橋梁健康監測數據采集傳輸系統分析與設計

摘 要：健康監測是橋梁安全管理的重要內容，其需要進行橋梁建設、運行狀態等大量數據的采集傳輸和應用分析。本文在闡述橋梁健康監測作用的基礎上，就健康監測數據采集傳輸系統設計要點展開分析，并指出監測數據的應用情況，期望能進一步提升數據采集傳輸系統的應用效果，提升橋梁健康監測質量，進而在保證橋梁穩定、安全的基礎上，推動橋梁工程的持續、穩定發展。

關鍵詞：橋梁工程;健康監測;采集傳輸系統;應用

中圖分類號：U446 文獻標識碼：A

0 引言

橋梁工程項目建設及使用在加強其與聯系，帶動區域經濟發展中起到至關重要的作用。新時期，人們對于橋梁使用的穩定性、安全性提出了較高要求，有必要在使用階段開展起來健康監測工作。新時期，規范設計并使用橋梁健康監測數據采集傳輸系統，能通過全面、準確的數據，為橋梁健康監測工作開展有效參考和支撐，提升橋梁使用的整體效益。

1 橋梁健康監測的作用

橋梁結構安全直接關系著交通出行的效率和質量，對于出行人員安全具有深刻影響。基于此，在橋梁使用階段，應重視橋梁健康監測工作的開展。一方面，自橋梁建成通車后，除溫度、濕度、風速等自然環境外，交通荷載、剛硬度物質磕碰等都會對橋梁的應用效果和使用年限造成影響，引起公路橋梁結構老化和性能退化，這嚴重地影響了橋梁使用的安全性，有必要及時進行橋梁健康監測管理。另一方面，從橋梁健康監測過程來看，其不僅需要進行橋梁上溫度、濕度、撓度、索力監測，而且需要進行橋梁傾角、應變、位移、振動等參數的收集，將這些數據實時性的傳輸到服務平臺，然后基于大數據技術進行這些海量數據的處理，并根據相應的閾值對其進行預警及分析評估，能使得橋梁使用始終處于受控狀態，這對于提升其的穩定性、安全性具有積極作用[1]。

2 橋梁健康監測頂層設計思路

2.1 監測內容

橋梁健康監測數據采集傳輸中，需重視監測內容的精準把控，確保健康監測內容的全面性。現階段，公路橋梁健康監測包含荷載、結構特性、結構響應等要素的監測。其中在橋梁荷載監測中，除風荷載、溫度荷載、徐變外，需重視腐蝕、交通荷載的系統監控;而在橋梁結構特性監測中，靜態影響系數、整體動態特定是兩個主要的監測內容，此外橋梁結構響應包含了幾何形狀、索力、應變和應力分布狀況的監測[2]。

2.2 橋梁健康監測系統層次結構

一個完整橋梁監測系統不僅包含傳感器系統、數據采集傳輸系統，而且涉及數據處理控制系統、橋梁健康評估系統。傳感器系統對于數據的采集傳輸具有深刻影響。本研究中，重點分析橋梁健康監測系統到數據采集傳輸階段的應用情況。期望能為后期監測數據信號調理、濾波和A/D轉換分析提供有效參考。

在橋梁健康監測傳感器系統、采集傳輸系統設計應用中，應充分考慮監測系統的可靠性。基于傳感器應用，在數據采集傳輸系統設計中，首先應考慮系統的容錯性，即在系統某個硬件發生故障后，其與的功能模塊仍能穩定運行。其次新設計的健康監測數據采集傳輸系統用哪個具有自啟動、自恢復功能，且能實現數據過載問題的有效防控。同時在系統斷電時，要求不間斷凈化電源仍然能夠持續工作，并且工作的時間不少于24 h。最后出于橋梁健康監測全面性、準確性考慮，要求重視健康監測系統傳感器、數據采集傳輸及后續分析系統的分布式布局，在分布式監測中提升健康監測的整體性能，保證橋梁使用的安全性。

3 基于橋梁健康監測的數據采集傳輸系統設計

3.1 傳感器系統

傳感器的布置及使用是橋梁健康監測系統數據采集和傳輸的基礎前提，在傳感器布置設計中，應深刻認識傳感器的功能，合理使用傳感器監測方法，并進行傳感器布置形態的設計。

3.1.1 傳感器作用及監測方法

傳感器在橋梁各部分荷載、結構特性、結構響應監測中起到至關重要的作用。基于傳感器的使用，能實現前使用中多元性能指標的有效監控。現階段，橋梁健康監測中傳感器的使用形態多樣，除超風速監測儀、溫濕度監測傳感器外，傾斜儀、位移傳感器、水準儀等都是較為常見的傳感器類型。各種類型傳感器作用及監測方法有一定差異。以溫濕度監測傳感器而言，其旨在了解橋梁使用區域的溫濕度變化情況，并掌握橋梁主要構件溫度及溫度梯度情況。在具體監測中，應使用連續監測方法，按照0.02 Hz的頻率進行監測，并且應將該傳感器就近接入串口服務器，實現RS485/232信號的有效輸出。而在位移傳感器監測中，應通知實時連續監測點處的位移情況，實現主梁、橋塔縱橫向位移的準確把控，位移傳感器的采樣頻率需保持在10 Hz。此外應通過水準儀連續性地進行梁體與大地相對位移的監測[3]。

