橋梁健康監測系統數據準確性分析

史曉貞，羅艷利，查正軍

（1.武漢華中科大土木工程檢測中心，湖北武漢 430074；2.上海巨一科技發展有限公司，上海 200031）

橋梁工程

橋梁健康監測系統數據準確性分析

史曉貞1，羅艷利2，查正軍2

（1.武漢華中科大土木工程檢測中心，湖北武漢 430074；2.上海巨一科技發展有限公司，上海 200031）

根據相關工程經驗，總結了判斷傳感器采集數據準確性的各種方法，并給出了相關的解決方案，該方法和解決方案在上海長江隧橋、東海大橋、膠州灣大橋、閔浦大橋、閔浦二橋等橋梁結構健康監測系統中有良好的應用效果，能及時發現故障傳感器，并快速修復，確保橋梁結構預警和評估的準確性，合理的判斷大橋的結構狀態。

橋梁；健康監測；數據；分析

1 橋梁健康監測系統數據分析現狀

目前現有的橋梁健康監測系統數據分析研究的重點偏重于監測數據的后續處理和利用，如利用各種方法進行結構狀態評估和預警、損傷識別等，而很少關心傳感器本身的采集到數據是否準確、是否反映真實情況。如果傳感器本身采集到的數據準確性有問題，不能反映橋梁實際承受的各類荷載狀況和結構響應情況，勢必影響到后續的評估和預警結果的準確性，繼而影響到對大橋狀態的整體結論，使得橋梁結構健康監測任務不能順利完成。本文根據相關工程經驗，總結了判斷傳感器數據準確性的各種方法。

2 橋梁健康監測系統數據準確性分析方法

2.1 和傳感器自身的量程比較

這是最初級的數據準確性分析方法，主要是與每類傳感器自身的量程進行比較，如果超過量程，可認為該傳感器發生問題。如以位移計為例，某座大橋梁端位移計的測量范圍為-500 mm到500 mm，如果該位移計的輸出數據一直在600 mm左右變化，基本可以判斷該位移計已壞。

2.2 根據常識判斷

對于荷載類的傳感器，如溫度計、風速儀可以用該方法進行判斷，如在夏天出現零下幾度的溫度，雖然在量程范圍內，但由于不符合常識，可認為該傳感器準確性有問題。

2.3 不同位置同種類型傳感器的對比判斷

該判斷方法適用于斜拉橋、懸索橋等有對稱結構的橋梁，根據相關理論大橋對稱位置的結構響應比較相似，可以利用該特性判斷測量結構響應類傳感器的準確性，如應變計、加速度計、GPS等。

以上海某橋為例，如圖1所示在主梁1／4和3／4截面共布置了4個豎向加速度計，按照理論這兩個截面關于跨中對稱，其結構響應應該一致，可經分析發現，SAV1204、SAV1208、SAV1108的加速度響應趨勢一致，而SAV1104的加速度響應幅值明顯比其他三個明顯偏小，這必然影響到利用加速度數據進行大橋模態識別的準確性，發現該問題后經過詳細排查是該加速度的放大系數設置有誤所致。

圖1 加速度計布置圖

2.4 不同類型傳感器之間的相關性分析

該方法適用于測量數據之間有比較強相關性的傳感器類型，如溫度計和梁端位移計、風速儀與GPS等，下面以溫度與梁端位移為例說明該類傳感器數據準確性分析方法。

研究表明大橋的梁端位移與溫度有很高的相關性，以上海某橋為例，其主航道橋全長1 430 m，縱向約束是對稱布置縱向活動支座，根據規范可給出該橋主航道橋梁端位移隨溫度變化的理論公式

ΔL=α*ΔTL，即斜率k=ΔL／ΔT=α*L= 0.000 012*1 430e3／2=8.58 mm／℃

正常情況下，位移變化量和溫度變化量的實測斜率和理論斜率相差不大。如果通過分析發現這兩者相差過大，有可能是位移計本身的原因（沒有標定、位移計已壞等），也有可能是結構損傷或其他荷載變化導致。我們可以用該方法來判斷位移計數據的準確性。圖2為該橋梁端位移與溫度相關性圖，可以看出，梁端四個位移計有三個工作正常，長興島側上游位移計的實測斜率與理論斜率相差甚遠，經現場檢查，發現該位移計的鋼絲彈簧已斷。

