橋梁結構狀態感知網絡及智能預警技術研究

張 萍 張笑塵 賈 杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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橋梁結構狀態感知網絡及智能預警技術研究

張 萍 張笑塵 賈 杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

根據現有公路網中、小橋梁居多的特點，從實現路網可視、可測、可控的角度出發，研發基于傳感器網絡和低成本的公路網橋梁結構實用智能監測及安全預警系統，分析總結了可行性的研究方向，為相關領域的研究提供了理論基礎。

安全診斷技術，結構長期性能監測，區域公路網

0 引言

現如今我國橋梁建設事業迅猛發展，一般公路和全國8 700 km高等級公路上的中、小橋、立交橋大量修建。據交通部統計，2014年年底，全國共有公路橋梁75.71萬座。它們構成了我國國民經濟的命脈之一[1]。

近年來，大部分橋梁逐漸進入到老化期，保障橋梁結構的安全性、完整性和適用性無疑是非常重要的。顯然，以往無損探傷和人工視察的傳統檢測已經不能滿足橋梁工程的要求。隨著傳感器技術、數值模擬、損傷識別技術的快速發展，結構健康損傷診斷技術開始廣泛應用于持續提供橋梁結構狀態和響應的可靠信息；識別橋梁結構中的缺陷、劣化和損傷；評估損傷對橋梁結構承載能力和可靠性的影響；為橋梁結構運營和維修決策提供超載和損傷的警告信息等方面。

1 現有的研究成果綜述

橋梁結構長期安全監控的實現對感應器性能要求是非常苛刻的。因此，區域公路網橋梁結構長期安全監控問題亟待解決，但直到光纖智能傳感技術，無線傳感及射頻識別技術取得突破性進展后，傳感技術才進入到工程應用階段。

1.1 無線傳感網絡與射頻識別技術

近年來，微電子機械系統、無線通信和數字電路技術的進步促進了小尺寸無線傳感器的發展。加州大學伯克利分校利用傳感器和無線通信技術對大型建筑結構進行遠程監測，整個系統包括無線擴頻通信調制解調器、數據通信軟件和傳統的應變傳感器。

此后，Mitchell對集成有微控制器、傳感器和射頻(收/發)模塊的無線傳感器的性能進行了驗證。Bennett等人將無線通訊技術應用到高速公路路面的應變和溫度監測中來預測路面的剩余疲勞壽命。J.P. Lynch和K. H. Law在組無線傳感器中嵌入了簡單的信號處理算法，同時利用有線監測系統來校驗無線傳感組塊的各功能[2]。

近年來在國內學者中，歐進萍教授基于海洋平臺提出了基于無線傳感器網絡的結構健康監測系統，并實現了數據的遠程無線傳輸、管理和存儲[2]；歐進萍和李宏偉等針對高層建筑結構利用無線傳感器網絡技術將研制的新型超高層建筑結構動態測試系統測試了深圳地王大廈的環境噪聲和加速度響應[3]。

1.2 結構狀態安全診斷技術

對于大跨復雜結構監測，如何利用采集的結構信息，確定結構的安全狀況并進行預警，是結構健康監測系統的核心和目標。

1)考慮各種不確定性因素影響的結構有限元模型修正技術是有效診斷現役橋梁工程結構安全狀態的基礎。在橋梁結構的有限元建模及模態試驗過程中存在著參數不確定性。因此，研究考慮不確定性因素影響的結構有限元建模方法是精確建立橋梁結構有限元模型的迫切需要。通過模糊理論可以研究不確定性因素對結構建模的影響規律。同時，基于結構優化的有限元模型修正方法可以進行大量的反復試算。因此，基于模糊有限元模型修正的結構建模方法成為該研究的有效途徑，該方法分為直接修正方法和迭代修正方法。a.直接修正方法。此類方法計算量少，耗時短，不存在求解發散的情況。但是，修正結果并不具有明確的物理意義，修正后的結構矩陣通常不再具有帶狀、稀疏的特點。此類方法主要有最優矩陣法、特征結構分配法等。其中，最優矩陣法就是通過直接修正結構的整體剛度、質量矩陣達到修正的目的，但是修正后的結構矩陣通常不再滿足結構相聯性的要求。特征結構分配法修正結果更加精確，但存在以下缺點：計算量通常較大；實際中結構輸入、輸出矩陣的完備性要求較高；修正后的剛度矩陣不再滿足半正定的要求。b.迭代修正法。迭代修正法修正參數的選擇更加靈活，容易保證修正后模型的物理意義。但搜索全局最優解和過程耗時大的問題亟待解決[4]。此類方法主要包括：基于靈敏度的修正方法；基于概率統計的修正算法；基于頻響函數的修正方法；基于神經網絡的修正方法?，F有的修正方法應用于實際的復雜結構時，仍然面臨著巨大的挑戰。這是由于：在建立復雜結構的有限元模型過程中存在不確定性的誤差；結構材料特性參數本身具有的變異性；測試過程中各種噪聲及人為因素的干擾和不完備的模態參數。因此，傳統的修正方法不能保證結構有限元模型的準確性。

2)基于數據的新型結構損傷識別技術是診斷現役橋梁結構安全狀態的有效途徑。結構整體損傷識別方法是基于振動的“動態”檢測技術基礎上發展起來的。20世紀90年代末，美國洛斯阿拉莫斯實驗室對大型工程的結構損傷識別技術水平的研究結果表明，基于環境激勵輸出的大型結構整體損傷識別方法，是獲取結構整體劣化狀態的重要途徑。2001年在第19屆IMAC會議上討論出利用環境激勵輸出信息識別結構損傷是結構實時監測的重要研究方向的結論。結構整體損傷識別研究經歷了三個發展階段[5]：第一階段是僅用識別的結構模態參數確定結構的損傷狀態；第二階段是對識別的模態參數與損傷特征用概率模型進行描述，更加符合結構損傷的實際狀況；第三階段是基于模型修正的損傷識別方法，將有限元方法加入損傷識別之中，強調了識別方法的定位能力。

