小型結構監測系統的構架與實現

麻竹倩（上海市建筑科學研究院，上海 200032)

現有橋梁體系中，中小型橋梁占所有橋梁的 90% 以上，因此中小型橋梁是城市運營安全監控的重點，但將大而全的橋梁健康監測系統簡單地移植應用于中小型橋梁并不現實。

針對上述背景，基于一般中小型橋梁的結構特點和病害發展規律，定制一套針對中小型橋梁的監測管理系統，對中小型橋梁的重點參數進行實時監測；基于 BIM 技術，實現橋梁結構 BIM 模型構架的信息標準和框架設計，實現系統的小型化、經濟化和智能化。

1 傳統健康監測系統與小型監測系統

1.1 傳統橋梁健康監測系統的特點

傳統橋梁健康監測強調測量數據的完整性、數據采集的實時性和連續性、數據傳輸及通訊的高效性和可靠性以及數據分析處理能力的有效性，通過對橋梁的系統分析和安全評估，為橋梁的維護、維修和決策提供可靠的依據，同時也為橋梁設計理論和設計方法的改進提供最直接的信息。表 1 列出了部分橋梁健康監測系統成功應用的工程案例。

表1 部分橋梁健康監測系統建設投資匯總 萬元

上面數據表明目前的橋梁健康監測系統多針對特大型橋梁或特殊結構橋梁，技術要求高，設計復雜，建造費用大。

1.2 小型監測系統研發的必要性及可行性

與特大型橋梁不同，城市中小型橋梁結構相對簡單，構件形式單一，多采用標準構件。目前上海市建筑科學研究院分別在橋梁和隧道領域主導設計和實施了幾個健康監測系統，基本具備了健康監測技術的成套實施能力。但在技術的進一步推廣和應用于中小型橋梁的過程中，遇到了幾個問題：小型監測系統中單點成本過高；線纜鋪設工作量大、效率低、成本高；缺少系統配套，如電力供給、網絡。簡單地移植大而全的橋梁健康監測系統并不現實。

隨著半導體、硬件網絡和無線通信等技術的飛速發展，傳感器在微小體積內能夠集信息采集、數據處理和無線通信等功能于一體。無線傳感網絡技術的應用可以大大簡化系統構架，規避傳統傳感器所需要的大量線纜鋪設工作。無線傳感器網絡具有自適應和自動組網功能，具有良好的可擴展性，以實現監測系統的完整性和有效性。同時，無線采集模塊具有低功耗特性和良好的電源管理機制，可以通過局部電池供電實現較長時間的在線監測工作，從而擺脫整個監測系統對于傳統電力供給的過度依賴。

2 小型監測系統的構架與實現

2.1 系統設計

利用無線傳感器技術，實現系統的無線自動組網和數據傳輸，降低整個系統的整體能耗，實現系統的小型化、經濟化和智能化。同時嘗試使用太陽能電池供電技術，擺脫監測系統對傳統電力供給的依賴，對中小型橋梁的重點參數進行“實時監測和有效預警”。

2.1.1 系統構架

整個系統包括如下幾個部分：振弦式傳感器；數據采集器；網絡控制器；基于 C/S 構架的客戶端采集軟件；基于B/S 構架的網絡發布軟件和數據庫。

2.1.2 硬件系統

每個采集器可以采集 4 個通道的應變計傳感器數據，傳感器之間進行內部 Zigbee Mesh 組網，傳感器將數據發送到網絡控制器模塊，網絡控制器模塊內部有 SIM 卡，將數據通過 3 G 網絡傳輸到 Internet 上。服務器端運行的客戶端采集軟件從對應的端口讀取數據，并將數據保存到數據庫中。

2.2 傳感器及數據采集模塊的選型

2.2.1 傳感器類型選型

相較于橋梁檢測，橋梁健康監測對所采用的傳感器在穩定性和可靠性、體積大小、埋置安裝便捷性、傳輸線路和保護構架等方面提出了更高的要求。目前的主要傳感器類型有電阻電流式、振弦式和光纖光柵式。

