淺析路網橋梁健康監測系統的設計方法

摘? 要：本文以廠溪河特大橋（達陜高速）為例，結合大橋本身特點及其病害現狀，介紹了基于3G網絡傳輸技術的云平臺監測系統的構成及應用，并獲得了監測系統的監測結果。監測結果表明加固后的連續剛構橋，需設置一定的標準和對監測數據分析來判別橋梁的健康狀況和承載能力，從而確保橋梁在壽命期的運營安全。

關鍵詞：健康監測;連續剛構橋;運營安全

中圖分類號：TU3? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2019）07-0000-00

1項目簡介

隨著交通建設的蓬勃發展，橋梁結構的健康監測受到了全世界的廣泛關注[1]，由于健康監測系統成本較高，目前其主要應用于大型橋梁[2]。

廠溪河特大橋跨徑組合為右幅2×40m（簡支T梁）+（95+180+95）m（連續剛構）+（6×40m）（簡支T梁），左幅為2×40m（簡支T梁）+（95+180+95）m（連續剛構）+（5×40m）（簡支T梁），主墩最高達84m。位于宣漢縣廠溪鎮，跨越廠溪河。廠溪特大橋是典型的三跨預應力混凝土連續剛構橋，大橋具有主墩無支座、橫橋向抗扭剛度大、橋墩為高墩、大跨度連續鋼構橋等特點。

2系統設計

監測系統的設計首先考慮建立該系統的目的和功能，由此來確定所需要監測的項目，根據適應性和經濟型的要求選取技術成熟、性能可靠的傳感器。相關人員應將橋梁所處環境作為根據，同時將荷載等級、項目經費與橋梁狀態等因素均考慮在內，確保監測項目選擇的綜合性，保證其能將橋梁結構運營中的真實狀態反映出來，最大程度上保證所投入費用產生的效益。另外，相關人員還應科學布置傳感器，針對橋梁受損處、控制點以及最大值處，設置對應力與撓度傳感器，為結構信息獲取的準確性與可靠性提供更大的保障。

監測系統設計主要由以下子系統構成：（1）傳感器系統;（2）數據采集與傳輸系統;（3）數據存儲與分析系統;（4）用戶界面系統。因為子系統的功能與特征并不統一，且通常情況下應用的軟硬件也各不相同，所以把各子系統合理組織是必要的，進而推動系統集成的順利實現[3]，促進各子系統在邏輯方面、物理方面乃至功能方面的相互兼容并協同合作，以確保系統的穩定、可靠運營。

3系統功能

3.1傳感器系統

傳感器處于監測系統的最前端，合理的布設傳感器，以期利用有限數量的傳感器獲得盡可能多的有用信息。根據大橋的力學性能與結構參數分析，并依據大橋自身的運營環境、整體及局部受力特點，綜合考慮到監測部位、構件的全面性、代表性、重要性等方面，同時參考前期的大橋檢測報告發現該橋梁大量存在腹板斜裂頂底板的縱向及橫向裂縫等病害現狀，經過仔細分析，重點對該橋的主梁下撓度、應力與裂縫、高墩傾角等進行監測。結合廠溪特大橋結構的主要特征，同時考慮到監測精度需求，本系統主要以對國內先進儀器設備的應用為主，其性能與傳統儀器相比較來講也更加可靠，此外其還具備精度高、使用期長與承壓性能好的優勢。監測項目和傳感器如表1所示。

一般來講，數據采集系統設計包含以下內容：

首先是通過系統分析確定任務：針對監測對象、問題展開有效的調查分析，使系統任務與技術指標等得到確定;其次是系統總體設計：將系統軟硬件特征充分考慮在內，確保對各功能的合理分配;最后是系統軟硬件的設計。本橋梁包括溫濕度、傾角、撓度、支座位移以及應變傳感器等5大類35個傳感器。其中撓度、支座位移、傾角、溫濕度傳感器輸出4-20mA的模擬電流信號，但信號無法進行長距離傳輸，且不能直接被傳輸設備識別，需要數據采集設備對其進行A/D轉換。根據這幾類傳感器輸出信號的特點，以及對本橋測點分布的考慮，采集系統采用分布于左右兩幅子采集站內集中式采集完成傳感器數據采集工作。而采集模塊之間通過屏蔽雙絞線組成RS-485總線網絡（具有連接簡單、成本較低、系統可靠性高以及抗干擾能力強、傳輸距離遠等優勢）進行通訊與控制。采集方式為實時采集、連續存儲，采樣時間間隔為7分鐘。