3)結構系統可靠度理論是分析現役橋梁結構安全狀態的可靠保障。由于長時間多種不利因素的耦合作用，橋梁中受損傷的關鍵部位的突然破壞會導致重大事故的發生。結構系統可靠度理論是避免橋梁結構發生重大事故的重要理論基礎。結構系統可靠性的分析方法可以分為失效模式法和穩定構形法。當前系統可靠度理論主要研究失效模式法，該方法可以分為兩大類[6]：一類是確定性極限狀態搜索法，主要特征是以構件的受力狀態作為依據，不會涉及構件的復雜計算，但也具有主要失效模式容易被遺漏、受人為因素影響等缺點。另一類是概率搜索法，主要特點是以失效概率的大小作為依據，涉及到可靠度和失效概率的計算。概率搜索法具有不易遺漏主要失效模式、適用范圍廣的優點，缺點是計算量較大且計算復雜。

綜上所述，目前傳感器和結構健康診斷理論的現狀并不能滿足橋梁結構監測的需求。因此，如何利用長期監測積累的大量數據，研發適用于區域公路網橋梁結構監測的新型狀態感知網絡與智能化預警與評價技術，對橋梁結構安全狀態進行準確診斷是當前亟待解決的問題。

2 可行的研究方向

通過研發基于傳感器網絡和低成本的區域公路網橋梁結構狀態感知網絡和系統，從而實現監測、預警和控制技術為區域公路網橋梁結構的正常運行提供先進的科學技術保障，是發展高新技術、改善我國經濟結構的有效途徑。本文圍繞區域公路網橋梁結構監測的新型狀態感知網絡及智能化預警與評估技術的關鍵問題，綜合分析目前的研究成果以及技術狀況，提煉出可能展開的研究方向如下：

1)基于結構長期性能監測的區域公路網橋梁結構安全診斷感知設備研制。根據我國區域公路網橋梁結構的特點，從實現路網可視、可測、可控的角度出發，研究開發基于結構長期性能監測的區域公路網橋梁結構高性能傳感技術，從而為準確診斷區域公路網橋梁結構性能提供可靠的數據來源。

2)基于結構長期性能監測的區域公路網橋梁結構安全診斷感知網絡的高性能優化設計。綜合考慮區域公路網橋梁結構長期性能監測、運營荷載效應監測以及地震反應監測等的需求，研究基于有限傳感器數量診斷區域公路網橋梁結構安全狀態的有效方法，從而為區域公路網橋梁結構安全診斷感知網絡提供設計方法，為準確診斷橋梁結構狀態提供數據保障。

3)基于結構長期性能監測的區域公路網橋梁結構安全診斷的結構荷載效應建模技術。利用結構長期性能監測積累的海量數據，研究運營條件下區域公路網橋梁結構荷載及結構響應的概率分布模型，從而為有效剔除環境因素對區域公路網橋梁結構性能的影響提供基礎，為準確診斷橋梁結構狀態提供技術保障。

4)基于結構長期性能監測的區域公路網橋梁結構安全評價與預警技術。研究基于統計分析理論、非線性動力學、不確定性理論、數據挖掘技術的區域公路網橋梁結構損傷狀態診斷、安全評價、預警技術。利用區域公路網橋梁結構長期監測得到的海量數據，研究區域公路網橋梁結構性能的退化規律，并建立區域公路網橋梁結構預警指標，從而準確診斷實際區域公路網橋梁工程結構的安全狀態。

3 結語

針對現有在役的公路橋梁隨著使用年限增加而逐漸老化，導致無法實時監測到全橋狀態及風險評估數據的現象，文章通過對現有研究成果的總結歸納，提出進一步的研究思路以及可行性分析，具體內容包括：基于結構長期性能監測的區域公路網橋梁結構安全診斷的感知設備研制、感知網絡的高性能優化設計、結構荷載效應建模技術和結構安全評價與預警技術,為相關領域的研究提供了理論基礎。

[1] 趙 琴，朱玉峰，董博昶.我國公路環境研究進展及發展趨勢分析[J].環境與發展，2015,27(6):22-25.

[2] 喻 言，歐進萍.海洋平臺結構振動監測的無線傳感實驗研究[J].哈爾濱工業大學學報，2007,39(2):187-189.

[3] 喻 言，李宏偉，歐進萍.結構監測無線加速度傳感器的設計與制作[J].傳感技術學報，2004,17(3):463-466.

[4] K.Jones,J.Turcotte.Finite Element Model Updating Using Anti-resonant Frequencies[J].Journal of Sound and Vibration,2002,252(4):717-727.

[5] 郭勒濤，張令彌.以沖擊響應為響應特征的有限元模型確認[J].振動與沖擊,2005,24(6):32-36.

[6] 劉 洋,段忠東.自適應耦合局部最優法及其在結構模型修正中的應用[J].振動工程學報,2008，21(1):468-475.

On status perception network and intelligent warning technology of bridge structures

Zhang Ping Zhang Xiaochen Jia Jie

(College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

According to the features of existing road networks with many middle and small bridges, from highway net visible, measurable and controllable, the paper researches the practical intelligent supervision and safety warning system for the road network based on the sensor network and low cost, analyzes the feasibility of the technology, so as to provide some theoretic foundation for related fields.

safety diagnosis technology, structural long-term performance supervision, regional road network

1009-6825(2016)12-0177-02

2016-02-15

張 萍(1995- )，女，在讀本科生； 張笑塵(1995- )，男，在讀本科生； 賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

U441

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