中國西部高原山地鋼結構特大橋梁健康監測系統技術研究

顧永標

（貴州高速公路集團有限公司安順營運中心，貴州安順 561000）

1 工程概況

壩陵河大橋健康監測系統于2008 年11 月進行招標，中標單位于2009 年9 月進場施工；2010 年12 月完成外場設備安裝；2011 年4 月完成臨時監控中心內場設備安裝；2011 年12 月完成交工驗收。

壩陵河大橋宣教館具備提供永久監控中心的安置條件，于2015 年5 月開始對監控中心進行搬遷，對系統故障設備進行更換升級，于2015 年7 月完工。主要工作內容為監控室搬遷、GNSS 基準站搬遷、顯示拼接大屏安裝、視頻監控系統升級、部分故障設備更換與維修。壩陵河大橋健康監測系統運行期間，對2010年關嶺地震、凍雨及道路結冰、行經大橋的車輛自燃、2016 年大風風災等應急事件提供了數據支持。

圖1 橋型總體布置圖

2 橋梁健康監測系統

2.1 橋梁健康監測內容

橋梁健康監測系統的監測內容主要包括以下方面：

2.1.1 結構性能監測

為了解橋梁結構的整體工作狀態，從宏觀上分析結構工作性能的變化規律，需重點監測橋梁整體變形參數。通過安裝傳感器采集橋梁的結構參數數據，如位移、沉降、傾斜、加速度、振幅、頻率等，用于實時或定期監測橋梁的結構狀況。

2.1.2 荷載參數監測

監測橋梁的荷載信息，用于評估橋梁的荷載狀態和荷載歷史，為結構健康評估提供依據。

2.1.3 環境參數監測

通過傳感器監測橋梁所處環境的參數，如溫度、濕度、風速、雨量等，用于分析環境因素對橋梁結構健康的影響。

2.親蝦越冬及培育 親蝦暫養于土池中，搭建加溫大棚越冬，通過環保鍋爐加熱，期間水溫保持15～18℃。至3月上旬，親蝦移入加溫苗池進行產卵培育，逐漸升高水溫至26～28℃，促進親蝦性腺進一步成熟。加強親蝦營養直接關系到卵和幼體質量。日常投喂羅氏沼蝦專用配合飼料外，同時搭配投喂切碎的胡蘿卜、南瓜等新鮮蔬菜和冰鮮魚塊，確保營養豐富、全面。日投喂量一般在4%～5%左右，投喂新鮮飼料時適當增加投喂量，越冬期間視情況適量投喂。培育期間保持環境安靜，水質清新，溶氧豐富，必要時換水。池內放置PVC管和網衣作為隱蔽物，減少殘殺。

2.1.4 振動、裂縫、撓度等局部損傷檢測

通過對橋梁局部區域的振動、裂縫、撓度等進行實時檢測，及時發現并處理潛在的局部損傷。

通過橋梁健康監測系統對在管橋梁結構狀態實現整體把控，為養護決策和規劃提供科學的數據支持，實現橋梁病害、橋梁管養分級，使養護資金的分配更加合理，養護維修措施更有針對性，實現長期總體養護資金投入最小化，降低維養成本[1]。

2.2 橋梁健康監測系統基本構成

健康監測系統集實時監測、歷史查詢、統計分析、專項在線分析于一體，其主要由感知層、采集層、傳輸層、云服務器和人機交互幾部分組成。在橋梁各關鍵部位安裝各類傳感器后，將數據接入采集設備，采集設備初步運算后通過4G 無線網絡將數據輸出到云服務器；云服務器對數據進行分析處理后下發到后端。

