基于5G 技術(shù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探析

盧露

摘要：文章以南寧大沖邕江特大橋?yàn)橹饕芯繉?duì)象，分析5G技術(shù)在特大城市橋梁中應(yīng)用的意義，科學(xué)設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案，研究項(xiàng)目技術(shù)的創(chuàng)新成果。同時(shí)，將5G技術(shù)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)相互結(jié)合，準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷和狀態(tài)評(píng)估，再從環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等方面進(jìn)行檢驗(yàn)，保證項(xiàng)目實(shí)施效果達(dá)到預(yù)期要求。

關(guān)鍵詞：5G；橋梁監(jiān)測(cè)；特大橋；前端智能算法

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044（2023）29-0106-02

近年來我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)，各類新型橋梁也層出不窮，不斷刷新世界紀(jì)錄。為加強(qiáng)橋梁監(jiān)測(cè)管理，2019年交通運(yùn)輸部提出在2025年底前建設(shè)完整的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)督系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括跨江、跨海、跨峽谷等橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)督系統(tǒng)。但從目前橋梁應(yīng)用情況來看，各種外在因素的影響，降低了橋梁整體承載力，影響了橋梁的使用。因此，科學(xué)評(píng)估橋梁實(shí)際使用狀態(tài)，提高橋梁使用性能，延長(zhǎng)橋梁使用年限，是目前交通運(yùn)輸管理部門、橋梁設(shè)計(jì)企業(yè)等單位急需解決的問題。針對(duì)該種情況，相關(guān)企業(yè)要將5G技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，以 5G 網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低延遲、大連接等特點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合BIM三維建模技術(shù)，建立橋梁三維時(shí)空可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位形變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)安全預(yù)警、綜合項(xiàng)目管理，科學(xué)評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，提高橋梁管理的信息化水平，從而降低城市橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)城市橋梁使用年限[1]。

1 工程概況

南寧大沖邕江特大橋處于南寧外環(huán)，是典型的公路項(xiàng)目工程，整個(gè)橋梁長(zhǎng)度為888米，是現(xiàn)今廣西跨徑最高的塔混凝土斜拉橋，主橋共設(shè)置三跨，呈現(xiàn)高低塔混凝土斜拉橋風(fēng)格，北岸塔高度高于南岸塔高度，實(shí)際高度為138m。該特大橋主橋?yàn)镠型，根據(jù)上寬下窄原則設(shè)計(jì)斜拉索面，進(jìn)一步優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)格。項(xiàng)目在特大橋部署2個(gè)塔頂橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1個(gè)跨中監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1個(gè)橋邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)、4個(gè)高清攝像頭，通過5G網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具備高精度定位監(jiān)控能力和視頻監(jiān)控能力，8月已通過交科集團(tuán)驗(yàn)收，實(shí)測(cè)精度達(dá)到毫米級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)率超過99%，定位精度、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送及時(shí)性和穩(wěn)定性都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 基于5G 技術(shù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)城市橋梁的意義

2.1 5G 技術(shù)概述

5G技術(shù)對(duì)比前四代技術(shù)來說，其傳輸速度更快，遠(yuǎn)超第四代技術(shù)，只需要幾分鐘就能下載大型游戲。5G技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線技術(shù)相互結(jié)合，全面提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。其中無線技術(shù)最常用多載波技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)、多天線技術(shù)等，能有效提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性，加快傳輸速度。同時(shí)，其能設(shè)置大量天線，實(shí)現(xiàn)一個(gè)視頻資源多終端客戶使用，有效提高空間分辨率，減少外部沖擊。而應(yīng)用全雙工技術(shù)，能增強(qiáng)頻譜應(yīng)用的靈活性，防止資源浪費(fèi)，提高5G技術(shù)效率。在應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，能突破4G通信技術(shù)限制，使用戶得到良好的使用體驗(yàn)，無論終端用戶所處位置在何地，均能夠做到快速連接。目前，5G 技術(shù)能滿足用戶實(shí)際需求，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，讓終端不局限于手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)智能手表、手環(huán)聯(lián)網(wǎng)。在研發(fā)過程中對(duì)于耗電問題會(huì)更加重視，5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)于電池的續(xù)航能力有一定要求。

2.2 應(yīng)用意義

在橋梁的使用階段，由于受到各種外在因素影響，如環(huán)境侵蝕、材料老化、維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩兀瑢?dǎo)致橋梁荷載出現(xiàn)疲勞效應(yīng)，很容易使橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，難以抵抗自然災(zāi)害影響，無形中增加橋梁結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生概率。而將基于5G技術(shù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用到城市橋梁監(jiān)測(cè)方面，基于5G的Bridge 安全監(jiān)測(cè)技術(shù)將以傳感器技術(shù)、5G通信技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)為核心，進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)內(nèi)容，促進(jìn)橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)向智能化方向發(fā)展。

