顧永標

（貴州高速公路集團有限公司安順營運中心，貴州安順 561000）

1 工程概況

壩陵河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)于2008 年11 月進行招標，中標單位于2009 年9 月進場施工；2010 年12 月完成外場設備安裝；2011 年4 月完成臨時監(jiān)控中心內(nèi)場設備安裝；2011 年12 月完成交工驗收。

壩陵河大橋宣教館具備提供永久監(jiān)控中心的安置條件，于2015 年5 月開始對監(jiān)控中心進行搬遷，對系統(tǒng)故障設備進行更換升級，于2015 年7 月完工。主要工作內(nèi)容為監(jiān)控室搬遷、GNSS 基準站搬遷、顯示拼接大屏安裝、視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級、部分故障設備更換與維修。壩陵河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)運行期間，對2010年關嶺地震、凍雨及道路結冰、行經(jīng)大橋的車輛自燃、2016 年大風風災等應急事件提供了數(shù)據(jù)支持。

圖1 橋型總體布置圖

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容主要包括以下方面：

2.1.1 結構性能監(jiān)測

為了解橋梁結構的整體工作狀態(tài)，從宏觀上分析結構工作性能的變化規(guī)律，需重點監(jiān)測橋梁整體變形參數(shù)。通過安裝傳感器采集橋梁的結構參數(shù)數(shù)據(jù)，如位移、沉降、傾斜、加速度、振幅、頻率等，用于實時或定期監(jiān)測橋梁的結構狀況。

2.1.2 荷載參數(shù)監(jiān)測

監(jiān)測橋梁的荷載信息，用于評估橋梁的荷載狀態(tài)和荷載歷史，為結構健康評估提供依據(jù)。

2.1.3 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

通過傳感器監(jiān)測橋梁所處環(huán)境的參數(shù)，如溫度、濕度、風速、雨量等，用于分析環(huán)境因素對橋梁結構健康的影響。

2.親蝦越冬及培育 親蝦暫養(yǎng)于土池中，搭建加溫大棚越冬，通過環(huán)保鍋爐加熱，期間水溫保持15～18℃。至3月上旬，親蝦移入加溫苗池進行產(chǎn)卵培育，逐漸升高水溫至26～28℃，促進親蝦性腺進一步成熟。加強親蝦營養(yǎng)直接關系到卵和幼體質(zhì)量。日常投喂羅氏沼蝦專用配合飼料外，同時搭配投喂切碎的胡蘿卜、南瓜等新鮮蔬菜和冰鮮魚塊，確保營養(yǎng)豐富、全面。日投喂量一般在4%～5%左右，投喂新鮮飼料時適當增加投喂量，越冬期間視情況適量投喂。培育期間保持環(huán)境安靜，水質(zhì)清新，溶氧豐富，必要時換水。池內(nèi)放置PVC管和網(wǎng)衣作為隱蔽物，減少殘殺。

2.1.4 振動、裂縫、撓度等局部損傷檢測

通過對橋梁局部區(qū)域的振動、裂縫、撓度等進行實時檢測，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的局部損傷。

通過橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對在管橋梁結構狀態(tài)實現(xiàn)整體把控，為養(yǎng)護決策和規(guī)劃提供科學的數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)橋梁病害、橋梁管養(yǎng)分級，使養(yǎng)護資金的分配更加合理，養(yǎng)護維修措施更有針對性，實現(xiàn)長期總體養(yǎng)護資金投入最小化，降低維養(yǎng)成本[1]。

2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)基本構成

健康監(jiān)測系統(tǒng)集實時監(jiān)測、歷史查詢、統(tǒng)計分析、專項在線分析于一體，其主要由感知層、采集層、傳輸層、云服務器和人機交互幾部分組成。在橋梁各關鍵部位安裝各類傳感器后，將數(shù)據(jù)接入采集設備，采集設備初步運算后通過4G 無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)輸出到云服務器；云服務器對數(shù)據(jù)進行分析處理后下發(fā)到后端。

用戶門戶、GIS 地圖集成、結構監(jiān)測、車輛監(jiān)測、綜合報警、報告報表、監(jiān)測配置等子系統(tǒng)共同構成橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架，如圖2 所示。

圖2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)總體構成圖

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

3.1 在線監(jiān)測，超限報警

該系統(tǒng)能夠通過實時傳輸?shù)臉蛄航】当O(jiān)測數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)，進行橋梁狀態(tài)實時在線監(jiān)測、集中管理及展示。參照《公路長大橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)試點建設技術指南》（2021 試行版），建立橋梁健康監(jiān)測三級報警體系（藍色報警、黃色報警、紅色報警），實時監(jiān)測橋梁健康數(shù)據(jù)。在橋梁運營狀況異常時系統(tǒng)會及時觸發(fā)報警信號（界面提醒、郵件自動推送等），提醒相關人員關注橋梁的運營與安全狀況，并采取合理的應對措施，消除橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)超限報警狀態(tài)，使橋梁處于正常服役水平。同時，該系統(tǒng)可自動化生成各類報告報表，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)理統(tǒng)計分析、對比分析、相關性分析、趨勢分析等報告。

