董樺樺, 荊國強, 馬長飛, 李東明, 馮 歡

(1.溫州市城市基礎設施建設投資有限公司, 浙江 溫州 325005; 2.橋梁智能與綠色建造全國重點實驗室, 武漢 430034; 3.中鐵大橋科學研究院有限公司, 武漢 430034; 4.中國地質大學自動化學院信息實驗中心, 武漢 430074)

斜拉索作為斜拉橋的重要受力構件,是橋梁健康監(jiān)測的重點關注對象。在工程應用中,拉索索力測量常用的測定方法有油壓表讀數法[1]、壓力傳感器測定法[2]、磁通量法[3]、雷達非接觸測量法[4-5]、基于圖像視覺的測量方法及振動頻率法[6]。前2種方法一般僅適用于橋梁施工階段拉索張拉時的索力測定,難以對運營期橋梁拉索的索力進行復測,應用受到限制。磁通量法在初期費用投入、安裝方便性方面還有待改善。雷達非接觸測量法效率高,Zhao等[7]提出了一種利用自主研發(fā)的微波干涉雷達測量大跨度斜拉橋索力的方法,并通過斜拉式人行天橋實際工程進行現場測量,但對測量環(huán)境要求較高,測量索面不允許有障礙物遮擋?；趫D像視覺的測量方法,Wang等[8]提出了一種基于輕量級智能手機圖像算法測量復雜條件下斜拉索振動位移的方法,在視覺振動中對多個項目、多個索面進行實時監(jiān)控;Du等[9]基于數字圖像技術通過相機捕獲單點和多點圖像來識別索力,將數字圖像技術的斜拉索多點振動模式與數值模擬進行比較,然而該方法對光學系統依賴性與要求較強,其識別的準確性主要取決于圖像處理算法、特性提取、圖像傳感器識別量化響應、光源穩(wěn)定性及視覺系統解析的精度與可靠性。振動頻率法,其適用性廣且測量精度能滿足工程應用要求,因此被廣泛應用,王修勇等[10]提出了考慮拉索垂度的拉索-阻尼器系統模態(tài)頻率的分析方法,研究結果表明使用高階模態(tài)頻率方法能更準確測量拉索索力;秦向杰等[11]采用頻率法測試斜拉橋拉索索力,通過修正后計算得到的索力值與壓力表測定的張拉力吻合度較好;淡丹輝等[12]研究了修正拉索長度提高拉索-阻尼器體系的索力測量精度的方法;高陽等[13]研發(fā)了一種便攜式無線索力檢測系統,顯著提高了斜拉索索力檢測的精度及效率,但其加速度傳感器不具備運算能力;劉大洋等[14]基于橋面-拉索-阻尼器耦合振動的索力合理拾振位置進行了相關研究。

針對索力檢測的上述問題,本文提出一種基于頻率法的斜拉索智能監(jiān)測技術,采用可編程測量MEMS加速度傳感器,對拉索的振動時域特征值和頻域特征值進行前端處理,僅將經過分析后少量有價值的數據傳輸至健康監(jiān)測系統,實現了監(jiān)測數據的無線傳輸;研究改進索力測試系統,采用大動態(tài)弱信號數據采集方法,提高信號測量分辨率和測量系統峰值信噪比,有效識別微弱振動信號中的有效頻率成分,提高了索力測量的準確性。

1 頻率法測索力技術原理

當拉索在自由振動過程中,其索力和頻率之間存在一定的聯系。采用頻率法測量索力的基本原理是利用索力和頻率之間的關系進行間接測量。假設系統的邊界條件為兩端鉸支,由于拉索垂度的影響,使得拉索在3個不同維度上的頻譜特性具有各向異性,其基本原理只能用作拉索索力值的估算。部分專家學者[15-16]研究了拉索垂度在拉索振動過程中對拉索索力和頻率的影響,并引入了拉索垂度無量綱常數λ,利用最小二乘方法擬合拉索索力的計算公式:

(1)

λ2=(8ml/F)2EAl/{F(l+8m2l3/F2)}

(2)

