基于視頻聯動的健康監測系統設計與應用

程起光 唐登維 熊文豪

(1.四川雅康高速公路有限責任公司,四川 成都 610047； 2.中鐵西南科學研究院有限公司,四川 成都 611730)

1 工程概況

成都市紅星路南延線跨府河大橋位于新會展以東，毗鄰會展段規劃濱河公園，跨越府河后接中和鎮街道，采用(44+150+55)m的孔跨布置，橋長255.3 m。主梁采用雙縱箱+格子梁結構形式，位于平曲線內，為3跨連續全鋼結構。拱肋由混凝土拱腳段和鋼箱拱肋段組成，南北兩條獨自向外傾斜的拱肋分別位于各自的傾斜平面內，且外傾角度不同，拱肋間沒有任何橫向聯系，兩條拱肋于主梁下交匯，與拱頂遙相分隔，通過傾斜的吊索支承主梁。拱和梁上各布置40處吊點構造，吊索在平面上以路線圓曲線為基準徑向布置，每處吊點均設置兩根，系桿設置于梁底部，共設置12根系桿索，分別錨固于南拱和北拱的混凝土拱肋段。該橋為連續鋼梁與系桿拱橋的組合體系，既有連續梁的受力特點也有拱橋特征，且吊桿角度不一，主梁存在不平衡橫向水平分力，為使結構空間體系穩定，系桿采用曲線布置，主跨以橫梁體系受力為主，邊跨以縱梁體系受力為主，結構類型特殊、受力較為復雜(見圖1)。

2 系統構成

本系統由傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據處理與控制子系統、結構健康評估子系統、日常人工巡檢子系統、視頻聯動子系統構成，以實現監測、診斷和狀態評估等功能。該大橋結構健康監測與安全評價系統的組成如圖2所示，包括下列五個子系統。

傳感器子系統包括溫度、應變、位移、振動等各類傳感器，為橋梁健康監測系統提供信號輸入；數據采集與傳輸子系統包括由各類采集設備組成的現場基站與相關配套軟硬件設施，通過將監測數據進行信號轉化將信息傳送至數據處理與控制子系統；數據處理與控制子系統用于控制數據采集系統以及數據的二次處理、向結構健康評估子系統提供有效的信息源；結構健康評估子系統由評估工作站、服務器和相應的軟件系統組成，用于對橋梁結構的使用狀態及安全性等作出及時判斷以及數據的歸檔存儲，目的是使橋梁處于受控狀態，保障橋梁安全；人工日常巡檢子系統主要是系統巡查管理人員對監測分析的異常情況以及橋梁的結構情況進行人為驗證。

3 健康監控系統設計

3.1 監測對象以及測點布置

橋梁健康監控系統沒有必要設計的“五花八門”，應本著簡潔、實用、性能可靠、經濟合理的設計理念并結合具體的自然環境、結構特點以及運營期對橋梁結構安全評估的綜合要求，通過建立有限元模型對橋梁進行分析，選擇出結構的易損點、關鍵部位和日常檢查比較困難的部位作為監測對象布置測點重點監測。由于該橋梁為蝴蝶拱橋，受力情況較為復雜，故根據該橋梁特點，主要監測其結構溫度，主梁、主拱、拱腳變位，主拱、主梁截面應力，橋梁結構動力性能，吊桿索力，系桿索索力這些方面。具體測點及傳感器布置情況如表1所示。

3.2 數據采集與傳輸子系統

數據采集與傳輸系統主要是由數據采集與數據傳輸兩個單元模塊組成，數據采集模塊主要通過給傳感器設定固有頻率與高速不間斷頻率對結構的動、靜態數據實施采集，在兼顧數據高精確性、高同步性、靈活性以及傳感器維護性的同時，也為橋梁結構狀態安全評估提供穩定可靠的數據。數據傳輸模塊是由光纖或電纜網絡將各傳感器采集到的數據連接到數據采集單元，再由數據采集單元整合后傳輸到數據處理與控制服務器。

