高鐵站臺鋼結構雨棚健康監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、環境變化以及大風、雨雪等特殊氣候條件，其鋼結構難免發生各種變形、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測技術研究具有重要意義。

大型鋼結構建筑健康監測技術不斷發展，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測的工作，如北京西站、北京站無站臺柱雨棚安全監測工作，沈陽北站無站臺柱雨棚安全性評價、上海虹橋站超長梁監測工作，南京南站結構應力、動力響應和變形測試3部分監測工作，深圳福田站地下結構施工的變形監測工作，取得了一定的成果[1-3]。目前國內外大型建筑應力監測和形變監測研究普遍采取定時監測、特定監測和人工監測，主要解決定期巡檢和突發事件（大風、大雨、沉降等）后的監測，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、穩定，可用性不高。

現階段健康監測系統應用特點主要為[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）應用規模與工程投資相匹配，監測項目與結構形式相匹配；（3）系統呈現連續監測、運行便捷、功能全面和高新技術應用等發展趨勢。同時，健康監測系統研究也面臨一些重要挑戰：（1）系統設計缺乏統一的標準和規范；（2）傳感器選型及優化布設的合理性有待商榷；（3）系統本身軟硬件的耐久性、長期穩定性難以保證；（4）環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）結構健康狀態評價理論尚不完善；（9）相關子系統的有機結合和協調統一有待加強。

本文基于鋼結構健康監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測系統架構、主要功能，梳理系統技術性能、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測系統

高鐵站臺鋼結構雨棚變形在線監測系統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、環境荷載等各種響應進行監測，對監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，對結構的健康狀態進行評價，并確定科學的維修、養護策略[5]。

針對目前鋼結構雨棚健康監測中存在諸多不足的問題，基于業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、突發情況預警與報警等一體的鋼結構雨棚變形監測系統。該系統滿足以下功能要求：

（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，整體結構變形狀態接近穩定，但處在季節溫度變化明顯，晝夜溫差較大的地理區域，溫度載荷較大，需對其進行溫度形變進行監測。

（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現場級無線傳輸，確保健康狀態參數能夠穩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傳輸到監控服務器。

（4）鋼結構雨棚健康監測數據處理：處理、存儲和圖形化展示雨棚健康狀態數據，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，對雨棚健康狀態進行預警，防止突發災害發生。

1.1 系統架構

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

圖1 系統網絡結構圖

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測數據實現結構受力分析、拱架應力監測分析、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預測、維護和維修，實現大型雨棚健康狀態可視化、可量化、可控化。

1.2 硬件架構

監測系統的硬件控制包括以下部分：監控室計算機，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節；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測，同時擴大監測范圍，避免某一應力點或某一特定區域的單一監測。

圖2 系統硬件架構圖

1.3 軟件架構

通過對監測系統實際用戶現場應用的詳細分析和試驗驗證，系統軟件架構設計為5級，如圖3所示。數據分析、數據處理是監測系統的核心部分，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 系統軟件架構圖

1.4 鋼結構健康監測模型

鋼結構健康監測系統研究涉及測試、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監測管理類系統，功能應涵蓋了傳感器數據采集、多種方式數據遠程傳輸、系統監控報警、報表、曲線數據呈現、云場圖呈現等多項功能。并可根據監測數據顯示與采集系統及在線有限元計算分析系統獲取的信息進行結構模態識別，獲取結構頻率、振型、阻尼等。分析與識別對比評估系統目前提供了在線分析計算與識別結果的各種對比顯示圖，進行非尋常監測結果的預警和報警。

在結構模態在線識別中，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，考慮到在系統實際應用中的雨棚結構簡潔，監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傳遞的風荷載、雨荷載和雪荷載作用到有限元模型的節點上[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。

式（2）說明實測值與預測計算值接近，表示結構健康狀態正常。

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, 而且已經超出了規范允許的正常使用安全限值。此時的結構健康狀態可能存在嚴重的安全隱患，應立即發出報警信息，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測系統主要目的是解決鋼結構雨棚變形實時監測實施不便、無法長期有效監測的實際問題。通過比較各種變形監控方案的優劣，最終采用無線傳感器網絡技術開發。該系統造價低，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。系統關鍵技術如下：

（1）無線傳感網[11]技術：開發的無線傳感器節點由數據采集、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，即傳統傳感器基礎上，增加了協同、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監測。

3 案例分析

該監測系統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。系統正式投入運行后，鋼結構健康監控室值班人員通過監控智能終端和監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 現場監測實施圖

圖6 實時顯示傳感器數據和曲線圖

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

表1 可節約的各項費用單位：萬元

該監測系統投入運行以來，通過將多余的監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，提高了監控系統發生問題后處理的及時性和可靠性。

3.2 實施效果

該監測系統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、在線和長期應力監測、變形監測特征分析，使鋼結構雨棚變形監測成本低、效率高。有效保障站臺類雨棚結構的安全穩定運行，保障旅客出行、行車組織安全等運輸系統的正常運行；能夠及時發現結構異常、損傷或退化，確保結構運營安全；向有關專家提供監測數據，供業主在暴雪、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測與診斷技術，實現站內分層分布式狀態監測、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進行智能維護。

綜上所述，通過本監測系統的應用，提高了鐵路斜拉梁鋼結構雨棚健康監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展、成本的持續降低，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測系統。通過現場工業無線傳感器網絡對雨棚健康參數以及環境參數進行多方位、多參數采集，實現鋼結構雨棚健康狀態的長期、實時在線監測，滿足鋼結構應力集中點采集、雨棚無線溫度采集、健康監測數據傳輸及處理、鋼結構雨棚健康預警等功能。本監測系統在陽泉北站的實際應用表明，系統實施和部署快速簡潔，長期運營穩定、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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