摘 要：針對傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測方法下存在的硬件監(jiān)測設(shè)備落后、信息化水平不足、數(shù)據(jù)傳輸慢等問題，基于BIM技術(shù)對橋梁監(jiān)測硬件系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。從橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的實際情況出發(fā)，分析傳感設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作原理，進而合理配置硬件設(shè)備；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建信息化監(jiān)測系統(tǒng)并將其應(yīng)用于實際工程項目中。實際應(yīng)用效果表明：文中以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成的方式實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測，并且基于BIM技術(shù)提供了可視化的監(jiān)測數(shù)據(jù)和智能化的決策支持。

關(guān)鍵詞：橋梁監(jiān)測；BIM技術(shù)；智能硬件；傳感器；數(shù)據(jù)傳輸；可視化

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.014

0 引 言

橋梁是交通運輸和城市發(fā)展的重要組成部分，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性尤為重要[1]。目前，傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測方法仍存在一些缺陷，如硬件設(shè)備落后、數(shù)據(jù)實效性不足、數(shù)據(jù)傳輸慢等[2-3]。因此，如何運用先進的技術(shù)手段實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的全方位、實時的監(jiān)測，成為該領(lǐng)域的研究熱點之一[4]。

本文基于BIM技術(shù)對橋梁監(jiān)測硬件系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，以信息化手段為橋梁監(jiān)測蓄力賦能。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

對橋梁安全性能的評判離不開結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的支撐，而獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)在于硬件設(shè)備的穩(wěn)定運行[5]。本文在橋梁的不同位置設(shè)置不同類型的傳感器用于感知橋梁狀態(tài)，采用多通道數(shù)據(jù)采集器獲取傳感器數(shù)據(jù)，選取無線數(shù)據(jù)傳輸模塊DTU將數(shù)據(jù)以4G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)姆绞絺髦猎贫?，進而實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的獲取。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示，主要包含傳感設(shè)備、采集設(shè)備、無線傳輸單元和儲電供電系統(tǒng)4部分。

1.2 傳感設(shè)備

當前橋梁監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用的傳感器類型主要包括電阻式傳感器、振弦式傳感器、光纖光柵傳感器。

電阻式傳感器可以將應(yīng)力、位移、荷載等力學(xué)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓?，進而實現(xiàn)非電物理量向電物理量的轉(zhuǎn)換[6]。電阻式傳感器具有靈敏度高、體積小、精度高、價格低廉等優(yōu)勢，目前生產(chǎn)技術(shù)成熟，被廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)試驗中。但其易受電磁、輻射、氣壓、氣流、聲壓等因素的影響，且可靠性不夠高，隨著時間、環(huán)境的變化會產(chǎn)生較大的時漂、溫漂，因此不適用于長期監(jiān)測。

振弦式傳感器的工作原理是通過鋼弦振動頻率的變化量表征受力的大小。振弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、耐振動、抗電磁干擾能力強的特點，目前生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品使用壽命逐漸延長，測量性能優(yōu)良，幾乎不受信號線長度的影響，因此非常適合長距離、長時間的監(jiān)測，是當前橋梁監(jiān)測應(yīng)用中的主流產(chǎn)品。

光纖光柵傳感器是一種波長調(diào)制型傳感器，它通過測量和響應(yīng)由外界物理量（如溫度、壓力、應(yīng)變等）引起的光纖光柵中布拉格波長的變化來獲取傳感信息。采用光纖光柵傳感器進行橋梁監(jiān)測時，橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的變化都會引起布拉格波長的變化，通過監(jiān)測反射波長便能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度的監(jiān)測。由于光纖光柵傳感器利用光信號進行信息傳遞，因此其突出優(yōu)勢在于其電絕緣性和抗電磁干擾性強。但光纖為脆性材料，對運輸和安裝過程的要求較高。橋梁監(jiān)測項目的現(xiàn)場環(huán)境一般較復(fù)雜，極易造成光纖材料損壞，一旦光纜出現(xiàn)斷點就需要專業(yè)人員熔接；其次傳感器在實際應(yīng)用中的監(jiān)測精度與理論精度相差較大，傳感器與結(jié)構(gòu)之間的固定方式問題目前還沒有得到很好的解決；再者我國在光纖類傳感器技術(shù)方面的研究還不成熟，進口設(shè)備價格昂貴，應(yīng)用成本較大。

