(shè)備對數(shù)據(jù)進行解碼，將其轉(zhuǎn)化為常見的數(shù)據(jù)格式，供后續(xù)進行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理與存儲服務(wù)器采用先進的多芯多核CPU服務(wù)器，設(shè)置在路網(wǎng)級數(shù)據(jù)中心。監(jiān)控數(shù)據(jù)處理由三部分組成，分別為預(yù)處理、二次預(yù)處理和后處理。第一步的預(yù)處理設(shè)置在數(shù)據(jù)采集子站的計算機上，傳感器傳來的數(shù)據(jù)通過簡單的統(tǒng)計運算之后作為初級預(yù)警的數(shù)據(jù)輸入源。預(yù)處理數(shù)據(jù)在動態(tài)數(shù)據(jù)庫中存儲1 a以上。二次預(yù)處理設(shè)置在數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器上，具體計算方法和流程如圖4所示。監(jiān)控數(shù)據(jù)的后處理主要是指對數(shù)據(jù)進行的一系列的高級分析，如橋梁的特征量與車輛等荷載因素或與環(huán)境因素的相關(guān)性分析等。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫模塊

該橋數(shù)據(jù)庫建立在控制中心的結(jié)構(gòu)運營安全評估服務(wù)器上，主要有兩個部分組成：數(shù)據(jù)庫和查詢顯示。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)主要由兩部分組成。分別為橋梁綜合信息和原始信息。橋梁綜合信息也就是橋梁的基本信息庫，主要包括如下信息：1)橋梁設(shè)計的相關(guān)信息；2)橋梁施工的相關(guān)信息；3)分析得到的構(gòu)件評級結(jié)構(gòu)；4)傳感器的布置；5)現(xiàn)場檢查結(jié)果等。原始信息主要為傳感器采集到的數(shù)據(jù)、預(yù)處理、二次預(yù)處理及數(shù)據(jù)后處理的結(jié)果。通過對原始數(shù)據(jù)的壓縮、提取和融合，可以實時監(jiān)控大橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和荷載響應(yīng)狀態(tài)，從而建立該橋的“健康狀態(tài)”數(shù)據(jù)庫。

2.3.3 告警預(yù)警模塊

該橋的告警預(yù)警模塊主要由1臺64位雙CPU結(jié)構(gòu)安全狀況評估服務(wù)器和預(yù)警、評估軟件組成，布設(shè)在監(jiān)控中心。該模塊主要可以實現(xiàn)以下3個功能：1)原始數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫的管理；2)數(shù)據(jù)的深度分析，對結(jié)構(gòu)安全狀況進行評價，實現(xiàn)多形式的智能報警及異常信息的通知；3)用戶可以通過WEB響應(yīng)，隨時請求訪問歷史數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫。

告警預(yù)警模塊主要包括初級預(yù)警和結(jié)構(gòu)性預(yù)警。在進行數(shù)據(jù)告警預(yù)警判斷過程中，首先進行的是初級預(yù)警。傳感器傳過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過初步的預(yù)處理，系統(tǒng)會將預(yù)處理結(jié)果與事先設(shè)置好的警戒閾值進行比較，當預(yù)處理結(jié)果超過了該臨界值，初級預(yù)警程序即會對數(shù)據(jù)與傳感器的相關(guān)參數(shù)、其他傳感器的輸入進行自動檢測，從而做出預(yù)警判別。與此同時，數(shù)據(jù)采集單元向橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心發(fā)出申請，要求優(yōu)先對該組數(shù)據(jù)進行傳輸和處理。