用戶門戶、GIS 地圖集成、結構監測、車輛監測、綜合報警、報告報表、監測配置等子系統共同構成橋梁健康監測系統的總體框架，如圖2 所示。

圖2 橋梁健康監測系統總體構成圖

3 健康監測系統的主要功能

3.1 在線監測，超限報警

該系統能夠通過實時傳輸的橋梁健康監測數據及視頻數據，進行橋梁狀態實時在線監測、集中管理及展示。參照《公路長大橋梁結構健康監測系統試點建設技術指南》（2021 試行版），建立橋梁健康監測三級報警體系（藍色報警、黃色報警、紅色報警），實時監測橋梁健康數據。在橋梁運營狀況異常時系統會及時觸發報警信號（界面提醒、郵件自動推送等），提醒相關人員關注橋梁的運營與安全狀況，并采取合理的應對措施，消除橋梁監測數據超限報警狀態，使橋梁處于正常服役水平。同時，該系統可自動化生成各類報告報表，包括監測數據數理統計分析、對比分析、相關性分析、趨勢分析等報告。

3.2 特殊事件報警體系

針對監測項內的特殊事件，如結構風致振動、火災、車輛撞擊吊索、堵車偏載、惡劣極端天氣等，該系統可以根據內置的各類應急預案及時采取應急響應措施（密切跟蹤關注報警狀態、查明報警原因、提出應對措施），并同步啟動應急識別和評估機制，出具特殊事件專項評估報告，給出具有數據支撐的技術處治建議。

3.3 及時“感知橋梁”，依據狀態評估結果指導預防性養護

“感知橋梁”是基于大橋自動化監測數據進行狀態評估，相關人員可以依據狀態評估結果，針對性地開展預防性養護，可避免橋梁病害擴大而造成交通中斷等問題[2]。

3.4 為養管規劃提供數據支持

該系統能夠對在管橋梁結構狀態實現整體把控，為養護決策和規劃提供科學的數據支持，實現橋梁病害、管養分級，使養護資金得到合理分配，使養護維修措施更具針對性，實現長期總體養護資金投入最小化，降低維養成本。

4 健康監測系統方案

4.1 系統總體架構

壩陵河大橋結構健康監測系統升級改造項目將結構運營安全監測、結構安全報警、數據自動化處理與存儲、實時數據的人性化交互顯示等各功能集中于同一平臺。前期統一規劃，統籌開發，預留自定義接口，后續分步接入，分階段進行系統實施，實現橋梁全壽命周期的科學化、標準化、電子化、信息化養護管理，監管運營期橋梁結構與行車安全，最大限度地維持橋梁的良好工作狀態。

該項目旨在升級改造大橋結構健康監測系統，包括自動化監測子系統、電子化巡檢子系統、結構安全報警與狀態評估子系統、數據存儲與管理子系統以及用戶界面子系統。系統預留數據接口后續可接入交通運輸部長大橋梁結構數據平臺，總體架構如圖3 所示。

圖3 系統總體架構示意圖

4.2 自動化監測子系統

自動化監測子系統通過傳感器、數據采集和傳輸設備實時獲取結構響應和環境特征數據，并利用數據處理和控制設備對這些數據進行處理。該子系統需滿足以下要求：

第一，系統架構設計合理，且可擴展、易維護。第二，能夠提供精度、采樣頻率均滿足要求的監測數據。第三，能夠滿足設備運行穩定性的需求，同時設備可更換、易標定。第四，采集軟件能根據用戶設置的采集參數進行數據采集。第五，采集箱能夠自動完成GNSS 校時，不同采集箱應能保持同步采集。第六，數據采集應能在采集箱內緩存，當網絡故障時采集數據保存在采集箱內。第七，采集箱具備一定的數據預處理、簡單分析及報警功能。第八，能夠實現設備自診斷、自恢復功能，自動定位故障，并實時報警，具有故障隔離功能，出現故障時不影響其他設備正常工作。第九，系統具備遠程監測功能，用戶能夠通過因特網遠程使用該系統。第十，能夠對采集的原始數據進行初級校驗和選擇存儲。第十一，對用于存儲二次處理、數據融合、結構狀態信息等數據，進行定期存檔、備份，以保持數據連續性。第十二，能夠向結構報警模塊提供數量和精度都滿足要求的監測數據。第十三，在結構實時監測過程中，系統會自動檢測可變荷載和結構響應指標，并在出現威脅橋梁運營安全的情況時發出報警信號。同時，系統還會在特殊氣候或橋梁運營狀況異常時觸發報警信號，提醒橋梁管理養護人員關注結構的安全狀況。必要情況下系統還可以啟動應急響應機制，以保障橋梁的安全運行[3]。

