基于BIM的橋梁結構信息化監測硬件系統研究

摘 要：針對傳統橋梁監測方法下存在的硬件監測設備落后、信息化水平不足、數據傳輸慢等問題，基于BIM技術對橋梁監測硬件系統進行優化設計。從橋梁結構監測的實際情況出發，分析傳感設備和數據采集設備的工作原理，進而合理配置硬件設備；利用物聯網技術搭建信息化監測系統并將其應用于實際工程項目中。實際應用效果表明：文中以物聯網系統集成的方式實現了橋梁結構的實時監測，并且基于BIM技術提供了可視化的監測數據和智能化的決策支持。

關鍵詞：橋梁監測；BIM技術；智能硬件；傳感器；數據傳輸；可視化

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.014

0 引 言

橋梁是交通運輸和城市發展的重要組成部分，確保橋梁結構的安全性和穩定性尤為重要[1]。目前，傳統橋梁監測方法仍存在一些缺陷，如硬件設備落后、數據實效性不足、數據傳輸慢等[2-3]。因此，如何運用先進的技術手段實現對橋梁結構的全方位、實時的監測，成為該領域的研究熱點之一[4]。

本文基于BIM技術對橋梁監測硬件系統進行優化設計，以信息化手段為橋梁監測蓄力賦能。

1 系統設計與實現

1.1 系統硬件架構

對橋梁安全性能的評判離不開結構監測數據的支撐，而獲得監測數據的基礎在于硬件設備的穩定運行[5]。本文在橋梁的不同位置設置不同類型的傳感器用于感知橋梁狀態，采用多通道數據采集器獲取傳感器數據，選取無線數據傳輸模塊DTU將數據以4G網絡無線傳輸的方式傳至云端，進而實現遠程數據的獲取。系統硬件架構如圖1所示，主要包含傳感設備、采集設備、無線傳輸單元和儲電供電系統4部分。

1.2 傳感設備

當前橋梁監測領域中應用的傳感器類型主要包括電阻式傳感器、振弦式傳感器、光纖光柵傳感器。

電阻式傳感器可以將應力、位移、荷載等力學參數的變化轉變為電阻值的變化，進而實現非電物理量向電物理量的轉換[6]。電阻式傳感器具有靈敏度高、體積小、精度高、價格低廉等優勢，目前生產技術成熟，被廣泛應用于各種結構試驗中。但其易受電磁、輻射、氣壓、氣流、聲壓等因素的影響，且可靠性不夠高，隨著時間、環境的變化會產生較大的時漂、溫漂，因此不適用于長期監測。

振弦式傳感器的工作原理是通過鋼弦振動頻率的變化量表征受力的大小。振弦式傳感器具有結構簡單、耐振動、抗電磁干擾能力強的特點，目前生產技術已經成熟，產品使用壽命逐漸延長，測量性能優良，幾乎不受信號線長度的影響，因此非常適合長距離、長時間的監測，是當前橋梁監測應用中的主流產品。

光纖光柵傳感器是一種波長調制型傳感器，它通過測量和響應由外界物理量（如溫度、壓力、應變等）引起的光纖光柵中布拉格波長的變化來獲取傳感信息。采用光纖光柵傳感器進行橋梁監測時，橋梁結構的應變和溫度的變化都會引起布拉格波長的變化，通過監測反射波長便能夠實現對結構應變和溫度的監測。由于光纖光柵傳感器利用光信號進行信息傳遞，因此其突出優勢在于其電絕緣性和抗電磁干擾性強。但光纖為脆性材料，對運輸和安裝過程的要求較高。橋梁監測項目的現場環境一般較復雜，極易造成光纖材料損壞，一旦光纜出現斷點就需要專業人員熔接；其次傳感器在實際應用中的監測精度與理論精度相差較大，傳感器與結構之間的固定方式問題目前還沒有得到很好的解決；再者我國在光纖類傳感器技術方面的研究還不成熟，進口設備價格昂貴，應用成本較大。

綜合比較，本文選擇振弦式傳感器對橋梁的主要參數進行監測。

1.3 采集設備

傳感器能夠將非電信號轉變為電信號，但計算機并不能直接識別這種電信號，因此完成傳感設備的選型后，要依據所選傳感設備匹配數據采集模塊。數據采集模塊的主要功能是利用數據采集器將傳感器傳遞的電信號轉換為計算機可識別的電信號。目前數據采集器按照接口方式可分為USB、PCI、PCIE、PXI、PXIE、RS 232、RS 485等類型。其中USB接口類型適合小規模的系統集成及實驗室應用；PCI、PCIE、PXI、PXIE接口類型適合大規模的集成應用；RS 232、

RS 485接口類型適用于遠距離、分布式場景，RS 485是基于RS 232標準發展而成的具有高接收靈敏度和強抗干擾能力的串行接口技術[7]。

本文考慮橋梁項目特征并結合所選主要傳感器類型，選擇RS 485接口形式的多通道弦式數據綜合采集器作為主要的數據采集設備，其工作原理如圖2所示。當監測因素發生變化時會使振弦受力發生變化，從而改變振弦的固有頻率，此時激勵信號產生模塊會產生激勵信號，并通過激勵線圈激發振弦振動；檢測模塊通過感應線圈檢測出振弦頻率，時基與控制模塊對頻率波形進行分析處理；存儲模塊對數據進行儲存與保護；最后系統通過通信模塊將分析計算后的數字信號向上位機傳遞。