式中:F代表拉索的內部非實變應力;m代表單位長度下拉索的質量(假設質量均勻);l代表拉索的自由長度;A代表拉索的橫截面積;E代表拉索的彈性模量;n代表振動頻率的階數;fn代表拉索的第n階自振頻率。

2 斜拉索智能監(jiān)測技術的功能設計

2.1 功能設計

斜拉索智能監(jiān)測系統由數據采集系統、供電系統、數據傳輸系統和終端服務器組成。供電系統為整個監(jiān)測系統提供能量,數據采集系統用于測點信息采集,然后通過數據傳輸系統傳輸到終端服務器進行數據存儲和分析。

斜拉橋在日常運營期間,需監(jiān)測斜拉索的振動、索力是否異常,一旦有異常狀況發(fā)生,須立即自動報警,并進行針對性的分析與處理。針對上述監(jiān)測需求,斜拉索智能監(jiān)測技術通過高靈敏度MEMS加速度傳感器,在設備前端增加分析模塊,對數據進行初步處理,實現集索力監(jiān)測、振動監(jiān)測、異常振動報警一體化功能。上述功能的實現架構框圖如圖1所示。

圖1 斜拉索智能監(jiān)測技術實現框圖

2.1.1 索力監(jiān)測

斜拉索是斜拉橋的主要承載元件,是保證斜拉橋整體結構完整性和安全性的關鍵結構部件。采用頻率法監(jiān)測索力需解決2個難點:一是斜拉索安裝合理的阻尼減振裝置后,拉索的有效振動信號的信噪比低,不易得到主頻明顯的振動信號;二是斜拉索出現的主頻階次和外界環(huán)境激勵關系較大,需識別出有效主頻和對應的階次。

針對拉索振動信號微弱的問題,本文選用了美國ADXL355的MEMS加速度傳感器。該傳感器具有小體積、輕質量、高性能、低功耗、小慣性、高諧振頻率和短響應時間等優(yōu)點,且很容易在電路中集成和數字化,具有業(yè)界領先的噪聲性能、最小失調漂移和長期穩(wěn)定性,能對前端分析模塊的電子電路進行優(yōu)化設計,并通過電路的優(yōu)化設計,得到高信噪比的斜拉索原始振動曲線。其工作原理是:

1) ADXL355加速度傳感器拾取到高信噪比的加速度數據后,在前端處理電路中進行頻譜分析;2) 提取最明顯的10階主頻數據傳輸至監(jiān)測系統;3) 利用斜拉索各階主頻之間的近似倍數關系,剔除主頻數據中的異常值,自動識別拉索主頻的對應階次,再根據式(1)頻率法計算索力。

2.1.2 振動監(jiān)測

通過對多座斜拉橋日常振動的觀測,ADXL355的MEMS加速度傳感器提取分時段的主頻后,再提取對應時段的加速度最大值、最小值,并將其數據傳輸至健康監(jiān)測系統,原始曲線的價值被充分提取后,可直接刪除,降低了數據存儲與傳輸負擔,實現了監(jiān)測數據的無線實時傳輸,避免了因為大量數據傳輸丟點引起的頻譜分析誤差問題,保證了拉索的振動監(jiān)測效率與精度。

2.1.3 異常振動報警

在前端處理程序上設置報警閾值,當斜拉索在一些偶然作用下,如拉索受到沖擊、阻尼器失效、風致振動劇烈時,安裝在斜拉索上的加速度信號就會突然增大,超過預先設定的閾值,系統就會報警,并發(fā)送異常振動的加速度數據至橋梁健康監(jiān)測系統中,保證異常振動發(fā)生時完整的數據信息分析和回溯,以便管養(yǎng)人員進行拉索異常振動原因的分析。