在接受到優(yōu)先處理初級預(yù)警數(shù)據(jù)之后，健康監(jiān)控系統(tǒng)會進一步進行結(jié)構(gòu)性預(yù)警判斷，判斷的主要依據(jù)是結(jié)構(gòu)的多級損傷與預(yù)警策略原理。設(shè)置在控制中心的結(jié)構(gòu)性預(yù)警需要在1 h之內(nèi)對橋梁結(jié)構(gòu)的整體性、預(yù)先設(shè)置好的參數(shù)(如位移值、應(yīng)變值等)進行實時的在線監(jiān)測和評估。如果這些即時監(jiān)控的數(shù)據(jù)超過預(yù)警警戒閾值后，即進行預(yù)警報警。橋梁監(jiān)控或管理人員在接收到報警提示后，可以從監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫中調(diào)入相關(guān)數(shù)據(jù)進行查看，并對數(shù)據(jù)進行深度評估和分析，由此做出下一步的決定：是否需要對橋梁進行交通管制或者封閉橋梁進行現(xiàn)場特殊檢查。

2.3.4 業(yè)務(wù)管理模塊

業(yè)務(wù)管理模塊是各子模塊的上層應(yīng)用，提供可視化的集中管理界面，系統(tǒng)采用B/S設(shè)計，使用瀏覽器訪問，實現(xiàn)設(shè)備(傳感器、網(wǎng)關(guān))管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)查看、閾值配置、告警配置等功能。

設(shè)備管理進行了設(shè)備的抽象，將真實的監(jiān)測設(shè)備映射到業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，便于直接管理設(shè)備的運行狀態(tài)，調(diào)整設(shè)備的監(jiān)測參數(shù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)查看提供了在線查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的功能。閾值配置利用數(shù)據(jù)流的概念將監(jiān)測數(shù)據(jù)映射到系統(tǒng)，每條數(shù)據(jù)流均可配置閾值，閾值信息由告警預(yù)警模塊使用。告警配置提供了自定義告警內(nèi)容、接收人員、通知方式、反饋內(nèi)容等的功能。

3 驗證監(jiān)控系統(tǒng)的有效性

按照前面四個模塊的設(shè)計，對大橋監(jiān)控系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)模擬驗證。系統(tǒng)在收到傳感器傳來的實時數(shù)據(jù)之后，先進行閾值判斷，如果該數(shù)據(jù)超出設(shè)置的閾值，則會生成一條告警記錄，同時在監(jiān)控大屏上反映出來，此時監(jiān)控人員就可以根據(jù)告警記錄來判別大橋是否存在安全隱患以及進行后續(xù)的相關(guān)處理。本文以應(yīng)變數(shù)據(jù)為例來演示。將傳感器傳來的應(yīng)變數(shù)據(jù)導入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行閾值分析，其中應(yīng)變的閾值設(shè)置為1 000 με。在應(yīng)變超過1 000 με時，就會生成告警記錄，如圖5所示，在第一條記錄里，光柵光纖應(yīng)變計傳來實時應(yīng)變數(shù)據(jù)為1 018 με，此值超出閾值，則會進行設(shè)備上報，監(jiān)控人員在收到告警信息之后即對數(shù)據(jù)進行分析，從而來決定后續(xù)該如何處理。除了能進行實時數(shù)據(jù)分析，該橋的健康監(jiān)控系統(tǒng)還可將橋梁的基本信息、告警記錄、告警處置和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等存儲于該橋的數(shù)據(jù)庫中，用戶或者大橋的監(jiān)管人員可以隨時對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行調(diào)用，對橋梁的健康狀態(tài)進行系統(tǒng)的分析和后期的健康預(yù)測，如圖6所示為溫度和應(yīng)變的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與橋梁健康監(jiān)控預(yù)警技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對橋梁服役期間所處狀態(tài)的實時監(jiān)測，在超出閾值后及時進行預(yù)警，橋梁管理人員結(jié)合橋梁的檔案資料、養(yǎng)護資料及荷載資料進行合理的評估，從而做出正確的決策。這一技術(shù)既對橋梁進行實時監(jiān)測，同時也對收集到的橋梁各種資料進行統(tǒng)一管理，為在役橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控和安全評價注入了新的活力，具有較高的應(yīng)用推廣價值。