1.4 無線傳輸單元

隨著無線網絡技術的興起，無線傳輸技術被廣泛應用到各行各業，其具有設備安裝方便、性價比高、靈活性強等優勢。現階段越來越多的行業監測采集系統中更傾向于采用無線傳輸方式[8-9]來建立監測采集點與數據監測中心之間的

連接。

常用的無線傳輸技術包括藍牙、紅外、RFID、WiFi、ZigBee、移動通信技術（GRPS、3G、4G、5G），以及2.4 GHz

和433 MHz等頻段上的通信技術[10]。橋梁多建于野外，適合采用傳輸數據量大、易接入、傳輸距離不受限制、可跨區域的無線傳輸技術。因此，本研究采用具有GSM功能、依托4G移動通信技術的無線數據傳輸模塊DTU作為主要的無線傳輸手段，實現橋梁數據采集器和云服務器的雙向通信，如圖3所示。

系統通過數據采集器獲取各個測點上傳感器的數據，DTU將數據采集器中的數據通過無線網絡傳輸給云服務器，云服務器對接收的數據作進一步處理。該過程的具體工作方式可分為以下兩種：

（1）主動發送工作方式：是指通過上位機直接設置一次數據采集器為定時自動采集模式或云服務器下發一次定時自動采集命令給數據采集器，這時數據采集器將定時自動采集數據并將數據通過DTU無線傳輸給云服務器，云服務器只須接收、讀取數據即可。

（2）被動發送工作方式：是指云服務器發送讀取命令給數據采集器，數據采集器讀取傳感器數據，并將數據通過DTU無線傳輸給云服務器，云服務器再讀取數據，每次讀取數據都是云服務器先發起并經歷這個過程。

本文采用被動發送工作方式，云服務器定時發讀取命令給數據采集器，這樣采集頻率可由云服務器上的采集程序決定，便于根據實際情況進行控制和調整。

1.5 儲電供電系統

監測現場傳感設備、采集設備的穩定運行離不開供電系統的支持，但大部分橋梁項目所處環境都缺乏必要的基礎供電設施。如果依靠地方供電線路，采取遠距離架設電纜的方式，不但會產生高昂的成本，還存在后期維護難的問題。利用太陽能供電系統則可以有效解決上述問題。

太陽能供電系統的核心是太陽能板，位于太陽能板上的半導體材料能夠將太陽能轉化為電能，進而實現太陽能供電。本文設計的太陽能供電系統將太陽能轉化為電能儲存于蓄電池中，以蓄電池作為電源向硬件設備提供電能，同時蓄電池中儲存的電能也能保證夜間或陰雨天氣下設備正常運行，如圖4所示。太陽能供電系統具有供電效率高、成本低、性能穩定、環保等優勢。

1.6 系統運行架構

系統運行架構關乎數據處理效率、可擴展性、可靠性、安全性等方面。本文的系統運行架構如圖5所示，主要分為基礎平臺層、采集層、服務層、應用層4部分。基礎平臺層包括云服務平臺、網絡、存儲、數據應用、Web應用；采集層主要包括物聯網系統和太陽能供電系統，其中具體包括傳感設備、采集設備、無線傳輸設備、供電設備等；服務層包括系統所具備的功能，如數據采集、數據接收、數據存儲等，以及為用戶提供的數據查詢、設備控制、組織管理等功能；應用層實現了跨平臺兼容，如在PC端、H5移動端均可訪問。

2 工程應用

2.1 BIM模型構建

利用Revit軟件按照橋梁設計信息建立精細化BIM模型，通過廣聯達BIMFACE輕量化引擎對模型進行輕量化處理，如圖6所示。處理后的模型具有體積小、加載速度快等優勢。最后將模型文件的ID及秘鑰載入監測系統中，實現跨平臺信息融合。

2.2 硬件設備安裝調試

現場安裝硬件設備后通過無線傳輸模塊接入系統中，將硬件設備與BIM模型進行關聯，實現對橋梁結構的實時可視化監測，如圖7所示。系統還集成了阿里云短信平臺，如遇到異常情況可以通過平臺預警和短信提醒的方式通知相關負責人，如圖8所示，以便負責人可以及時做出反應，排查安全隱患，為橋梁結構安全保駕護航。

3 結 語

本文結合傳感器、通信網絡和BIM技術，對橋梁監測硬件設備進行優化設計，實現了對橋梁結構的全方位監測。實際應用結果表明：該系統可以實時獲取橋梁結構的監測數據，并準確判斷橋梁的安全狀況，具有較高的監測準確性和可行性，這為橋梁維護提供了有效的數據支持。

參考文獻

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收稿日期：2023-08-31 修回日期：2023-09-29

作者簡介：任鵬程（1973—），男，高級工程師，研究方向為鐵路建設管理。