高鐵站臺鋼結構雨棚健康監(jiān)測技術的研究與應用

劉 輝，宮 濤

（1.中國鐵路北京局集團有限公司 信息化處，北京 100860；2.中國鐵路北京局集團有限公司 土地房產管理處, 北京 100860）

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路基礎建設的安全性面臨嚴峻考驗。站臺雨棚作為鐵路基建的重要組成部分，在高速鐵路上的應用逐漸增多。高鐵雨棚在長期運行、使用過程中，經歷時間變化、環(huán)境變化以及大風、雨雪等特殊氣候條件，其鋼結構難免發(fā)生各種變形、損傷，存在危及旅客和行車安全的隱患。因此對高鐵雨棚鋼結構進行實時、在線、長期監(jiān)測已成為其安全評定、運行安全性和可靠性的重要保證措施。開展高速鐵路雨棚鋼結構健康監(jiān)測技術研究具有重要意義。

大型鋼結構建筑健康監(jiān)測技術不斷發(fā)展，我國在鐵路客站工程建設中也逐漸開展了一些結構健康監(jiān)測的工作，如北京西站、北京站無站臺柱雨棚安全監(jiān)測工作，沈陽北站無站臺柱雨棚安全性評價、上海虹橋站超長梁監(jiān)測工作，南京南站結構應力、動力響應和變形測試3部分監(jiān)測工作，深圳福田站地下結構施工的變形監(jiān)測工作，取得了一定的成果[1-3]。目前國內外大型建筑應力監(jiān)測和形變監(jiān)測研究普遍采取定時監(jiān)測、特定監(jiān)測和人工監(jiān)測，主要解決定期巡檢和突發(fā)事件（大風、大雨、沉降等）后的監(jiān)測，不能實時、有效和長期健康分析，存在實施復雜、人力物力耗費巨大等問題。建筑物（雨棚）等資產的全生命周期健康管理已經有相關研究，但還不夠成熟、穩(wěn)定，可用性不高。

現階段健康監(jiān)測系統(tǒng)應用特點主要為[4]：（1）在全世界重大工程應用最多的是橋梁結構，并逐漸推廣到其他形式的結構；（2）應用規(guī)模與工程投資相匹配，監(jiān)測項目與結構形式相匹配；（3）系統(tǒng)呈現連續(xù)監(jiān)測、運行便捷、功能全面和高新技術應用等發(fā)展趨勢。同時，健康監(jiān)測系統(tǒng)研究也面臨一些重要挑戰(zhàn)：（1）系統(tǒng)設計缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范；（2）傳感器選型及優(yōu)化布設的合理性有待商榷；（3）系統(tǒng)本身軟硬件的耐久性、長期穩(wěn)定性難以保證；（4）環(huán)境影響和測量噪聲難以消除；（5）測量數據的不完備性造成數據分析困難；（6）海量監(jiān)測數據的處理困難，容易淹沒真實有用的信息；（7）結構損傷識別方法還處在理論研究和實驗室應用階段；（8）結構健康狀態(tài)評價理論尚不完善；（9）相關子系統(tǒng)的有機結合和協(xié)調統(tǒng)一有待加強。

本文基于鋼結構健康監(jiān)測和健康評估技術理論，以及在陽泉北站的實際應用情況，介紹高速鐵路鋼結構雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)架構、主要功能，梳理系統(tǒng)技術性能、關鍵技術、存在問題、改進建議、工程效益分析等。

1 高鐵站臺鋼結構雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)

高鐵站臺鋼結構雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)采用先進的測試傳感設備對結構在外界各種激勵包括交通荷載、環(huán)境荷載等各種響應進行監(jiān)測，對監(jiān)測到的各種信息進行處理，結合結構模型等經驗知識對結構進行診斷，分析結構的損傷狀況，對結構的健康狀態(tài)進行評價，并確定科學的維修、養(yǎng)護策略[5]。

針對目前鋼結構雨棚健康監(jiān)測中存在諸多不足的問題，基于業(yè)務部門對陽泉北站鋼結構雨棚的管理需要，應用鋼結構健康監(jiān)測和健康評估理論，結合現有無線物聯網技術，研制出集現場傳感器數據采集、突發(fā)情況預警與報警等一體的鋼結構雨棚變形監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足以下功能要求：

（1）鋼結構應力集中點采集：通過對鋼結構雨棚進行應力分析，得出高鐵雨棚的應力集中點，并進行無線應力傳感器部署，采集關鍵的應力傳感器變量。

（2）鋼結構雨棚無線溫度采集：考慮到陽泉北站已經整體運行超過5年，整體結構變形狀態(tài)接近穩(wěn)定，但處在季節(jié)溫度變化明顯，晝夜溫差較大的地理區(qū)域，溫度載荷較大，需對其進行溫度形變進行監(jiān)測。

