大型橋梁結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)探索

郭 騫

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110111)

前言：我國(guó)目前擁有幾十萬(wàn)座橋梁，并且橋梁的數(shù)目每年都在增長(zhǎng)，但是，隨著橋梁的大量使用，橋梁的結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移而老化，而且橋梁每年受到的損傷的不斷積累，在橋梁上行走的車輛的逐漸增多，車輛的載重也在不斷的增大，這些狀況都在加速橋梁結(jié)構(gòu)的老化，同時(shí)，很少會(huì)有施工單位對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維修，使得現(xiàn)在的橋梁的結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來(lái)越不能夠滿足國(guó)家規(guī)定的質(zhì)量，橋梁結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題已經(jīng)逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注，并逐漸成為當(dāng)前最受交通管理部門重視的問(wèn)題之一，大型橋梁結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)明能夠讓人們更好的了解橋梁的受損傷和老化的情況，從而加大對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)和維修力度，保證橋梁的質(zhì)量。

1、建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要意義

結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，通過(guò)對(duì)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)能夠讓人們更好的了解橋梁結(jié)構(gòu)中各個(gè)部分的受損傷和老化的情況，從而更好的對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修。人們?cè)诤芫靡郧熬驼J(rèn)識(shí)到了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)的重要性，但是，當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展水平不足以滿足對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的目的，僅有的監(jiān)測(cè)方法也比較落后，使用的效果也不是很理想，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究人員一直沒(méi)有放棄對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，特別是在現(xiàn)在，人們?yōu)榱双@得更方便的交通環(huán)境，修建的橋梁工程都是大跨度的工程，每天在橋梁上行走的車輛數(shù)以萬(wàn)計(jì)，如果不能夠保證橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量就會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的事故，因此，建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有非常重要意義。首先，建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以合理地進(jìn)行交通管理，保證生命與財(cái)產(chǎn)的安全，比如說(shuō)可以在大風(fēng)天氣橋面振動(dòng)過(guò)大時(shí)關(guān)閉大橋，減少對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷。其次，建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的損傷監(jiān)測(cè)，對(duì)實(shí)橋結(jié)構(gòu)任何時(shí)候出現(xiàn)的損傷進(jìn)行定性、定位和定量分析以防患于未然，起到預(yù)警預(yù)報(bào)的作用。而且建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)出來(lái)的損傷進(jìn)行原因分析，并提供維修建議，還能夠在新建的結(jié)構(gòu)完工后使用前進(jìn)行安全驗(yàn)收測(cè)試，保證橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件，如強(qiáng)烈地震、意外大風(fēng)或其他嚴(yán)重事故之后能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)進(jìn)行剩余壽命評(píng)估。最后，監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)和分析結(jié)論對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造者來(lái)說(shuō)都是十分寶貴的資料，這些監(jiān)測(cè)資料可以提高人們對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，使得人們更好的完善大型橋梁的結(jié)構(gòu)[1]。

2、大型橋梁結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成方案分析

2.1橋梁結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其功能分析

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括智能傳感器子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集與處理及傳輸子系統(tǒng)，損傷識(shí)別與模型修正和安全評(píng)定子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。其中傳感器子系統(tǒng)為硬件系統(tǒng)，功能為感知橋梁結(jié)構(gòu)的荷載和效應(yīng)信息，并以電、光、聲、熱等物理量形式輸出，該子系統(tǒng)是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最前端和最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)。在對(duì)大型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)時(shí)，需要先使用智能傳感器子系統(tǒng)對(duì)所需要監(jiān)測(cè)的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，智能傳感器子系統(tǒng)就會(huì)將橋梁的各種信息輸出來(lái)，方便監(jiān)測(cè)人員更加方便的了解橋梁結(jié)構(gòu)的具體信息，既能夠省時(shí)省力，又能夠避免因?yàn)楸O(jiān)測(cè)人員對(duì)橋梁信息的不了解而做出錯(cuò)誤的判斷[2]。

