基于物聯網技術的梁橋遠程安全監測系統研究

張勝卓 杜子超 岳皎潔

（寧波良和路橋科技有限公司 寧波 315042）

1 概述

對橋梁結構進行健康監測具有極大的科研價值和現實意義，近年來隨著光纖光柵傳感器的大量工程化應用，已經形成了采集多種橋梁結構參數的成套光纖光柵傳感技術，取得了很好的測試數據和監測效果。基于物聯網技術的梁橋遠程安全監測系統，是在傳統光纖光柵安全監測系統上的進一步創新。

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡，其用戶端延伸和擴展到了物品與物品之間進行信息交換和通信。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算、泛在網絡的融合應用，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網是互聯網的應用拓展，主要是對業務和應用的創新。因此，應用創新是物聯網發展的核心，用戶體驗是物聯網發展的靈魂。梁橋安全監測系統便是基于物聯網而建立的對應用管理和用戶體驗得到很大提升的創新系統，它是在傳統梁橋安全監測系統的基礎上搭建綜合應用平臺，融合光纖光柵傳感、無線傳輸、智能管理、先進的用戶體驗于一體，從而實現創新的梁橋安全監測系統。

2 基于物聯網的梁橋遠程安全監測系統結構

2.1 系統結構

本系統的網絡部署結構見圖1，前端的光纖光柵傳感器采集到的數據通過無線數據傳輸從前端傳輸到監控服務器，并通過服務器實現整個網絡的數據共享和存儲，業主可以方便地通過網絡、手機等終端設備實時監控，從而實現物物相連的安全監測。

圖1 網絡部署結構圖

2.2 監測內容

安全監測系統由硬件系統和軟件系統構成。硬件系統由傳感器、測試二次儀表、無線網絡通信設備和計算機等構成；軟件系統由各種硬件設備的驅動、控制及通信軟件構成，同時還包含對所測量的數據進行處理的數據庫管理、專家系統評估軟件等［1］。由軟件和硬件系統密切配合，實現長期健康監測及狀況評估的功能。

簡單的監測方式主要監測的對象為裂縫、溫度、應變及振動，需要通過相應的光纖傳感器和光纖光柵解調儀將現場物理量進行采集，并通過以太網或者3 G網絡將數據傳輸到遠端監控中心數據庫，通過上位機的結構健康監測系統軟件進行數據處理、分析和風險評估控制。

光纖光柵解調儀帶有無線數據發送和接收功能，并能夠將數據存儲在數據庫，通過遠程 WEB或手持終端登陸到系統，并設置管理員權限，即可實現與現場視頻監控和其他震動、氣象信息的聯動管理。監測內容如下：

（1）橋梁裂縫實時監測。混凝土裂縫超過0.2～0.4 mm，就可能由于混凝土內部鋼筋的腐蝕導致結構的使用壽命縮短。大到1～2 mm寬的裂縫則可能由于長期過載直接導致結構嚴重損壞。對于混凝土結構的裂縫需要及時修復和加固，因此實時監測裂縫就顯得非常重要［2］。傳統測量裂縫法包括直接觀察法、敲擊回波法、聲發射探傷法及紅外熱成像法等。這些方法不能直接測量出裂縫的寬度，也不能測量出垂直于結構表面的裂縫，只能單點測量，不能實時監測。此項目采用先進的光纖光柵裂縫傳感器，可以實時監控裂縫的發展走向，判斷裂縫的安全級別。

（2）結構應變監測（混凝土梁跨中關鍵部位等）。橋梁結構破壞的主要原因是結構局部開裂和失穩，應力是最直接與安全有關的因素，橋梁結構關鍵位置的應力是結構安全的重要標志，因此應力監測對結構安全性及健康狀況的把握至關重要。但是一般無法直接測量得到材料的應力，通過應變測試來反映應力。主要監測關鍵截面正應力在運營階段是否在設計要求范圍內，并與理論計算值作對比分析。

（3）橋梁結構關鍵截面的溫度分布。因為結構的變形、應變變化與溫度有關，通過監測混凝土梁的溫度分布等，對不同溫度狀態下橋梁的工作狀態變化，如變形、應力變化等進行比較，為定量分析主梁內力及變形提供依據。

（4）動力特性監測。橋梁結構在承受車輛、人群、風力和地震等動荷載作用下產生振動，橋梁在動荷載作用下的受力分析是橋梁結構分析的一項重要任務。

結構的振動信號容易采集和處理，且蘊含了大量反映結構損傷的信息。橋梁結構的振動特性包括結構的固有頻率、振型、阻尼比以及相關的模態剛度、模態質量、模態阻尼等［3］。沿主梁上、下游方向分別安裝光纖光柵加速度傳感器，與光纖光柵解調儀等組成高精度加速度測試系統。

2.3 測點布置

本研究針對梁橋其中一跨，選取其應力最大的跨中位置作為監測截面。梁橋測試截面示意圖見圖2。

圖2 梁橋測試截面布置示意圖

在每片梁橫截面的下緣安裝2個光纖光柵應變傳感器，1個光纖光柵溫度傳感器，1個光纖光柵振動傳感器。3個截面共需24個光纖光柵應變傳感器，12個光纖光柵振動傳感器和12個光纖光柵溫度傳感器。在伸縮縫位置每幅安裝2個位移傳感器，共需4個位移傳感器。具體位置見圖3。

圖3 梁橋安全監測傳感器布點示意圖

3 結語

目前，基于物聯網技術的梁橋遠程安全監測系統已經在吊水巖大橋上安裝并得到成功應用。系統采用無線傳感技術，將現場數據解調和數據壓縮后，通過無線網絡，上傳到云端服務器，數據在云服務器上經過分析處理及加工，可遠程實時監測橋梁的溫度、應力應變、伸縮縫位移及振動響應等傳感器數據，并建立了橋梁損傷識別和安全評估模型，實現橋梁健康狀況的在線安全評估和分級預警，并可以為前端計算機、手持設備、智能終端、車載計算機等終端設備提供業務支持，實現了物聯網技術的良好應用。

本系統采用先進的物聯網概念，提高了數據采集及傳輸的便捷性及先進性，實現了遠程監控，且經濟易維護。物聯網的概念使得光纖光柵監測系統在橋梁健康監測方面具有廣闊的應用前景。

［1］ 劉勝春，郝義昶，南秋明.基于光纖光柵傳感測試技術的橋梁健康監測系統［J］.中國科技信息，2006（2）：124-126.

［2］ 張 巍，呂志濤.光纖傳感技術用于橋梁監測［J］.公路交通科技，2003（6）：54-58.

［3］ 章關永.光纖傳感器技術在橋梁狀態監測中的應用［J］.世界橋梁，2002（2）：49-53.