綜合比較，本文選擇振弦式傳感器對橋梁的主要參數(shù)進行監(jiān)測。

1.3 采集設(shè)備

傳感器能夠?qū)⒎请娦盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，但計算機并不能直接識別這種電信號，因此完成傳感設(shè)備的選型后，要依據(jù)所選傳感設(shè)備匹配數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是利用數(shù)據(jù)采集器將傳感器傳遞的電信號轉(zhuǎn)換為計算機可識別的電信號。目前數(shù)據(jù)采集器按照接口方式可分為USB、PCI、PCIE、PXI、PXIE、RS 232、RS 485等類型。其中USB接口類型適合小規(guī)模的系統(tǒng)集成及實驗室應(yīng)用；PCI、PCIE、PXI、PXIE接口類型適合大規(guī)模的集成應(yīng)用；RS 232、

RS 485接口類型適用于遠距離、分布式場景，RS 485是基于RS 232標準發(fā)展而成的具有高接收靈敏度和強抗干擾能力的串行接口技術(shù)[7]。

本文考慮橋梁項目特征并結(jié)合所選主要傳感器類型，選擇RS 485接口形式的多通道弦式數(shù)據(jù)綜合采集器作為主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其工作原理如圖2所示。當監(jiān)測因素發(fā)生變化時會使振弦受力發(fā)生變化，從而改變振弦的固有頻率，此時激勵信號產(chǎn)生模塊會產(chǎn)生激勵信號，并通過激勵線圈激發(fā)振弦振動；檢測模塊通過感應(yīng)線圈檢測出振弦頻率，時基與控制模塊對頻率波形進行分析處理；存儲模塊對數(shù)據(jù)進行儲存與保護；最后系統(tǒng)通過通信模塊將分析計算后的數(shù)字信號向上位機傳遞。

1.4 無線傳輸單元

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起，無線傳輸技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，其具有設(shè)備安裝方便、性價比高、靈活性強等優(yōu)勢。現(xiàn)階段越來越多的行業(yè)監(jiān)測采集系統(tǒng)中更傾向于采用無線傳輸方式[8-9]來建立監(jiān)測采集點與數(shù)據(jù)監(jiān)測中心之間的

連接。

常用的無線傳輸技術(shù)包括藍牙、紅外、RFID、WiFi、ZigBee、移動通信技術(shù)（GRPS、3G、4G、5G），以及2.4 GHz

和433 MHz等頻段上的通信技術(shù)[10]。橋梁多建于野外，適合采用傳輸數(shù)據(jù)量大、易接入、傳輸距離不受限制、可跨區(qū)域的無線傳輸技術(shù)。因此，本研究采用具有GSM功能、依托4G移動通信技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊DTU作為主要的無線傳輸手段，實現(xiàn)橋梁數(shù)據(jù)采集器和云服務(wù)器的雙向通信，如圖3所示。

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集器獲取各個測點上傳感器的數(shù)據(jù)，DTU將數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給云服務(wù)器，云服務(wù)器對接收的數(shù)據(jù)作進一步處理。該過程的具體工作方式可分為以下兩種：

（1）主動發(fā)送工作方式：是指通過上位機直接設(shè)置一次數(shù)據(jù)采集器為定時自動采集模式或云服務(wù)器下發(fā)一次定時自動采集命令給數(shù)據(jù)采集器，這時數(shù)據(jù)采集器將定時自動采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過DTU無線傳輸給云服務(wù)器，云服務(wù)器只須接收、讀取數(shù)據(jù)即可。