2.2 工作模式

斜拉索監(jiān)測系統有2種工作模式:一種是持續(xù)監(jiān)測模式,另一種是喚醒模式。本系統采用了喚醒模式。持續(xù)監(jiān)測模式中,傳感器持續(xù)監(jiān)測斜拉索的振動情況,該工作模式下,傳感器和CPU需要持續(xù)穩(wěn)定的有線供電來工作,其耗電量大。喚醒模式的基本原理是當拉索振動微弱時使監(jiān)測系統處于休眠模式,從而大幅降低傳感器及CPU的耗電量。休眠模式下,ADXL355傳感器靜態(tài)消耗電流200 μA,這讓太陽能供電成為可能。

整個監(jiān)測系統中,數據通信對能耗的需求是整個系統運行功耗的90%以上,降低通信能耗是本文研究的重點之一。通過2方面進行優(yōu)化:一是將能在前端消化結束的數據盡量放在前端,減少這部分數據的通信;二是利用數據壓縮算法對原始數據進行大幅壓縮,傳輸壓縮后的數據,以降低功耗。采用小波壓縮作為數據壓縮的主要算法,兼顧計算復雜性,選擇支撐范圍5～9的小波基進行測試,最終選擇DB8小波基進行數據壓縮,測試結果如表1所示。

表1 有無數據壓縮策略下不同節(jié)點數量存活時間對比

通信時間:Tt=∑Ti,i=0,1,…,N-1,Ti為云端服務器接收網絡中所有節(jié)點的工作時間,包括該節(jié)點的數據采集時間;平均待機時間:Talive=∑Tj/N,j=0,1,…,N-1,Tj為單個節(jié)點的工作時間(1節(jié)18650工業(yè)電池電量3 000 mAh,充滿電后的電壓為3.5 V,電量全部釋放結束為存活時間)。需要說明的是,每個節(jié)點在傳輸數據前需耗能壓縮數據,不僅避免了直接將原始數據傳輸至云端導致的網絡擁堵,還減少了數據傳輸的時間,延長了節(jié)點的工作壽命。

為了降低系統運行功耗,從硬件、軟件、數據處理3個方面進行系統設計優(yōu)化:一是從硬件系統優(yōu)化設計,采用低功耗硬件,降低系統靜態(tài)運行功耗;二是從軟件系統優(yōu)化設計,在滿足工作要求的前提下適當增加休眠時間;三是從數據處理系統優(yōu)化設計,盡量將數據處理放在前端,減少不必要的通信數據量,另外采用數據壓縮算法,對必要傳輸的原始數據進行壓縮,大幅度降低通信的數據量,從而降低通信功耗。本文采用TI公司的超低靜態(tài)功耗電源管理系統進行電源設計,最終達到的靜態(tài)功耗優(yōu)于1 mW,有數據通信發(fā)生時,系統功耗優(yōu)于150 mW。

2.3 傳感器網絡系統

索力監(jiān)測系統體系分3層:第1層為布置在拉索上的MEMS加速度傳感器節(jié)點組建的MESH網絡層;第2層為邊界路由Router,該Router將傳感器網絡層的數據進行聚合并傳輸至遠程云端服務器;第3層為遠程云端服務器,其負責對接收到的數據進行分析與存儲。其中,整個網絡系統結構示意如圖2所示,傳感節(jié)點系統結構示意如圖3所示。傳感節(jié)點系統通過6LoWPAN連接至Router節(jié)點,并實現從IPV6網絡到IPV4網絡的轉換,使其直接進入Internet連接,實現物聯網與互聯網的無縫銜接。6LoWPAN網絡技術以精簡的IPv6為主要核心,使低功耗、低成本的傳感器網絡能夠使用IP技術方便地連接到互聯網中。

圖2 基于MEMS加速的傳感的網絡系統結構

圖3 3軸MEMS加速度傳感節(jié)點電路系統結構

2.4 加速度傳感節(jié)點硬件設計

2.4.1 加速度傳感器電路設計

加速度傳感器節(jié)點采用AD公司MEMS-ADXL335作為加速度傳感器的核心,其內部結構顯示如圖4所示,Z軸加速信號調理模式如圖5所示。

圖4 MEMS加速度傳感芯片內部結構示意

圖5 MEMS加速度信號調理電路示意

2.4.2 AD轉換器的電路設計

索的振動信號檢測屬于弱信號檢測的范疇,對低頻響應、靈敏度、數據采集速度、加速度傳感器分辨率要求較高。A/D轉換器使用1通道、24位ADS1255轉換器,微控制器使用具有強大數據處理能力的32位PIC32MX795處理器,這種關系如圖6所示。