3.1.2 傳感器布置形態

使用傳感器的目的在于精準化的獲取橋梁使用過程中的狀態信息，確保橋梁健康監測數據的可靠性、安全性。但是結合實際情況可知，在橋梁使用監測中，于所有自由度上安裝傳感器是不現實的，這主要是受到了傳感器應用經濟效益的影響。基于此，在橋梁健康監測中，應注重傳感器布置方式的優化。其一，在荷載監測中，要求將傳感器設置在有利于掌握交通荷載強度極限狀態的區域，實現橋梁結構內力、應力等指標參數的有效監測。其二，針對特殊部位實施監測時，要求布置得傳感器便于計算、分析構件的工作狀態。其三，應在橋梁危險及易損構件區域布置傳感器，實現橋梁結構損傷情況的有效分析。其四，在傳感器布置中，應確保所布置的傳感器處于橋梁各性能參數變化的敏感區域，并且監測的數據能為后期橋梁狀態分析提供有效支撐，有利于數據分析模型的建設和應用。

3.2 數據采集傳輸系統設計

3.2.1 數據采集傳輸系統分類

為實現橋梁健康狀況的有效監測，在數據采集傳輸階段，首要任務就是設計與橋梁使用及健康監測相匹配的數據采集系統。現階段，集中式、分布式是橋梁健康監測中數據采集傳輸的兩種基本形態。

就集中式數據采集傳輸系統而言，其主要是通過一臺計算機來完成數據采集和傳輸，但是這種方式的可靠性較差，即當計算機系統發生故障后，橋梁健康監測整體系統將停止工作，并且在同一臺計算機中，難以實現多個物理量的系統處理。基于此，集中式數據采集傳輸系統的應用較少。現階段，分布式數據采集傳輸系統在橋梁健康監測中應用廣泛，其不僅包含數據采集單元、遠程計算機系統，而且涉及網絡交換機、數據傳輸應用等單元。借助分布式數據采集傳輸系統，能在網絡技術的支撐下，形成單元獨立、整體關聯的資源共享系統，這對于橋梁健康數據的采集傳輸具有積極作用，有效地保證了數據采集傳輸的效率。同時基于分散式的數據采集和傳輸，能在系統功能分散的基礎上，降低系統的負載，這對于降低數據采集傳輸系統危險性、保證橋梁健康監測安全可靠性具有積極作用。此外從長遠發展角度來看，分布式數據采集傳輸系統能基于較高的操作系統和統一的協議進行信息的交換管理，滿足橋梁健康監測實際需要。

3.2.2 數據采集傳輸系統性能設計

新時期，要進一步提升橋梁健康監測系統數據采集傳輸效果，還應注重該系統性能指標的系統優化。即在完成健康監測數據采集傳輸系統設計后，應確保該系統能滿足橋梁健康監測的具體要求，同時數據采集及傳輸系統本身應具有操作性更好的特點，即系統本身應具有便于使用和維護的特征。此外，在分散式數據采集和傳輸系統設計中，還應注重系統通用性和可擴充性能力的設計，最大限度地提升數據采集的靈活性。值得注意的是，在保證數據采集傳輸系統可靠性的基礎上，還應注重該系統設計周期、經濟效益等因素的控制，確保橋梁健康監測數據采集傳輸系統具有最佳的性價比。

3.2.3 采集傳輸系統總線設計

規范化地進行采集傳輸系統總線設計，能實現橋梁健康監測系統傳感器、采集傳輸系統、數據處理系統、健康評估系統的有效銜接;這對于監測數據的傳輸和應用具有積極作用。現階段，PXI總線系統在橋梁健康監測系統中得到了廣泛應用，從應用效果來看，在32位機中，PXI總線的帶寬可達到132 Mb/s，而在64位機中，其帶寬可達到264 Mb/s。基于該總線形成全新的虛擬儀器體系，能有效滿足健康監測系統各種復雜的觸發協議，這對于觸發信號的傳遞具有積極作用。

3.2.4 數據采集傳輸

橋梁健康監測中，數據采集傳輸包含了模擬信號、非模擬信號的采集和傳輸。在模擬信號采集傳輸中，首先應注重數據采集卡的規范選擇，優選具有較高分辨率和采集效率的數據采集卡，然后進行定時同步模塊的選擇，為橋梁荷載、結構特性、結構響應等參數的采集傳輸奠定良好條件。最后在PXI控制器應用的基礎上，應重視信號調理模塊的選擇，采用不同的調理設備對信號進行調理，確保采集的信號滿足數據傳輸需要。而在非模擬信號闡述中，光纖光柵傳感器、錨索計信號采集是兩種主要的信號采集方式，針對這兩種數據采集方式，應基于PXI總線進行數據傳輸，為后期數據分析應用和橋梁健康狀況評估奠定良好基礎。

4 結語

數據采集傳輸系統的設計應用對于橋梁健康監測整體效益具有深刻影響。新時期，人們只有充分認識到橋梁健康監測的作用，在健康監測系統頂層設計的基礎上，深化數據采集傳輸系統設計應用，這樣才能準確掌握橋梁使用荷載、結構特性、結構響應情況，實現橋梁健康的有效評估，進而推動橋梁工程的持續、穩步發展。

參考文獻：

[1]張門哲，金耀，李小龍，等.湖北石首長江公路大橋結構健康監測系統設計研究[J].中外公路，2019（1）：158-163.

[2]肖時輝，梅敏彰，唐孟雄，等.基于LoRa的城市立交橋遠程監測數據采集系統[J].公路，2021（2）：87-93.

[3]李雄偉，季鈺林，謝伊亮，等.基于IEEE1588時間同步的分布式橋梁健康監測系統[J].電子測試，2021（8）：5-9.

作者簡介：楊立新（1990—），女，吉林長春人，碩士研究生，研究方向：橋梁隧道安全監測系統及數據分析。