振弦式傳感器的振弦是鋼弦，通過激振產生振動。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號，因此，具有抗干擾能力強、受電參數影響小、零點飄移小、受溫度影響小、性能穩定可靠、耐震動、壽命長等特點。在長期監測領域中，采用振弦式傳感器實現數據的采集、無線傳輸、處理和存儲，是一種相對較優的選擇。

2.2.2 采集模塊選型

小型無線監測系統要求整個系統盡可能地簡化，采集模塊能夠實現數據的采集和解析即可，需盡可能地控制體積，以便現場安裝和保護；同時把能耗控制在最低，以實現系統的較長時間監測功能。

經多個產品比對分析，本系統最終采用莫尼特采集模塊，它不僅能采集、存儲、分析數據，還能夠通過互聯網的數據庫，實現多用戶、多現場、多終端管理等。現場采用無線組網技術，采集器之間采用 Zigbee Mesh 網自組網、自恢復網絡。網絡可布置成線狀、云狀以及任何三維結構，大大提高系統的穩定性和有效性。同時該局域網容量大，合理的電源管理模式可以減小功耗，延長系統的有效工作時間。

2.3 客戶端數據采集模塊的開發

網絡控制器的信號通過 GPRS 傳輸到服務器，在服務器上開發一個客戶端軟件，該軟件的主要功能是從服務器的固定端口讀取數據，并將數據保存到數據庫內。該軟件的開發主要用了 C/S 結構。

2.4 數據管理系統開發

管理系統的構架模式目前主要有兩種：C/S 結構即客戶機/服務器結構（Client/Server）；B/S 結構即瀏覽器和服務器結構（Browser/Server）。由于本系統面對諸多未知的潛在客戶，而且客戶類型各異，很難要求客戶都具有相同的操作系統，同時隨著適用對象和客戶需求的不斷變化，對于整個系統的更新和維護呈現多樣化，在這樣的背景下，采用B/S 結構系統具有更多的優勢。客戶端只需要具備上網功能即可，具有良好的普適性，且所有的數據都保存在中心數據庫服務器，可以有效確保數據的安全性、完整性和一致性。

2.5 太陽能電池的選型和測試

本系統主要采用干電池供電，為了進一步延長系統的監測時間，減少電池的更換頻率，采用太陽能電池技術作為綠色能源供給的新嘗試。本系統網絡控制器的峰值功率為 2 W，太陽能電池板的功率為 50 W，蓄電池的容量為 100 AH，持續光照 24 h 可以將蓄電池充滿電，考慮到陰雨天氣，即使沒有光照的情況下，太陽能電池板提供的電量可以供系統使用 21 d，可以滿足系統的需求。

3 監測系統在某中小型橋梁的應用

該連續彎箱梁位于中環線浦東段（上中路越江隧道-申江路）施工 6 標 NE 匝道 U 3 聯，共兩跨，箱梁墩號為：NE 6～NE 8。匝道箱梁寬度位于 12.6 ～15.0m之間，底板寬度位于 5.7 ～8.1m之間，采用一次性澆筑成型。

針對彎箱梁的結構特點和典型病害特征，在該箱梁布設一套安全監控預警系統，對該連續彎箱梁的側向位移、扭轉進行實時監測。

系統在 2017 年 2 月份調試運營，采集頻率為 1 次/h，截至目前共積累了超過 12 個月的數據。

測試表明該系統具有良好的長期穩定性和可靠性，整個系統的長期數據丟包率＜1%，基于目前的工況和采樣頻率，系統的整體有效工作時間≥12 個月。

4 結 語

基于中小型橋梁的結構特點和病害發展規律，構架了一套小型化、經濟化和智能化的無線監測管理系統，實現了對重點參數的實時監測和有效預警，有效簡化了運營維護管理平臺構架，擺脫了監測系統對傳統電力供給的依賴，提高了系統的實施效率和項目適用性。