圖6 ADS1255與CPU的連接

3 索力監(jiān)測系統試驗驗證

3.1 測量精度檢定

為了檢驗該監(jiān)測系統的測量精度,將其送至武漢市計量單位進行檢定,檢定結果如表2所示。從表2可知,該拉索智能監(jiān)測系統識別頻率與計量標準檢定頻率的相對誤差約在-0.17%～0.2%之間,完全滿足現場頻率測試的要求。

表2 頻率計量檢定數據

3.2 通信測試

為了減輕每個節(jié)點的通信壓力,設置每個傳感器節(jié)點能夠接收附近的節(jié)點的數量為20。由于加速度傳感器的數據發(fā)送頻率較高,數據量偏大,因此,邊界路由的路由表最終穩(wěn)定在45個節(jié)點數量,最大程度上保證系統穩(wěn)定工作。

4 工程應用

目前,該索力測試系統已經在武漢月湖橋、石首長江公路大橋、武穴長江大橋、嘉魚長江公路大橋等數座大橋中得到應用。以月湖橋為例,具體介紹該索力測試系統的應用情況。武漢月湖橋為獨塔非對稱雙索面斜拉橋,主橋全長370 m,跨徑布置為(232+75.4+34+28) m,塔高110.5 m,主梁高2.2 m,寬23.5 m,橋塔共設置104根斜拉索,主岸孔各26對。

為了驗證該索力監(jiān)測系統的測量結果的可靠性,在月湖橋上選取一根斜拉索,按照無控及設置拉索阻尼器2種工況,采用本文所研發(fā)的索力監(jiān)測系統分別測量了拉索的自振頻率,現場測試情況如圖7所示。測量結果對比如下:

圖7 月湖橋拉索索力監(jiān)測

斜拉索無控時,拉索振幅較大,測點最大峰值加速度達到18.5 mm/s2,由加速度功率譜可知拉索前10階自振頻率清晰可見,根據頻差法確定拉索振動的基頻為1.024 Hz,如圖8所示。

(a) 拉索振動加速度時程曲線

拉索安裝阻尼器后,測點處峰值加速度僅為3.018 mm/s2,振動幅度大幅下降,但拉索前十幾階自振頻率依然非常清晰,噪聲干擾較小,根據頻差法確定拉索振動基頻為1.099 Hz,如圖9所示。本索力測量系統采用大動態(tài)弱信號數據采集方法降低了測量系統峰值信噪比,非常有利于識別微弱振動信號中的有效頻率成分和提高拉索的索力測量精度。

(a) 拉索振動加速度時程曲線

5 結論

本文研發(fā)了一種基于前端處理的拉索智能監(jiān)測系統,分析了該系統的索力監(jiān)測、振動監(jiān)測及異常報警的功能,實現了監(jiān)測數據低功耗、小成本的無線傳輸,并得出如下主要結論:

1) 研發(fā)的拉索智能監(jiān)測系統既能進行拉索振動監(jiān)測,又能實現對拉索在時域、頻域振動響應的前端處理,大幅降低了健康監(jiān)測系統的數據傳輸量,同時采用喚醒模式及6LoWPAN技術實現了監(jiān)測數據低功耗、小成本及監(jiān)測數據的無線傳輸。

2) 采用了大動態(tài)弱信號數據采集方法,提高了信號測量分辨率和測量系統峰值信噪比,有效識別了微弱振動信號中的有效頻率成分,提高了索力測量的精確度。

3) 拉索智能監(jiān)測系統的工作性能通過了實驗室試驗檢定,其識別頻率與計量標準檢定頻率的相對誤差約在-0.17%～0.2%之間,并成功應用于武漢月湖橋、石首長江公路大橋、武穴長江大橋、嘉魚長江公路大橋等多座大橋,具有較強的工程實用性,可推廣應用。