4.3 電子化巡檢子系統

傳統的巡檢養護手段并不能滿足工程龐大、構造復雜的特大橋的養護管理需要。而借助標準化、規范化的電子化巡檢子系統，能夠為橋梁風險管理、科學預防性養護管理提供依據，從而實現管養工作制度化、管養技術現代化、管養決策科學化。

4.4 數據存儲與管理子系統

數據存儲與管理子系統能夠將整個系統在運行過程中產生的數據資料分類、高效管理，一方面能夠安全可靠地存儲數據資料，另一方面能夠充分利用數據價值，使之服務于上層系統的業務流轉、歷史數據的回溯和統計，各類文檔資料的歸檔、下載、上傳、打印等。

子系統具備以下功能：第一，實現監測項管理，增加或刪除結構監測子系統監測項。第二，實現傳感器管理，增加、刪除、查看、歸屬所屬的監測項、編號編輯等。第三，實現各類文檔的管理，增加、刪除、查找等。第四，實現監測項、傳感器、各類基礎庫的自定義配置。第五，對大量、多種類數據的管理，為多個子系統提供共享數據信息，同時支持分布式的處理與訪問。第六，支持多并發用戶的操作，為各應用子系統提供可靠的分布式數據交換與存儲平臺，方便開發與使用。

4.5 結構安全報警與狀態評估子系統

結構安全報警模塊是橋梁實時監測系統的重要組成部分，能夠對可能威脅橋梁運營安全的可變荷載和結構響應指標（如主梁變形等）進行實時監測和報警。此外，該模塊能夠提供特殊氣候、交通條件下或橋梁營運狀況異常時的報警信號，提醒橋梁管理養護人員及時關注結構的運營與安全狀況，并啟動相關應急預案。

充分利用監測數據，結構安全報警模塊還能對結構狀態進行評價、分析等，為橋梁運營階段的管理提供技術支持。結構狀態評估是監測數據利用的最終體現，也是構建結構健康監測系統中技術難度最大的部分。該子系統具體功能如下：

第一，具有結構狀態監測和報警功能，能夠給出結構理論計算值或規范值，實現比對分析和分級報警。第二，能在監控中心內實時顯示監測數據、報警值和限值。第三，能夠充分利用監測數據，對結構狀態進行評價、分析等，自動生成結構相關性能報表，為橋梁運營階段的養護管理提供技術支持。第四，能對交通流量、結構監測數據超限、撞擊、異常振動等特殊事件數據進行記錄和分析。第五，具備遠程信息發布與共享，遠程授權操控功能。第六，橋梁結構狀態評估，針對結構特點、易損性和風險點，根據自動化監測數據，展開相應的狀態評估工作[4]。

4.6 用戶界面子系統

用戶界面子系統是人機交互的入口，通過搭建系統軟件平臺及UI 交互界面，實現橋梁基礎信息管理、橋梁各類監測數據展示、歷史數據查看、統計報表分析。該子系統具備以下功能：其一，具有地理信息系統（GIS）定位功能，三維可視化顯示橋梁健康監測情況；其二，在線實時查看，監測數據在線實時報警、提示。

5 結語

簡而言之，橋梁結構健康監測系統在養護管理決策方面有重要意義。交通運輸部已經將其作為“智慧交通”的重點項目，健康監測系統是當前的熱點研究領域，因此應繼續深入研究橋梁物聯網技術、養護管理體系、數據深挖掘傳感器研發等，不斷提高監測系統在管理養護工作中的應用價值。