淺談通用土木工程結構健康監測系統平臺設計

李俊杰

（1甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省綠色建筑與建筑節能工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

土木工程結構健康監測系統在結構安全預警和質量控制方面有突出的作用，強調該系統的建設和應用有重要的現實意義。目前，土木工程結構健康監測系統的使用有其針對性，一般是基于特殊土木結構實施系統的建設與使用。但從監測系統的應用實踐來看，雖然在不同的土木結構健康監測實踐中應用，但是系統架構存在著一致性，且較多的功能模塊可以通用。基于這樣的應用背景，開發具有通用性的土木工程結構健康監測系統平臺，不同系統建設實踐中存在的軟件重復利用、成本消耗過大和管理困難等問題可得到有效解決。

1 土木工程結構健康監測系統通用架構

對實踐應用的土木工程結構健康監測系統進行分析后發現，雖然不同結構在結構形式方面存在差異，在具體環境以及荷載方面也有各自顯著的特點，但是其具備的監測系統架構卻是基本相同的[1]。就目前的結構分析來看，結構監測系統主要由五個部分構成：1）傳感器子系統。該系統主要由傳感器、二次儀表等組成，能夠對工程結構的物理狀態量進行實時測量。2）數據采集子系統。就該系統的組成來看，主要為數據站，而數據站一般需要利用微機進行控制。在實踐中，該系統的主要功能是采集傳感器原始測量數據。3）數據通信與傳輸子系統。該系統主要包括服務器站點、監測系統局域網以及與局域網聯系的干網連接等，可實現監測數據的通信與傳輸。4）監測數據庫管理子系統。就該系統的構成來看，主要為數據庫服務器[2]。針對數據庫的管理主要有監測數據的存儲、備份、修改以及刪除和查詢等。5）數據分析處理子系統。該系統的主要組成是邏輯服務器。利用該系統，數據處理、圖形化顯示以及診斷、預/報警等工作的開展更具實效性，對土木工程的具體管理等實施也有現實效果。

2 土木工程結構健康監測系統通用功能模塊

2.1 主要功能

通過對結構監測系統應用實踐的分析發現，其主要功能集中在如下方面：

1）監測結構荷載的變化情況。

2）監測結構所處環境的變化情況。

3）診斷結構損傷并基于診斷結果預/報警。

4）評估結構狀態[3]。

5）為結構的維修以及養護實踐提供更加充實的參考。

6）實現監測系統自身的管理控制以及運行維護。

2.2 主要模塊

基于監測系統的功能實現將應用軟件進行劃分，可以劃分出較多的通用軟件模塊，主要分如下：

1）傳感器布點優化模塊。該模塊可以基于結構初始有限元模型的分析結果，優化傳感器布點方案，從而使傳感器在信息獲取方面的效果更加突出。

2）數據預處理模塊。該模塊的主要作用是進行信息的收集并對其做預處理。

3）數據通訊模塊。該模塊的主要功能是實現數據傳輸和發布。

4）數據管理模塊。數據存儲、備份、刪除、修改以及查詢等目標的實現均屬該模塊的功能[4]。

5）數據處理模塊。基于預處理的數據，該模塊能夠實現對數據更加深入和系統的分析與處理。

6）結構模態參數識別模塊。該模塊的主要作用是實現對結構模態參數的識別。

7）結構模型修正模塊。該模塊主要的價值體現在對有限元模型的修正和優化方面。

8）預/報警模塊。使用該模塊可設置不同的警報級別，實現針對性的預/報警。

9）結構狀態評估模塊。該模塊的主要作用是對工程結構狀態進行綜合評估。

10）監測系統控制管理與運行維護模塊。該模塊的主要作用是進行系統管控。

總的來講，系統通用功能的明確以及軟件模塊的有效劃分對于通用土木工程結構健康監測系統的設計和應用有突出的現實意義。

3 土木工程結構常規監測內容

通過分析土木工程結構的監測內容發現，在監測實踐中，需要關注的監測內容較多。目前，常規的監測內容主要可以劃分為七大類，每個大類中還有諸多不同的小內容[5]。以下是對七大類監測內容的總結。

1）變形監測。變形監測是工程結構監測中最常見的內容，包括了結構各個部位的靜態位移等，是掌握結構動態變化的重要參考。

2）索力監測。索力監測主要目的是實時掌握各類索，比如拉索、吊索、預應力索等的內力變化。

3）應力應變監測。其主要監測內容是構件在荷載作用下產生的應力應變。

4）振動監測。振動監測的主要目的是掌握動態荷載下結構的位移、速度等參數隨時間的變化規律，并基于變化規律獲取位移模態或應變模態參數。

5）環境及荷載監測。其主要監測結構所處環境及荷載的變化。

6）構件耐久性監測。構件耐久性對結構的使用壽命和安全有顯著影響，因此需強調耐久性監測。

7）構件表觀的監測，該監測的主要目的是掌握構件表面的具體變化情況。

4 通用土木工程結構健康監測系統平臺框架設計

通用土木工程結構健康監測系統平臺的建設需要滿足健康監測的具體要求，同時還要解決軟件模塊的重復利用問題及成本控制，因此,基于多方面考慮對平臺框架設計進行分析有突出的現實價值[6]。目前，系統平臺框架設計需確定以下五個主要目標：

1）能夠快速實現對具體結構的健康監測系統框架布置和設計。

2）能夠為數據管理與顯示提供友好型的人機交互界面。

3）可為結構健康監測實踐中的常見問題提供解決方法選集。

4）可針對具體結構建立健康監測方案，并對監測方案進行合理有效的維護和管理。

5）可實現對結構狀態的實時監測，并實時預/報警，從而使監測結果可以為相關決策提供依據與支持。

基于具體的目標實現進行系統平臺框架的設計，對于完善系統平臺框架來說非常必要[7]。就通用土木工程結構健康監測系統的平臺框架建設而言，基于目標實現原則，可采用用戶界面層、業務邏輯層和數據層3層結構設計法。從用戶界面層來看，其主要功能是實現用戶和系統之間的交互，將數據的圖形或者列表清晰地顯示在用戶面前，從而為用戶提供真實的參考依據。業務邏輯層主要包括各種方法庫模塊，是實現數據處理的核心層，就系統和平臺的運行而言，結構狀態的評估、預/報警信息等均是業務邏輯層提供的。數據層是整個系統平臺運行的基礎，其主要作用是進行各類信息的獲取并存儲，從系統設計來看，系統需要建立在開放和兼容的基礎上，從而能夠為用戶提供一個可根據結構特點而定制的系統，因此在系統設計中采用XML標準，圖1為系統在應用實踐中實現具體功能的示意圖。

圖1 功能示意圖

5 結語

綜上所述，土木工程結構健康監測系統的應用在結構評估和預/報警方面發揮著重要的作用。從目前掌握的研究應用現狀來看，雖然針對不同的工程結構構建的健康監測系統存在或多或少的差異，但在系統架構、功能模塊等方面存在著通用性。因此，開發通用土木工程結構健康監測系統平臺，可以實現資源整合，從而顯著提升監測工作的專業性和規范性，對結構健康監測技術的廣泛應用與深入研究有重要的現實意義。