（3）鋼結構雨棚健康數據傳輸：對來自無線應力傳感器數據和溫度數據進行工業(yè)現場級無線傳輸，確保健康狀態(tài)參數能夠穩(wěn)定地傳輸到無線管理基站，并在初步處理后，通過有線網絡或WLAN傳輸到監(jiān)控服務器。

（4）鋼結構雨棚健康監(jiān)測數據處理：處理、存儲和圖形化展示雨棚健康狀態(tài)數據，包括單點的應力應變曲線展示和應力云場圖展示等。

（5）鋼結構雨棚健康預警：通過數據處理和分析，對雨棚健康狀態(tài)進行預警，防止突發(fā)災害發(fā)生。

1.1 系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)共分為4部分：傳感器子系統(tǒng)，數據采集、處理與傳輸子系統(tǒng)，數據管理子系統(tǒng)，安全評估與預警預報子系統(tǒng)。系統(tǒng)網絡結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網絡結構圖

基于雨棚鋼結構的結構內力、應變、位移變化等關鍵部位的監(jiān)測數據實現結構受力分析、拱架應力監(jiān)測分析、拱架變形觀測分析等應用，保障整個大型雨棚鋼結構質量。同時通過對鋼結構的長期、實時監(jiān)測、分析，設計雨棚鋼結構應力變化模型和形變變化模型，支撐大型雨棚鋼結構的健康狀態(tài)預測、維護和維修，實現大型雨棚健康狀態(tài)可視化、可量化、可控化。

1.2 硬件架構

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件控制包括以下部分：監(jiān)控室計算機，現場路由器，無線傳感器管理基站（網關），無線應變變送器、傳感器、無線溫濕度傳感器[6]。系統(tǒng)硬件架構圖如圖2所示。應力傳感器應考慮整體鋼結構拱架的受力特性，在布置應力測點時, 綜合考慮理論分析較大的受力部位以及施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)；位移傳感器采用超聲波測距矩陣方式，實現對整個結構體多維立體實時監(jiān)測，同時擴大監(jiān)測范圍，避免某一應力點或某一特定區(qū)域的單一監(jiān)測。

圖2 系統(tǒng)硬件架構圖

1.3 軟件架構

通過對監(jiān)測系統(tǒng)實際用戶現場應用的詳細分析和試驗驗證，系統(tǒng)軟件架構設計為5級，如圖3所示。數據分析、數據處理是監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，為用戶提供輔助決策參考。數據處理模塊主要實現變形量計算、變形速率計算、變形預報和三維變形模擬計算。變形預測模塊通過MatlabEngine技術，完成BP神經網絡和灰色模型預測的Matlab實現功能；三維變形模擬計算基于ArcObjects中的SceneControl控件，實現BP神經網絡和灰色模型的應用。

圖3 系統(tǒng)軟件架構圖

1.4 鋼結構健康監(jiān)測模型

鋼結構健康監(jiān)測系統(tǒng)研究涉及測試、分析及決策等多個學科，其理論核心為基于振動的損傷識別技術[7-8]。作為鋼結構健康狀態(tài)監(jiān)測管理類系統(tǒng)，功能應涵蓋了傳感器數據采集、多種方式數據遠程傳輸、系統(tǒng)監(jiān)控報警、報表、曲線數據呈現、云場圖呈現等多項功能。并可根據監(jiān)測數據顯示與采集系統(tǒng)及在線有限元計算分析系統(tǒng)獲取的信息進行結構模態(tài)識別，獲取結構頻率、振型、阻尼等。分析與識別對比評估系統(tǒng)目前提供了在線分析計算與識別結果的各種對比顯示圖，進行非尋常監(jiān)測結果的預警和報警。

在結構模態(tài)在線識別中，應力計算方法主要包括“平行于梁軸”、“45°于梁軸（測量剪應變）”、“45°應變花（測量軸力、彎矩和剪應變）”等3種，考慮到在系統(tǒng)實際應用中的雨棚結構簡潔，監(jiān)測傳感器只采用了平行于梁軸的振弦式應變傳感器[9]，故采用第1種應力計算方法。

計算程序采用ANSYS分析軟件，將力學簡化后的雨棚頂面?zhèn)鬟f的風荷載、雨荷載和雪荷載作用到有限元模型的節(jié)點上[10]，并建立空間三維模型分析受力，如圖4所示。

圖4 雨棚結構有限元分析圖

采用雨棚結構健康狀態(tài)評估的預測函數（式（1））進行評估，評估標準如式（2）～ 式（4）。

其中：

K為結構剛度；

T為環(huán)境溫度因素；P為外部荷載。

其中：

ε1i為診斷標準；

ε2i為安全限值；

Yi為響應量的實測值；

Y/i為響應量的計算值；

i為第i階模態(tài)。

式（2）說明實測值與預測計算值接近，表示結構健康狀態(tài)正常。

式（3）說明實測結構響應值偏離預測計算值，但仍處于安全范圍內。

式（3）說明實測結構響應值不僅偏離了預測計算值, 而且已經超出了規(guī)范允許的正常使用安全限值。此時的結構健康狀態(tài)可能存在嚴重的安全隱患，應立即發(fā)出報警信息，查明故障原因、排除險情。

