泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐 軻，戴鵬飛

(1.江蘇省長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)指揮部，江蘇泰州 225321;2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210005)

1 前言

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度進(jìn)行診斷，對(duì)橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁的維修養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

泰州大橋主橋?yàn)槭澜缡鬃骺缈鐝匠角椎娜煽鐟宜鳂颍兴捎每v向人字形、橫向門(mén)式框架型鋼塔。其結(jié)構(gòu)體系為世界橋梁技術(shù)前沿的突破性創(chuàng)新，橋型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)復(fù)雜，以往國(guó)內(nèi)采用的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很難滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)的需要，因此需要設(shè)計(jì)并建立符合泰州大橋特色的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與功能

泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)功能目標(biāo)如下。

1)建立科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)大橋整體線(xiàn)形、振動(dòng)、應(yīng)變、索力、風(fēng)速、溫濕度等內(nèi)容的監(jiān)測(cè)真實(shí)地反映大橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2)監(jiān)測(cè)全面，數(shù)據(jù)保存完整，為后續(xù)的數(shù)據(jù)再利用、大橋的工作性能評(píng)價(jià)及理論研究提供科學(xué)依據(jù)。

3)數(shù)據(jù)分析及報(bào)警，為大橋的安全運(yùn)營(yíng)及大橋的養(yǎng)護(hù)、維修、管理提供參考。

4)良好的設(shè)備及軟件兼容性，為將來(lái)的維護(hù)提供便利，為系統(tǒng)的升級(jí)預(yù)留空間。

3 系統(tǒng)框架構(gòu)成

根據(jù)大型橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。其中，傳感器子系統(tǒng)由各類(lèi)傳感器及傳輸線(xiàn)纜組成，用于大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入。采集與傳輸子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)軟件構(gòu)成，用于對(duì)傳感器子系統(tǒng)的信號(hào)輸入進(jìn)行采集、預(yù)處理、保存，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工作站及相應(yīng)軟件構(gòu)成，用于對(duì)前端采集傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、統(tǒng)計(jì)和顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。

4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)三塔兩跨懸索橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，泰州大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將重點(diǎn)監(jiān)測(cè)中塔，兼顧主梁和主纜，通過(guò)各類(lèi)技術(shù)手段對(duì)整體線(xiàn)形、應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)、風(fēng)荷載等進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖1 泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架示意圖Fig.1 The schematic diagram of structure health monitoring system for Taizhou Bridge

由于泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容涉及整體線(xiàn)形、應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)、風(fēng)荷載等多個(gè)方面，對(duì)應(yīng)的傳感器主要為風(fēng)速儀、應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器和GPS系統(tǒng)等。在設(shè)計(jì)中遵循從狀態(tài)評(píng)估的需要出發(fā)，以有效和經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，使傳感器與測(cè)點(diǎn)能夠發(fā)揮最大效應(yīng)的原則，整體設(shè)計(jì)了傳感器與測(cè)點(diǎn)的布局(見(jiàn)表1)。

表1 傳感器類(lèi)型及數(shù)量表Table 1 Types and quantity of sensors

5 獨(dú)特的數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

泰州大橋數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)采用了基于板卡的集中采集與分布式采集相結(jié)合的設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)首次采用了有線(xiàn)采集傳輸與無(wú)線(xiàn)采集傳輸兩者相結(jié)合的模式。

5.1 有線(xiàn)采集傳輸系統(tǒng)

有線(xiàn)采集系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換采集板卡、各類(lèi)信號(hào)調(diào)理設(shè)備、I/O接口等設(shè)備構(gòu)成。其主要做法是根據(jù)傳感器分布位置，綜合考慮傳輸信號(hào)衰減、信號(hào)放大等因素，在橋梁合適部位設(shè)立工作站。工作站選用性能可靠的工業(yè)計(jì)算機(jī)做為采集終端，在采集終端插入帶有ISA、PXI、PCI等接口的數(shù)據(jù)采集板卡，將各類(lèi)傳感器的信號(hào)通過(guò)專(zhuān)用的導(dǎo)線(xiàn)引入數(shù)據(jù)采集板卡，利用相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。

5.2 無(wú)線(xiàn)采集傳輸系統(tǒng)

