基于物聯網技術的大型橋梁安全監測系統設計

王 艷

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 719300)

0 引言

隨著經濟和社會的迅速發展，我國對大跨度橋梁的需求逐漸增加。大型橋梁往往會受到重量超載、自然環境的破壞、重大交通事故等威脅，當前的橋梁管理常常涉及建筑物表面的定期檢查與維護，橋梁內部構造的損傷與臨界反應通常發生在難以觸及或隱秘的角落。所以，監控大型橋梁的整體結構狀態是當前最為重要的工作。基于物聯網技術的不斷發展與逐漸成熟，我國對橋梁的綜合實時監測已成為當下研究的熱點。

1 萬物互聯概述

物聯網技術是利用先進的感應技術、無線傳播技術、云操作以及人工智能技術將物體連接到互聯網上。在物聯網中，建筑物可以在沒有人為控制的狀態下順利開展通信工作，全面實現建筑物之間的自動識別與信息共享等目的。即使以往的橋梁結構狀態監控系統已歸屬到物聯網技術的內容中，但是受到傳統的無線通信、感應監測、人工智能等技術的發展制約，該系統仍有很多方面與如今的物聯網技術存在著不同之處，例如在橋梁架構初期設計、感應采集、數據傳輸與處理等方面存在較大差異[1]。基于新型物聯網技術全方位的迅速發展，當前的物聯網框架結構與傳統的橋梁監控系統正在不斷完善與優化。

支撐物聯網技術發展的背后其實是一整套成熟的技術，而這一技術的發展使得傳統軟件需要感應器、數據傳送與加工、數據收集、網絡設計以及數據分析來實現，以往復雜的開發過程被最大程度地優化減少，大大降低了設備收集信息以及設備接入物聯網的要求，為建筑互聯提供強有力的技術支撐。

2 基于物聯網技術設計橋梁監控系統

2.1 初步設計

根據某市重要大型橋梁安全監控的使用需求，基于物聯網技術構建無線監測網絡，在傳感節點和匯聚節點上安裝專用傳感器，以此掌握橋梁應用狀態情況。無線傳感器網絡具有低成本、低功耗、高靈活性、高效率等優勢特征，廣泛應用于各種工業場景的監控。所以，低成本的傳感節點可以廣泛部署在大型橋梁上，確保收集到的數據有足夠的深度和準確性，為后期研究橋梁安全性能提供基本數據支持。鑒于傳感器節點部署分散，需要不斷移動變化，研究決定采用無線多跳的方法完成數據采集的工作，此方式相對而言更加靈活。將數據匯總到某一節點之后，利用有線或無線網絡傳送到健康監測云平臺中心，對橋梁安全性能進行風險評估與預判。

2.2 測量橋梁重要參數

結合橋梁實際交通荷載和結構劣化狀況，首要對橋梁交通過往情況、橋梁結構應變、橋梁荷載、橋梁腐蝕、橋梁裂紋擴展、溫度等性能和橋梁損耗程度進行實時監控與測量。如圖1所示，控制識別的監控測量標準分為環境、形變以及構造3大類。環境類主要是指橋梁當下的實時溫度與濕度情況；形變類是指橋梁伸縮縫、橋梁支架、主體框架和橋墩的變化；構造類是指橋梁應變、裂紋以及振動反應。在評價橋梁構造狀態時，需要結合橋梁結構外部環境條件和信號反應情況綜合分析，以便精準地呈現橋梁結構的實際使用情況。在對橋梁安全監測指標確定后，需依據不同種類的橋梁應力特性，選擇最佳的測量方法、傳感器節點的布置方案和數量以及符合有關監測標準的無線網絡獲取裝備。

圖1 橋梁具體監控測量標準

2.3 核心系統框架

先進的物聯網技術應用于橋梁監測系統，根據智能化數字感應、數據通信、數據庫等技術進行初期設計。橋梁監測體系結構在邏輯結構基礎上被分為4層：底層為傳感器網絡層，由溫度傳感器、濕度傳感器等和數據傳感采集節點組成，定期測量和采集各種監測參數；第二層定義為傳輸匯集層，由擴散式無線收集點、中繼輸送節點和匯集傳輸節點組成，完成收集的數據導入遠程數據庫系統的工作；第三層為中心數據層，由橋梁基礎數據以及監測數據保存庫構成，能夠為橋梁健康狀態分析和橋梁危險預警提供核心數據支持；第四層為業務應用層，以高度可視化的頁面和清晰簡單的輸出指令，完成監控數據的分析與研究工作[2]。利用危險預警、呈現和報告表等方式向管理客戶端提供橋梁運行狀況監控信息。

圖2 數據采集模塊結構

2.4 實現各模塊應用

2.4.1 控制數據收集

將數據采集模塊劃分為數據收集節點、數據傳輸節點和數據匯集節點3個子模塊，其中數據收集節點由感應器模塊和通信模塊構成，如圖2所示。感應器模塊作為整個橋梁監測體系的核心環節，主要是對需要改善橋梁使用狀態進行監測。感應器模塊利用感知監控對象的關聯性能的變化，將測量信號轉換為對應的電信號，進而中斷相關處理器，在對上述收集信息完成預處理的過程中進行有效終止。系統上電后，芯片將對硬件和系統完成初始化任務，并申請添加到網絡中，依據掃描結果挑選適宜的通道、網絡信號與網址；下一步，啟動定時器，如果收到來自該節點的網絡訪問請求，為該節點分配一個網絡號并請求答復，如果沒有則將繼續監控網絡。當定位器超時時，對接收到的有關信息進行預處理，處理后通過源路由發現技術將監控數據上傳到中繼傳輸節點進行節點組網，并通過多跳傳輸將數據輸送到聚合節點。