圖2 位移和溫度相關性圖

2.5 和其它監測手段互相對比校核

該方法適用于有其他監測方法可以互相校驗的傳感器類型，如在裝有動態稱重系統的橋梁上，可以根據視頻監控的交通量數據來驗證動態稱重數據的準確性。

3 解決方案

3.1 數據去噪

如果某個傳感器偶爾有超過量程或不符合常識的點，可以通過一定的方法，進行去噪處理，剔除異常值和噪點，實現監測數據的準確可靠。一般采用采用拉依達法即“3S準則”剔除粗差，采用小波變換去除噪點。

3.2 調整傳感器參數

如果在正常情況下橋梁對稱位置的加速度計測出的橋梁振動響應有很大不同，可能是由于加速度計安裝時放大系數設置錯誤導致。發現該類問題后可以通過調整加速度放大系數來解決。

更換光纖類傳感器時容易出現監測數據在更換時間前后變化范圍不一致的情況，根據橋梁的正常結構響應，在短時間內不可能有這樣的突變。經過分析，出現上述情況的原因是新更換的傳感器與之前傳感器的初始參數不一致，可以通過重新配置傳感器的初始參數（斜率、初值）來解決該問題。

3.3 更換傳感器

對于確認已壞的傳感器，要及時予以更換，避免已壞傳感器測點處采集數據的長時間缺失。更換傳感器的時候應注意保持數據變化的連續性，避免更換傳感器后有數據突變發生。這一點通常通過調整傳感器的參數實現。

4 結論與展望

上述傳感器數據準確性分析方法和相關的解決方案在上海長江隧橋、東海大橋、閔浦大橋、閔浦二橋、膠州灣大橋等健康監測系統中有良好的效果，能及時發現故障傳感器，并快速修復，確保橋梁結構預警和評估的準確性，合理的判斷大橋的結構狀態。但這些方法的不足之處是需要人工定期判斷，在今后橋梁健康監測系統的發展過程中應該實現計算機根據一定的準則自動判斷監測數據是否準確。

［1］ 劉學，羅艷利，左峰.結構健康監測系統在運營養護管理中的應用［J］.中國交通信息化，2010，（z1）：87-91.

［2］ 唐浩，譚川，陳果.橋梁健康監測數據分析研究綜述［J］.公路交通技術，2014，（5）：99-104.

［3］ 史曉貞，王曉乾，吳軍.青島海灣大橋耐久性評估指標及方法［J］.公路交通科技，2010，27（9）：71-74.

［4］ 羅艷利.基于《公路橋梁技術狀況評定標準》的長大橋梁在線評估體系［J］.城市道橋與防洪，2015，（10）：43-46.

Data accuracy analysis of bridge health monitoring system

SHIXiao-zhen1，LUO Yan-li2，CHA Zheng-jun2
（1.Wuhan central China branch of Civil Engineering Testing Center，Wuhan Hubei，430074；2.Giant Shanghai science and Technology Development Co.Ltd.，Shanghai200031，China）

This paper according to the relevantengineering experience，summed up the judge sensor data acquisition accuracy of variousmethods，and gives the related solutions.Themethod and solving scheme has good application effect in bridge structure healthmonitoring system of ShanghaiYangtze River Tunneland bridge，Donghai Bridge，Jiaozhou Bay Bridge，Min Pu Bridge，Min Pu Bridge，etc.，can detect sensor fault，and repair to ensure the accuracy of bridge structure assessment and early warning，reasonable judgment of the bridge structure.

bridge；healthmonitoring；data analysis

U442.1

C

1008-3383（2017）01-0067-02

2016-04-11

史曉貞（1984-），女，河南禹州人，工程師，研究方向：橋梁檢測與監測。