首先，工作人員要全面分析被監(jiān)測(cè)橋梁的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，選擇對(duì)應(yīng)的傳感器，將傳感器監(jiān)測(cè)和人工定期檢測(cè)相互結(jié)合，動(dòng)態(tài)監(jiān)督橋梁運(yùn)行狀況，一旦橋梁出現(xiàn)異常問題，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)督橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

其次，對(duì)于橋梁安全監(jiān)督系統(tǒng)布線難度較高的問題，工作人員要優(yōu)化傳統(tǒng)電纜光纖敷設(shè)方式，結(jié)合5G 技術(shù)特征，全面采集各種數(shù)據(jù)，將其傳輸?shù)皆破脚_(tái)，有利于工作人員實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)內(nèi)容。同時(shí)，要使用5G 技術(shù)高帶寬、低時(shí)延、連接速度快等特征優(yōu)勢(shì)，縮短日常橋梁數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，進(jìn)一步拓展傳感器擴(kuò)容需求。

最后，要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用各種IT技術(shù)全面分析數(shù)據(jù)內(nèi)容，全方位監(jiān)督橋梁健康性能指標(biāo)。同時(shí)，要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的開放屬性，有效解決橋梁監(jiān)督信息孤島問題，實(shí)時(shí)監(jiān)督系統(tǒng)信息各方面數(shù)據(jù)，如氣象預(yù)報(bào)、地質(zhì)災(zāi)害、交通管制、橋梁運(yùn)行數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，將其和IT數(shù)據(jù)、OT數(shù)據(jù)相互連接，構(gòu)建健全的橋梁一體化監(jiān)管平臺(tái)，進(jìn)一步完善橋梁健康模型，促進(jìn)橋梁安全監(jiān)控向數(shù)字化方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警和分析的作用，幫助制定合理的解決措施，避免安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

3.1 基于有限元模型分析

在模擬邊界條件時(shí)，要真實(shí)模擬雙向活動(dòng)支座和單向活動(dòng)支座，通過C50混凝土建設(shè)橋塔和主梁，車道設(shè)置為雙向6 車道，斜拉索的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度控制在1670MPa，與設(shè)計(jì)圖紙基本一致。同時(shí)，選擇斜拉橋損傷的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)有限元模型分析，發(fā)現(xiàn)主跨中、四分點(diǎn)和邊跨中豎向位移距離較大，在活載和恒載作用下安裝擾度測(cè)點(diǎn)，因此在主跨中、四分點(diǎn)和邊跨中橋塔塔頂和主梁末端位置由于溫度因素變形幅度較大，通過主梁兩端進(jìn)行縱向移位監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)特征，與工程實(shí)際監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合[2]。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置方案

在儀器設(shè)備的設(shè)置上，應(yīng)遵循以下原則：1） 根據(jù)大橋構(gòu)造監(jiān)測(cè)要求，對(duì)橋梁構(gòu)造型式、傳感器特征、監(jiān)測(cè)指標(biāo)等進(jìn)行綜合分析；2） 結(jié)合監(jiān)測(cè)目的和功能要求，如所要記錄響應(yīng)數(shù)量、監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)，預(yù)估結(jié)構(gòu)響應(yīng)；3） 通過結(jié)構(gòu)對(duì)稱性原則，控制冗余度；4） 優(yōu)化測(cè)點(diǎn)分析結(jié)果；5） 綜合分析采集通信方案，合理控制網(wǎng)關(guān)設(shè)置數(shù)量（如圖1所示）；6） 全面分析大橋結(jié)構(gòu)，合理降低施工給橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響程度，且不能改變結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)；7） 在選擇監(jiān)測(cè)位置時(shí)，要綜合考慮設(shè)備更新便捷性，延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間。

4 項(xiàng)目技術(shù)成果的先進(jìn)性和創(chuàng)新性

4.1 提出傳感器前端智能算法

創(chuàng)新振動(dòng)數(shù)據(jù)功率譜算法，準(zhǔn)確計(jì)算出振動(dòng)頻點(diǎn)和階數(shù)，利用云平臺(tái)直接優(yōu)化索力計(jì)算結(jié)構(gòu)，構(gòu)建健全的有限元參數(shù)化模型。并對(duì)精確計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化，得到了精確索力計(jì)算公式。該方法可以將前端智能算法與傳感器實(shí)時(shí)分析相結(jié)合，對(duì)服務(wù)器進(jìn)行傳輸，有效提升計(jì)算準(zhǔn)確性，降低傳感器能量消耗[3]。