損傷識(shí)別、模型修正和安全評(píng)定子系統(tǒng)是由損傷識(shí)別軟件、模型修正軟件和結(jié)構(gòu)安全評(píng)定軟件組成。在損傷識(shí)別、模型修正和安全評(píng)定子系統(tǒng)的運(yùn)用中，首先起到作用的就是損傷識(shí)別軟件，損傷識(shí)別軟件會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的整體進(jìn)行掃描，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分是否存在損傷，一旦發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)中存在損傷或者老化的情況，模型修正軟件就會(huì)對(duì)如何維修橋梁結(jié)構(gòu)的損傷的方案進(jìn)行評(píng)估，并找到最適合該橋梁結(jié)構(gòu)的維修方案，之后，安全評(píng)定軟件就會(huì)對(duì)當(dāng)前的橋梁結(jié)構(gòu)的安全水平進(jìn)行評(píng)定，如果只是輕微的損傷和老化，那么就只是簡(jiǎn)單的提醒監(jiān)測(cè)人員，而如果橋梁結(jié)構(gòu)的損傷和老化非常的嚴(yán)重，就會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)人員發(fā)出警告，提醒人們迅速的對(duì)橋梁進(jìn)行維修。同時(shí)損傷識(shí)別和模型修正以及安全評(píng)定的結(jié)果將能夠自動(dòng)存入數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中，并針對(duì)不同的橋梁建立不同的檔案，以便人們能夠很好的查詢?cè)摌蛄旱谋O(jiān)測(cè)的歷史，以及容易出現(xiàn)損傷和老化的原因及位置，從而更好的解決問(wèn)題。

2.2健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成方案分析

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)承擔(dān)著不同的功能，由不同的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成是指將系統(tǒng)內(nèi)不同功能的子系統(tǒng)在物理上、邏輯上、功能上連接在一起，以實(shí)現(xiàn)信息綜合和資源共享，提高系統(tǒng)維護(hù)和管理的自動(dòng)化水平及協(xié)調(diào)運(yùn)行能力。由于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成主要是通過(guò)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件的接口，因此，系統(tǒng)集成的問(wèn)題即具體為在某一通用軟件平臺(tái)上的各功能軟硬件之間的接口和調(diào)用問(wèn)題，這一通用軟件平臺(tái)稱為系統(tǒng)集成的“核心軟件”。在智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，因?yàn)閿?shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中存儲(chǔ)了所有的橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并將這些結(jié)構(gòu)統(tǒng)一存儲(chǔ)到了數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)需要自動(dòng)將這些監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分類，并合理完善的對(duì)其進(jìn)行管理，方便橋梁維護(hù)的管理者更好的了解橋梁的具體的受損傷的情況，從而做出最適合橋梁的維修方案。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的資料還是很好的建筑研究資料，橋梁建筑設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，找到橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷和老化的大部分原因以及在橋梁設(shè)計(jì)與施工中存在的不足的地方，從而在以后的橋梁設(shè)計(jì)中避免這些問(wèn)題，保證橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

2.3軟件集成技術(shù)

軟件集成主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是指各子系統(tǒng)軟件之間的接口、調(diào)用及合理的觸發(fā)機(jī)制，二是指各軟件同數(shù)據(jù)庫(kù)之間的接口、通訊。目前大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)已經(jīng)逐漸從網(wǎng)絡(luò)化向智能化轉(zhuǎn)變，更加方便操作，網(wǎng)絡(luò)化的軟件集成技術(shù)還需要操作人員通過(guò)使用計(jì)算機(jī)來(lái)操縱系統(tǒng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而智能化的軟件集成技術(shù)卻可以不需要操作人員下指令就能夠自動(dòng)的對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給橋梁結(jié)構(gòu)的管理者，更加方便對(duì)橋梁進(jìn)行隨時(shí)隨地的監(jiān)測(cè)。

3、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大型橋梁結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)對(duì)延長(zhǎng)大型橋梁的使用壽命，提高橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，減少大型橋梁在使用中的損傷和老化有著重要的意義。

[1]范峰；陳明；錢宏亮；金曉飛；沈世釗；；FAST健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理及集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究[A]；慶祝劉錫良教授八十華誕暨第八屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]；2011年。

[2]范峰；陳明；金曉飛；王化杰；王偉；永昕群；王林安；；滄州鐵獅子結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理及集成系統(tǒng)研究[A]；第二屆結(jié)構(gòu)工程新進(jìn)展國(guó)際論壇論文集[C]；2011 年。