3.3 數據處理與控制子系統

數據處理與控制系統主要分為數據處理、數據管理及數據存儲三個單元模塊，數據處理模塊是將采集到的數據進行取最值、計算均值、方差、標準差的預處理，以及對數據的時域、頻域、時頻域進行分析顯示；數據管理模塊旨在構造多層次相互關聯的關系型數據庫，直接以數據庫方式存儲各類型數據，在降低數據的存儲資源耗用的同時，又提高了數據存儲與管理效率；為進一步提高數據的管理效率，將數據存儲模塊設定為分布/集中式存儲結構，監測數據優先存儲在一級存儲設備即磁盤陣列上，當陣列空間不足時將歷史監測數據轉存到二級存儲設備即磁帶上。整個一級存儲設備上按就近時間保存一年的原始數據。對于視頻數據采用循環存儲方式，對其他傳感器異常超限階段數據劃定一定時限額外保存。

表1 橋梁傳感器布置情況表

3.4 結構健康評估子系統

結構健康評估子系統分為健康預警、結構健康評價兩個模塊單元。

1)健康預警模塊：健康預警模塊對大橋進行實時在線監測，根據定期檢查等歷史資料，利用統計法、時間序列法等手段對監測數據進行實時前處理和分析，若發現健康預警指標出現明顯的異常變化，則立即發出預警信號并調出相應位置處的視頻監控畫面進行觀察，必要時刻立即中斷交通，為緊急災害處理提供有力的依據。

2)結構健康評估模塊：健康評價模塊綜合考慮了定期檢查、特殊檢查和長期監測的優勢，可以對橋梁結構當前的技術狀況進行評價，也可以對結構承載力進行一定程度的預測和評價，通過對獲得的監控數據以及歷史檢測資料的分析計算，生成評估報告，管養單位可以評估報告為日常養護工作依據，指導養護工作。

3.5 人工日常巡檢管理子系統

以健康監測為主、人工日常巡檢為輔的健康監測管理方法已成為智能化管理趨勢。通過大數據手段分析監測數據評估橋梁運營狀態的同時輔以人工巡查校驗，更進一步的完善了橋梁的智能化管理技術，通過對橋梁結構的主要構件進行人為檢查(日常檢查、主要檢查、重點檢查、全面檢查)，并制定相應的巡檢養護手冊，設定詳細的電子化人工巡檢內容，對橋梁的重要構件承載情況進行人為檢測，可達到更加智能化、精確化、數字化的管理。

3.6 視頻聯動子系統

在分析監測數據并評估橋梁運行狀態的同時更直觀的了解監測橋梁實際承載情況，建立視頻聯動監測模塊，通過監控攝像獲取的橋面荷載信息，可為進一步分析提供直觀的信息，也可以監測橋上超載車輛的情況，并做下記錄，以便為橋梁健康評估提供實證。

視頻聯動子系統功能由控制平臺以及視頻服務器兩個模塊體現：

控制平臺的主要功能是通過設備接入后臺，對前端視頻服務器的設備IP、中心IP、網關IP、設備編號、邏輯名等進行初始化注冊。隨后對控制平臺下的中心存儲服務器、數字顯示終端、中心控制臺等進行初始化設定。時間同步功能是將各系統設備和中心管理服務器時間自動同步，實現用戶遠程網絡管理功能，消除時域的限制；由于部分信息屬于管理部門的機密信息，因此需設多重網絡身份識別單元，授予操作人員管理權限，驗證用戶合法性，防止非法使用和操作給社會治安帶來負面影響。此外，若出現系統故障或突發情況，平臺會自動進行備份重啟，避免數據積壓、堆積造成不必要的數據浪費。

另外，平臺具備心跳信息檢測功能，通過現場設備所具備的自診斷功能將設備運行狀態信息傳輸至平臺管理人員處，以供相關人員對系統運行情況進行判斷；同時用戶可以增加、刪除、修改用戶信息，便于將來查詢修改，提高規范化管理水平(見圖3)。

4 結語

根據本橋具體結構和環境特點，有針對性地構建了由傳感測試、網絡傳輸、結構分析等多種技術集成的橋梁健康監測系統，系統具有直觀的人機交互界面，通過趨勢圖反映橋梁的實際運行情況；通過分析實時監測數據，評估橋梁實際承載狀態，為日常的橋梁運營維護管理提供了有利的科學依據。

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