由于橋梁感應器節點分布廣泛，并依據監控任務的變化存在一定的可疑性，所以使用中繼傳輸節點對被監測橋梁進行無線覆蓋，使其達到傳感器節點的傳輸要求。在此過程中，由于中繼節點通常位移位置較小，節點之間的路由變化較小，因此采用源路由方法形成網絡，以降低節點路徑發現以及節點耗能。利用中繼傳輸節點，最終將數據輸送到匯聚節點，匯聚節點對采集到的數據進行后期處理并壓縮后傳送到相關數據平臺。

2.4.2 整理橋梁數據

橋梁數據管理中心主要任務是對橋梁監測出的數據進行保存，并在大數據庫中廣泛分布，為上一層業務需求提供有效數據。橋梁數據管理中心包括兩個數據庫，橋梁健康監測數據庫以及橋梁實時數據分析庫。利用物聯網大數據平臺的支持，橋梁健康監測數據庫需要對不同橋梁節點的網絡傳感數據進行存儲，如各個橋梁的不同環境參數等。

2.4.3 檢測系統應用

系統業務層主要是根據放置在橋梁上的感應設備監測到的橋梁狀態數據，綜合判斷橋梁的安全性，并給出對應的預警提示，最后由負責維護的人員對橋梁開展針對性的管理與養護。系統業務層的核心功能包含：提供傳感數據采集接口，獲取底層感應器網絡采集各個單元的相關數據，并發出控制指令以更改底層感應器單元的工作模式及有關參數；利用橋梁監測的實際要求提供對應的過往數據、實時數據、開始數據、后處理數據等相關信息，并依據監測結果更改監測數據列表；集成網絡與系統終端的對接口，便于遠程實時監測與控制。監測系統將橋梁安全性能預警劃為紅、橙、黃、綠4個等級，詳細等級劃分如表1所示。

從表1可以看出，紅色和綠色是兩種極端等級。綠色代表橋梁的實時狀態較好，各部件工作運行處于正常范圍；紅色代表橋梁處在一個極其危險的狀態，需要及時對橋梁進行檢測與養護。余下兩層分別是橙色和黃色等級，橙色代表橋梁可能存在安全隱患，需要對橋梁進行日常檢查；黃色代表橋梁處在危險環境中，也許是橋梁上的某一個部件發生損壞，需要進行適當的維修。

為能夠準確、有效地檢測到橋梁的健康狀況，監測系統針對上述4種狀態設定相應的閾值，當監測結果大于設置的閾值時，將自動進入應對處理環節，以保證橋梁的正常運行。研究分析表明，橋梁在正常工作狀態下，結構監測位置與理論值大致一樣，以此可以根據理論數值計算出綠色狀態的閾值范圍[3]。在實際應用狀態下，該狀態的下限和上限分別設置為設計荷載效應的0.95倍和1.05倍；對于紅色狀態的閾值，下限值和上限值分別設為設計負載效應的1.25倍和1.3倍；至于中間的兩種狀態，橙色和黃色采用以往的經驗進行閾值設定，閾值的下限和上限分別設為設計荷載效應的1.05倍和1.15倍。

表1 監測系統安全預警分級詳列

在整個橋梁檢測系統中，放置在橋梁上的所有感應裝置全天都是準備工作狀態，系統對感應器收集到的實時數據進行加工處理。將數據與相應的閾值做比較，判斷橋梁的當前工作狀態，以及判斷橋梁當前是否存在過載狀態，并對橋梁做出對應的預警處理。一般而言，在產生預警后推送預警信息的方式有兩種，即自動彈出系統控制頁面與推送到維修工作人員的手機上。

3 物聯網技術下橋梁監測現場管理與維護

3.1 橋梁監測管理

橋梁監測點是對橋梁與監測范圍之間的監測通道進行管控工作，需要進行以下功能傳輸：傳感器的相關配置應符合檢測因子和拓撲結構等。具體來說，當傳感器出現故障后，操作者能夠在后臺重新完成配置；當橋梁外部溫度、實際應力、位移振動等監測點發生變化時，后臺服務器需要被監測平臺重新配置；依據實際的監測情況，當下需要重新選擇監測放置點，完成拓撲管理以實現最優的監測成果[4]。

3.2 監測現場維修

在對橋梁進行監測時，發現橋梁可能患有危險因素，監測系統需立即通知橋梁維修人員對橋梁狀態開展檢測與維護等工作。維修人員使用手持終端系統與數據中心相連接，需要對檢測系統危險預警狀況現場定位分析。客戶端應用程序與站點目標設備的連接過程包括：首先，檢查終端是否能夠使用藍牙無線通信、是否處于藍牙模式；其次，需要查詢客戶端與本地藍牙調配器的連接記錄，假如在過往連接記錄中找到目標設備，那么可以直接完成配對，反之，需要重新搜索目標設備并連接設備；最后，橋梁配對成功后，維修人員根據采集的數據和診斷提示對橋梁開展相關維護工作。

4 結語

本文充分應用物聯網技術的特征優勢，與橋梁自身的特點和使用需求有效結合，研究并設計了一套科學智能化的橋梁健康監控系統。綜合實際使用情況表明，該系統可以全天有效監測橋梁的整體健康狀態，對可視化的傳感數據以及監測數據進行研究分析，為維修人員對橋梁的管理與維護提供有效數據支持。在系統投入使用過程中，根據長期運行的新要求，對監測系統進行深入優化完善，使系統在適用情況、安全穩定運行等方面更加凸顯優勢。