無(wú)線(xiàn)采集傳輸系統(tǒng)相對(duì)有線(xiàn)采集傳輸系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):安裝方便、移動(dòng)性強(qiáng)、能耗低、價(jià)格低廉;采用分布式網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)等方式工作;拓?fù)渥兓`活，冗余及容錯(cuò)性強(qiáng)等。其工作原理是將無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在大橋拉索、主纜、鋼箱梁等重要部位，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)獲取相關(guān)加速度數(shù)據(jù)，分析出拉索、鋼箱梁等各個(gè)部位的振動(dòng)頻率。由于橋梁各個(gè)部位的振動(dòng)都有相對(duì)固有的頻率，若橋梁某個(gè)部位發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，其振動(dòng)頻率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，因此通過(guò)振動(dòng)頻率便可以分析出橋梁的健康狀態(tài)［1］。

圖2為無(wú)線(xiàn)采集傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)采集橋梁的振動(dòng)加速度，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CC2420 IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)收發(fā)器發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)之間采用zigbee通信組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用2.4 GHz頻帶提供的16個(gè)通道進(jìn)行通信［2］。基站和數(shù)據(jù)中心采用TCP/IP構(gòu)成TCP網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)在不提高節(jié)點(diǎn)功耗的前提下，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的處理、存儲(chǔ)功能，而且通信距離得到極大的提升，其由節(jié)點(diǎn)傳感器模塊、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊和射頻功率放大器組成，如圖3所示［3］。

泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線(xiàn)采集傳輸和傳統(tǒng)的有線(xiàn)采集傳輸方式進(jìn)行了有效的整合。考慮到在鋼結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)會(huì)多次反射，對(duì)采集數(shù)據(jù)的精確度造成極大干擾，箱梁、塔內(nèi)等鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部固定測(cè)點(diǎn)均使用有線(xiàn)采集方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)于主纜、吊索等40個(gè)需要長(zhǎng)距離傳輸?shù)臏y(cè)點(diǎn)，使用無(wú)線(xiàn)采集方式傳送數(shù)據(jù)，有效彌補(bǔ)了有線(xiàn)采集系統(tǒng)靈活性差、傳輸距離短的不足。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通過(guò)基站接入全橋的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，匯聚到監(jiān)控中心服務(wù)器，納入統(tǒng)一的軟件管理平臺(tái)。

圖2 無(wú)線(xiàn)采集傳輸系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Framework of wireless data acquisition and transmission system

圖3 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of wireless sensor nodes

6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理與分析

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理與分析由數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)完成，是泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷診斷和預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估、結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估等。

數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)主要功能是對(duì)采集系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將處理結(jié)果顯示、存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)采集傳輸子系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、二次處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等數(shù)據(jù)管理控制工作。

數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，計(jì)算設(shè)定時(shí)段內(nèi)的最大最小值、均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、變化幅值等，計(jì)算結(jié)果可對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)是否正常進(jìn)行判別，并作為初級(jí)預(yù)警的判斷依據(jù)。數(shù)據(jù)的二次處理內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的幅域分析顯示、頻域分析顯示、時(shí)域分析顯示、頻度計(jì)數(shù)分析顯示、Fourier分析等，以便判別結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)及變化特征值，作為評(píng)估結(jié)構(gòu)性能的依據(jù)。

泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存儲(chǔ)了所有傳感器子系統(tǒng)的信息，還具備設(shè)備診斷、閾值預(yù)警、統(tǒng)計(jì)報(bào)表輸出以及完善的系統(tǒng)日志等功能，極大地方便了后期的系統(tǒng)維護(hù)及管養(yǎng)工作。

圖4 泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主界面Fig.4 Main interface of structure health monitoring system software of Taizhou Bridge

7 結(jié)語(yǔ)

泰州大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用了現(xiàn)代傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)等多項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)泰州大橋全面、長(zhǎng)期的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合了工程應(yīng)用中的監(jiān)測(cè)、管養(yǎng)需求，具有先進(jìn)、可靠、安全、可維護(hù)及可擴(kuò)展等特點(diǎn)，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，為泰州大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別及安全性評(píng)估等工作奠定了基礎(chǔ)。

［1］丁華平，馮兆祥，沈慶宏，等.基于新型樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)，2009，45(4):488 －493.

［2］申云海，馬千里，卞春華，等.基于有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2011(23):65－69.

［3］陸 慧，沈慶宏，陳 策，等.基于Imote2的WSN橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳輸研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù) ，2010(21):30－34.