就網絡通信協議傳輸層而言，通常情況下以TCP協議與UDP協議為主，前者更貼近于面向連接，即通信接收方接受的基礎上，才能成功發送。而后者則屬于一類無連接協議，簡單來講就是在發起通信的時候，通信接收方無需在傳輸層創建“握手”連接，直接發送即可。而二者一般以UDP數據傳輸，其數據傳輸可靠性較差，因此其通常無法為數據向目的地傳輸的準確無誤提供保障;而TCP則以數據傳輸的準確性為其主要優勢，其能在有關設備或服務間，創建并保持有效的虛擬連接。將UDP包與TCP包結構進行合理比較，后者的控制機制與可靠性顯然更勝一籌。橋梁監測系統中數據傳輸的可控性、準確性與完整性必須要得到保證，盡可能發揮TCP協議的作用。現場采集模塊采集到傳感器數據后接入到DTU設備上，DTU通過3G無線網絡的TCP協議與監控中心的服務器進行通訊，服務器端在接收到數據信息之后，將其有效保存至數據庫，以便有關人員的調用、分析與評估，另外，也應結合實際情況合理調整監測系統的采集參數等，在全面掌握運行狀況的基礎上，最大程度確保結論的科學性與準確程度，通過對3G無線網絡技術的應用，將有關信息向現場DTU發送，達成有效監測與控制的目的。

采集與傳輸系統目前具有無人值守條件下連續運行、采集的各項參數可遠程操作來進行在線設置、系統具有自診斷功能，能識別傳感器失效、信號異常、子系統功能失效或系統異常等功能。

3.3數據存儲與分析系統

與橋梁現場具體情況相結合，將系統數據的安全性作為根據，本橋所采用的系統主要以分布式異構數據存儲與分析功能為主，在有效獲取實測數據的基礎上，再展開校準、處理、數據質量與可靠性測試等工作，為預警報警系統提供更多的有效數據。

現場獲取的數據分析處理流程主要包括：（1）數據預處理：對數據進行數字濾波、去噪、截取和異常點處理，并簡單的對各類數據進行數理統計，如統計一段時間的最大最小值、均值、方差等內容;（2）數據后處理：對監測數據的深入分析。如橋梁特征量與環境因素之間的相關性分析等。通過一段時間對現場傳感器信號的分析，初步給定傳感器的閾值范圍。如果數據超過閾值時進行安全預警。

為了最大限度的保障數據安全，預防在特殊情況下的數據丟失，并能在系統遇到問題時最快時間內對數據庫系統進行恢復，保持數據庫系統順暢運行，采用二級數據備份策略。以數據庫服務器上的完全備份和差異備份為第一級備份，以遠程數據備份服務器上的壓縮備份為第二級備份，對所有的數據進行雙層保護。一級備份采用數據庫維護計劃，對所有數據進行一周一次的完全備份，每天一次的差異備份，并對備份數據采用壓縮備份策略，將備份大小降低到了原始備份的30%。二級備份利用Xcopy命令技術，將數據庫服務器上備份的數據遠程傳輸到另一臺備份服務器上。通過定制操作系統的計劃任務，定期對服務器間的備份數據進行同步。

4 現場實施

根據系統設計，對項目進行現場實施，用戶界面系統是一套基于擴展B/S（瀏覽器/服務器）架構的WEB系統。其工作原理是將軟件系統安裝在服務器端，遠程用戶可通過瀏覽器訪問該服務器，并與服務器進行數據交流。基于B/S架構的監測系統，使WWW瀏覽器技術的重要作用得到了全面發揮，如此即使不借助專用軟件，也能實現原本具備的強大功能。

系統安裝完畢后，進行系統的軟硬件調試，在下機位工控機的控制下，獲得了大量的監測數據，并存儲在中心數據庫中，數據穩定且可靠。

5 結論與展望

通過對廠溪特大橋健康監測系統經運營一段時間的數據進行分析發現：現場傳感器數據穩定、可靠，這些數據能充分反應橋梁的實際結構特征信息，因此起到了科學指導工程的目的，提高了橋梁的整體管理水平。橋梁結構健康監測不只是傳統的橋梁檢測技術的簡單應用，在此基礎上提高監測結構響應與行為信息的可靠程度，進一步增強橋梁管理與維護決策的正確性。

參考文獻

[1]歐進萍.重大工程結構的累積損傷與安全度評定[C]//走向21世紀的中國力學，中國科協第9次“青年科學家論壇”報告文集.北京：清華大學出版社，1996.

[2]張宇峰，徐宏，倪一清.大跨橋梁結構健康監測及安全評價系統研究與應用進展[J].公路，2004，5（5）：24-26.

收稿日期：2019-08-20

作者簡介：楊正強（1977—），男，四川達州人，本科，工程師，研究方向：高速公路養護管理及研究。

Analysis on the Design Method of Road Network Bridge Health Monitoring System

YANG Zhengqiang

（Sichuan Dashan Expressway Co.Ltd.Dazhou， Sichuan? Dazhou? 635000）

Abstract：? Taking the Changxi River Super Bridge （Dashan Expressway） as an example， this paper introduces the composition and application of a cloud platform monitoring system based on 3G network transmission technology based on the characteristics of the bridge itself and its disease status， and obtains monitoring from the monitoring system result. The monitoring results show that the reinforced continuous rigid frame bridge needs to set certain standards and analyze the monitoring data to determine the health and bearing capacity of the bridge， so as to ensure the operational safety of the bridge during its lifetime.

Keywords： health monitoring; continuous rigid frame bridge; operational safety