3.2 特殊事件報警體系

針對監(jiān)測項內(nèi)的特殊事件，如結構風致振動、火災、車輛撞擊吊索、堵車偏載、惡劣極端天氣等，該系統(tǒng)可以根據(jù)內(nèi)置的各類應急預案及時采取應急響應措施（密切跟蹤關注報警狀態(tài)、查明報警原因、提出應對措施），并同步啟動應急識別和評估機制，出具特殊事件專項評估報告，給出具有數(shù)據(jù)支撐的技術處治建議。

3.3 及時“感知橋梁”，依據(jù)狀態(tài)評估結果指導預防性養(yǎng)護

“感知橋梁”是基于大橋自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行狀態(tài)評估，相關人員可以依據(jù)狀態(tài)評估結果，針對性地開展預防性養(yǎng)護，可避免橋梁病害擴大而造成交通中斷等問題[2]。

3.4 為養(yǎng)管規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持

該系統(tǒng)能夠?qū)υ诠軜蛄航Y構狀態(tài)實現(xiàn)整體把控，為養(yǎng)護決策和規(guī)劃提供科學的數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)橋梁病害、管養(yǎng)分級，使養(yǎng)護資金得到合理分配，使養(yǎng)護維修措施更具針對性，實現(xiàn)長期總體養(yǎng)護資金投入最小化，降低維養(yǎng)成本。

4 健康監(jiān)測系統(tǒng)方案

4.1 系統(tǒng)總體架構

壩陵河大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)升級改造項目將結構運營安全監(jiān)測、結構安全報警、數(shù)據(jù)自動化處理與存儲、實時數(shù)據(jù)的人性化交互顯示等各功能集中于同一平臺。前期統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)籌開發(fā)，預留自定義接口，后續(xù)分步接入，分階段進行系統(tǒng)實施，實現(xiàn)橋梁全壽命周期的科學化、標準化、電子化、信息化養(yǎng)護管理，監(jiān)管運營期橋梁結構與行車安全，最大限度地維持橋梁的良好工作狀態(tài)。

該項目旨在升級改造大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括自動化監(jiān)測子系統(tǒng)、電子化巡檢子系統(tǒng)、結構安全報警與狀態(tài)評估子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)以及用戶界面子系統(tǒng)。系統(tǒng)預留數(shù)據(jù)接口后續(xù)可接入交通運輸部長大橋梁結構數(shù)據(jù)平臺，總體架構如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構示意圖

4.2 自動化監(jiān)測子系統(tǒng)

自動化監(jiān)測子系統(tǒng)通過傳感器、數(shù)據(jù)采集和傳輸設備實時獲取結構響應和環(huán)境特征數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)處理和控制設備對這些數(shù)據(jù)進行處理。該子系統(tǒng)需滿足以下要求：

第一，系統(tǒng)架構設計合理，且可擴展、易維護。第二，能夠提供精度、采樣頻率均滿足要求的監(jiān)測數(shù)據(jù)。第三，能夠滿足設備運行穩(wěn)定性的需求，同時設備可更換、易標定。第四，采集軟件能根據(jù)用戶設置的采集參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集。第五，采集箱能夠自動完成GNSS 校時，不同采集箱應能保持同步采集。第六，數(shù)據(jù)采集應能在采集箱內(nèi)緩存，當網(wǎng)絡故障時采集數(shù)據(jù)保存在采集箱內(nèi)。第七，采集箱具備一定的數(shù)據(jù)預處理、簡單分析及報警功能。第八，能夠?qū)崿F(xiàn)設備自診斷、自恢復功能，自動定位故障，并實時報警，具有故障隔離功能，出現(xiàn)故障時不影響其他設備正常工作。第九，系統(tǒng)具備遠程監(jiān)測功能，用戶能夠通過因特網(wǎng)遠程使用該系統(tǒng)。第十，能夠?qū)Σ杉脑紨?shù)據(jù)進行初級校驗和選擇存儲。第十一，對用于存儲二次處理、數(shù)據(jù)融合、結構狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，進行定期存檔、備份，以保持數(shù)據(jù)連續(xù)性。第十二，能夠向結構報警模塊提供數(shù)量和精度都滿足要求的監(jiān)測數(shù)據(jù)。第十三，在結構實時監(jiān)測過程中，系統(tǒng)會自動檢測可變荷載和結構響應指標，并在出現(xiàn)威脅橋梁運營安全的情況時發(fā)出報警信號。同時，系統(tǒng)還會在特殊氣候或橋梁運營狀況異常時觸發(fā)報警信號，提醒橋梁管理養(yǎng)護人員關注結構的安全狀況。必要情況下系統(tǒng)還可以啟動應急響應機制，以保障橋梁的安全運行[3]。