（2）被動發(fā)送工作方式：是指云服務(wù)器發(fā)送讀取命令給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器讀取傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過DTU無線傳輸給云服務(wù)器，云服務(wù)器再讀取數(shù)據(jù)，每次讀取數(shù)據(jù)都是云服務(wù)器先發(fā)起并經(jīng)歷這個過程。

本文采用被動發(fā)送工作方式，云服務(wù)器定時發(fā)讀取命令給數(shù)據(jù)采集器，這樣采集頻率可由云服務(wù)器上的采集程序決定，便于根據(jù)實際情況進行控制和調(diào)整。

1.5 儲電供電系統(tǒng)

監(jiān)測現(xiàn)場傳感設(shè)備、采集設(shè)備的穩(wěn)定運行離不開供電系統(tǒng)的支持，但大部分橋梁項目所處環(huán)境都缺乏必要的基礎(chǔ)供電設(shè)施。如果依靠地方供電線路，采取遠距離架設(shè)電纜的方式，不但會產(chǎn)生高昂的成本，還存在后期維護難的問題。利用太陽能供電系統(tǒng)則可以有效解決上述問題。

太陽能供電系統(tǒng)的核心是太陽能板，位于太陽能板上的半導(dǎo)體材料能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能，進而實現(xiàn)太陽能供電。本文設(shè)計的太陽能供電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池中，以蓄電池作為電源向硬件設(shè)備提供電能，同時蓄電池中儲存的電能也能保證夜間或陰雨天氣下設(shè)備正常運行，如圖4所示。太陽能供電系統(tǒng)具有供電效率高、成本低、性能穩(wěn)定、環(huán)保等優(yōu)勢。

1.6 系統(tǒng)運行架構(gòu)

系統(tǒng)運行架構(gòu)關(guān)乎數(shù)據(jù)處理效率、可擴展性、可靠性、安全性等方面。本文的系統(tǒng)運行架構(gòu)如圖5所示，主要分為基礎(chǔ)平臺層、采集層、服務(wù)層、應(yīng)用層4部分?；A(chǔ)平臺層包括云服務(wù)平臺、網(wǎng)絡(luò)、存儲、數(shù)據(jù)應(yīng)用、Web應(yīng)用；采集層主要包括物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和太陽能供電系統(tǒng)，其中具體包括傳感設(shè)備、采集設(shè)備、無線傳輸設(shè)備、供電設(shè)備等；服務(wù)層包括系統(tǒng)所具備的功能，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲等，以及為用戶提供的數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備控制、組織管理等功能；應(yīng)用層實現(xiàn)了跨平臺兼容，如在PC端、H5移動端均可訪問。

2 工程應(yīng)用

2.1 BIM模型構(gòu)建

利用Revit軟件按照橋梁設(shè)計信息建立精細化BIM模型，通過廣聯(lián)達BIMFACE輕量化引擎對模型進行輕量化處理，如圖6所示。處理后的模型具有體積小、加載速度快等優(yōu)勢。最后將模型文件的ID及秘鑰載入監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)跨平臺信息融合。

2.2 硬件設(shè)備安裝調(diào)試

現(xiàn)場安裝硬件設(shè)備后通過無線傳輸模塊接入系統(tǒng)中，將硬件設(shè)備與BIM模型進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的實時可視化監(jiān)測，如圖7所示。系統(tǒng)還集成了阿里云短信平臺，如遇到異常情況可以通過平臺預(yù)警和短信提醒的方式通知相關(guān)負責(zé)人，如圖8所示，以便負責(zé)人可以及時做出反應(yīng)，排查安全隱患，為橋梁結(jié)構(gòu)安全保駕護航。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)和BIM技術(shù)，對橋梁監(jiān)測硬件設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了對橋梁結(jié)構(gòu)的全方位監(jiān)測。實際應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實時獲取橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并準確判斷橋梁的安全狀況，具有較高的監(jiān)測準確性和可行性，這為橋梁維護提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

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收稿日期：2023-08-31 修回日期：2023-09-29

作者簡介：任鵬程（1973—），男，高級工程師，研究方向為鐵路建設(shè)管理。