2 關鍵技術

高鐵站臺鋼結構雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是解決鋼結構雨棚變形實時監(jiān)測實施不便、無法長期有效監(jiān)測的實際問題。通過比較各種變形監(jiān)控方案的優(yōu)劣，最終采用無線傳感器網絡技術開發(fā)。該系統(tǒng)造價低，后期維修費用低，易擴展，易操作和便利性，其高實用性使其不受地理空間位置限制。系統(tǒng)關鍵技術如下：

（1）無線傳感網[11]技術：開發(fā)的無線傳感器節(jié)點由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源構成，具有感知能力、計算能力和通信能力，即傳統(tǒng)傳感器基礎上，增加了協(xié)同、計算、通信功能。

（2）獨特的低功耗電源設計及深度休眠喚醒技術：大幅度增加采集傳感器節(jié)點的工作壽命。

（3）分布式遠程Web服務平臺技術：使遠程無線監(jiān)控數據實時、可靠傳輸，達到物-物、物-人實時互聯，實現高鐵雨棚鋼結構全生命周期狀態(tài)監(jiān)測。

3 案例分析

該監(jiān)測系統(tǒng)在陽泉北站應用實施，于2015年10月正式投入使用，現場效果圖如圖5所示。系統(tǒng)正式投入運行后，鋼結構健康監(jiān)控室值班人員通過監(jiān)控智能終端和監(jiān)視器大屏對本站內鋼結構雨棚運行、應力變化、結構變形情況進行集中監(jiān)測，如圖6所示，實現了對陽泉北站2號站臺斜拉梁鋼結構雨棚的集中應力、應變以及實時天氣（風速、風向、雨量、溫度、濕度）的遠程實時監(jiān)視、健康預警、參數存儲和歷史數據回放等功能。經過7個多月的運行，經濟效益顯著，實施效果良好。

3.1 效益分析

圖5 現場監(jiān)測實施圖

圖6 實時顯示傳感器數據和曲線圖

通過本監(jiān)測系統(tǒng)投入運行，減少了站內監(jiān)控室數量和雨棚監(jiān)控值班人員。進一步節(jié)省了費用支出，取得了很好的經濟效益，預計每年可節(jié)約各項費用支出131.5萬元，如表1所示。

表1 可節(jié)約的各項費用單位：萬元

該監(jiān)測系統(tǒng)投入運行以來，通過將多余的監(jiān)控室用來安排維修工日常值班，就近及時處理雨棚出現的各種問題，提高了雨棚發(fā)生問題后處理故障的及時性；通過自行進行設備維保，提高了監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生問題后處理的及時性和可靠性。

3.2 實施效果

該監(jiān)測系統(tǒng)在陽泉北站取得了良好的實施效果，達到預期目標。對高速鐵路雨棚鋼結構進行實時、在線和長期應力監(jiān)測、變形監(jiān)測特征分析，使鋼結構雨棚變形監(jiān)測成本低、效率高。有效保障站臺類雨棚結構的安全穩(wěn)定運行，保障旅客出行、行車組織安全等運輸系統(tǒng)的正常運行；能夠及時發(fā)現結構異常、損傷或退化，確保結構運營安全；向有關專家提供監(jiān)測數據，供業(yè)主在暴雪、地震及其它災害性事件后，及時提供實時信息，以實現全面有效的安全評估；通過高速鐵路雨棚智能監(jiān)測與診斷技術，實現站內分層分布式狀態(tài)監(jiān)測、采集和一體化數據集成、存儲、分析應用，使高鐵雨棚可基于狀態(tài)進行智能維護。

綜上所述，通過本監(jiān)測系統(tǒng)的應用，提高了鐵路斜拉梁鋼結構雨棚健康監(jiān)測的管理效率和服務水平，保證了鐵路斜拉梁鋼結構使用安全。同時，前期研究還存在無線傳感器數量受限和電池供電不足，造成數據采集不夠豐富、更換電池成本增加的問題，隨著無線傳感器網絡技術的日益完善和發(fā)展、成本的持續(xù)降低，將逐步減小上述兩個問題帶來的影響。

4 結束語

本文研究設計了高速鐵路鋼結構雨棚變形在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過現場工業(yè)無線傳感器網絡對雨棚健康參數以及環(huán)境參數進行多方位、多參數采集，實現鋼結構雨棚健康狀態(tài)的長期、實時在線監(jiān)測，滿足鋼結構應力集中點采集、雨棚無線溫度采集、健康監(jiān)測數據傳輸及處理、鋼結構雨棚健康預警等功能。本監(jiān)測系統(tǒng)在陽泉北站的實際應用表明，系統(tǒng)實施和部署快速簡潔，長期運營穩(wěn)定、可靠，且整體成本較低，降低了雨棚運維的勞動強度和運營成本，提高了雨棚正常使用的安全性，具有良好的實施效果和經濟效益，具有一定的推廣價值。

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