4.2 構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)損傷成因智能識(shí)別方法

1） 科學(xué)分析大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)控計(jì)劃，合理利用撓度、轉(zhuǎn)角變形等數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)反應(yīng)輸出值，全面分析服役性能退化因素，如結(jié)構(gòu)剛度退化、構(gòu)件節(jié)點(diǎn)損傷等數(shù)據(jù)，將單一結(jié)構(gòu)損傷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)期輸入值。建立特殊橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，形成基于橋梁結(jié)構(gòu)損傷的X紋樣本數(shù)據(jù)庫；2） 利用無線智能傳感器，可以在主要位置上觀察到結(jié)構(gòu)響應(yīng)；3） 應(yīng)用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，學(xué)習(xí)橋梁結(jié)構(gòu)樣本數(shù)據(jù)庫，以實(shí)際橋梁響應(yīng)為載體，計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)各種損傷參數(shù)權(quán)重，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)損傷關(guān)鍵影響因素，準(zhǔn)確判斷其對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)性能帶來的影響程度[5]，

4.3 實(shí)現(xiàn)跨鐵路橋梁的混合監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

本文通過分析上述大橋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖紙，建立有限元模型，取得動(dòng)力和靜力控制方程。但因受到外在因素影響，要計(jì)算出高階欠定偏微分成本，必須選擇合適位置安裝傳感器，找到適合跨鐵路橋梁施工的欠定方程計(jì)算方法，得到結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)。

4.4 面向跨鐵路橋梁建模和修正

通過數(shù)字孿生建設(shè)新型混合監(jiān)測(cè)技術(shù)，要積極建設(shè)健全的有限元模型，全面采集各種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。但值得注意的是，在建設(shè)模型時(shí)，要注意多樣化因素，如結(jié)構(gòu)邊界、條件、跨尺度處連接方式、單元?jiǎng)澐中问降纫蛩亍１疚囊阅蠈幋鬀_邕江特大橋?yàn)橹饕芯繉?duì)象，計(jì)算跨鐵路橋梁模型修正數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化建模流程，全面提高數(shù)據(jù)精確度，有效簡(jiǎn)化多尺度有限元模型，全面提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確度。

4.5 準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

在監(jiān)控橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，損傷識(shí)別難度系數(shù)較高，主要原因?yàn)閭鞲衅鲾?shù)量較少，很難掌握局部損傷所產(chǎn)生的微小結(jié)構(gòu)變化。而通過應(yīng)用混合監(jiān)測(cè)技術(shù)，能進(jìn)一步拓展數(shù)據(jù)內(nèi)容，有效解決上述問題，深度挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)容，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。同時(shí)，能豐富信息內(nèi)容，進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別工作和損傷識(shí)別，給橋梁運(yùn)維工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 項(xiàng)目實(shí)施效果

5.1 項(xiàng)目成果影響

該項(xiàng)目的成果主要包括：1） 通過大橋運(yùn)營(yíng)安全預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)督全國(guó)大跨徑跨鐵路橋結(jié)構(gòu)，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全；2） 為功能部門采取相應(yīng)的措施提供決策基礎(chǔ)，防止發(fā)生嚴(yán)重安全事故，具有較強(qiáng)的社會(huì)效益；3） 有效提升大橋耐受力，延長(zhǎng)其使用壽命，防止拆舊建新，降低對(duì)環(huán)境的影響。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

該系統(tǒng)利用有限元模型分析機(jī)制，從大橋監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中快速形成信息分析評(píng)價(jià)結(jié)果，通過日?qǐng)?bào)、季報(bào)、年報(bào)、自定義等方式向有關(guān)部門進(jìn)行報(bào)備，幫助有關(guān)部門及時(shí)了解大橋情況，有效解決人工巡視、經(jīng)驗(yàn)判斷等方面的局限性。不僅能夠滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的需要，又不需要增加專業(yè)機(jī)構(gòu)評(píng)估次數(shù)和成本，就能得到各種數(shù)據(jù)資源，提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)類型，觸發(fā)安全報(bào)警功能，提高工作人員風(fēng)險(xiǎn)防控的便捷性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)，及時(shí)控制各種緊急情況[6]。

5.3 環(huán)境效益

和傳統(tǒng)人工巡檢方式相比，在利用無線智能傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，具有較強(qiáng)的時(shí)效性，能進(jìn)一步降低外線布設(shè)時(shí)間，合理控制施工對(duì)橋梁附近環(huán)境的影響。同時(shí)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)體表面安裝模式，不會(huì)影響到結(jié)構(gòu)本體安全性能，能有效降低其對(duì)市容市貌的影響程度[7]。

6 總結(jié)

綜上所述，基于5G技術(shù)的大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)不僅能滿足橋梁監(jiān)控要求，還可以在不同區(qū)域?qū)Υ髽蚪Y(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，為國(guó)家公共基礎(chǔ)設(shè)施安全管理提供各種數(shù)據(jù)，有效支持事故和災(zāi)害應(yīng)急，延長(zhǎng)公共基礎(chǔ)設(shè)施使用壽命，實(shí)現(xiàn)全生命周期管理，全面提高公共基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

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【通聯(lián)編輯：張薇】