4.3 電子化巡檢子系統(tǒng)

傳統(tǒng)的巡檢養(yǎng)護手段并不能滿足工程龐大、構造復雜的特大橋的養(yǎng)護管理需要。而借助標準化、規(guī)范化的電子化巡檢子系統(tǒng)，能夠為橋梁風險管理、科學預防性養(yǎng)護管理提供依據(jù)，從而實現(xiàn)管養(yǎng)工作制度化、管養(yǎng)技術現(xiàn)代化、管養(yǎng)決策科學化。

4.4 數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資料分類、高效管理，一方面能夠安全可靠地存儲數(shù)據(jù)資料，另一方面能夠充分利用數(shù)據(jù)價值，使之服務于上層系統(tǒng)的業(yè)務流轉、歷史數(shù)據(jù)的回溯和統(tǒng)計，各類文檔資料的歸檔、下載、上傳、打印等。

子系統(tǒng)具備以下功能：第一，實現(xiàn)監(jiān)測項管理，增加或刪除結構監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測項。第二，實現(xiàn)傳感器管理，增加、刪除、查看、歸屬所屬的監(jiān)測項、編號編輯等。第三，實現(xiàn)各類文檔的管理，增加、刪除、查找等。第四，實現(xiàn)監(jiān)測項、傳感器、各類基礎庫的自定義配置。第五，對大量、多種類數(shù)據(jù)的管理，為多個子系統(tǒng)提供共享數(shù)據(jù)信息，同時支持分布式的處理與訪問。第六，支持多并發(fā)用戶的操作，為各應用子系統(tǒng)提供可靠的分布式數(shù)據(jù)交換與存儲平臺，方便開發(fā)與使用。

4.5 結構安全報警與狀態(tài)評估子系統(tǒng)

結構安全報警模塊是橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?qū)赡芡{橋梁運營安全的可變荷載和結構響應指標（如主梁變形等）進行實時監(jiān)測和報警。此外，該模塊能夠提供特殊氣候、交通條件下或橋梁營運狀況異常時的報警信號，提醒橋梁管理養(yǎng)護人員及時關注結構的運營與安全狀況，并啟動相關應急預案。

充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，結構安全報警模塊還能對結構狀態(tài)進行評價、分析等，為橋梁運營階段的管理提供技術支持。結構狀態(tài)評估是監(jiān)測數(shù)據(jù)利用的最終體現(xiàn)，也是構建結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中技術難度最大的部分。該子系統(tǒng)具體功能如下：

第一，具有結構狀態(tài)監(jiān)測和報警功能，能夠給出結構理論計算值或規(guī)范值，實現(xiàn)比對分析和分級報警。第二，能在監(jiān)控中心內(nèi)實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警值和限值。第三，能夠充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，對結構狀態(tài)進行評價、分析等，自動生成結構相關性能報表，為橋梁運營階段的養(yǎng)護管理提供技術支持。第四，能對交通流量、結構監(jiān)測數(shù)據(jù)超限、撞擊、異常振動等特殊事件數(shù)據(jù)進行記錄和分析。第五，具備遠程信息發(fā)布與共享，遠程授權操控功能。第六，橋梁結構狀態(tài)評估，針對結構特點、易損性和風險點，根據(jù)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，展開相應的狀態(tài)評估工作[4]。

4.6 用戶界面子系統(tǒng)

用戶界面子系統(tǒng)是人機交互的入口，通過搭建系統(tǒng)軟件平臺及UI 交互界面，實現(xiàn)橋梁基礎信息管理、橋梁各類監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)查看、統(tǒng)計報表分析。該子系統(tǒng)具備以下功能：其一，具有地理信息系統(tǒng)（GIS）定位功能，三維可視化顯示橋梁健康監(jiān)測情況；其二，在線實時查看，監(jiān)測數(shù)據(jù)在線實時報警、提示。

5 結語

簡而言之，橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)在養(yǎng)護管理決策方面有重要意義。交通運輸部已經(jīng)將其作為“智慧交通”的重點項目，健康監(jiān)測系統(tǒng)是當前的熱點研究領域，因此應繼續(xù)深入研究橋梁物聯(lián)網(wǎng)技術、養(yǎng)護管理體系、數(shù)據(jù)深挖掘傳感器研發(fā)等，不斷提高監(jiān)測系統(tǒng)在管理養(yǎng)護工作中的應用價值。