基于3G無線網(wǎng)絡的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

舒昕+++向陽+++蘆亮+++沈翔

摘要：傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測中，通過人工巡檢或借助各種便攜式巡檢設備如位移計、傾角儀來對橋梁結(jié)構(gòu)進行分析和評估，耗費大量人力物力，且監(jiān)測結(jié)果精度不高、效率較低，沒有統(tǒng)一的規(guī)范。設計了一種基于3G無線網(wǎng)絡的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)代傳感通信技術(shù)采集橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)路由器匯總，再由3G無線模塊及時遠傳至中心控制系統(tǒng)，為橋梁維管養(yǎng)提供科學的決策依據(jù)，從而實現(xiàn)“橋梁主動養(yǎng)護”的先進理念。

關鍵詞： 3G技術(shù)；傳感器網(wǎng)絡；無線傳輸； 橋梁健康監(jiān)測

中圖分類號：TP301.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）01-0048-02

1 概述

橋梁是公路的咽喉，其安全性對國民經(jīng)濟有著至關重要的影響。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，橋梁工程無論在建造規(guī)模、設計理念還是施工方案上都有了質(zhì)的突破，國內(nèi)建橋技術(shù)更是躋身世界先進行列。隨著時間的推移，各類橋梁在運營過程中，由于材料老化、超載、腐蝕、疲勞及自然災害等因素，不可避免的會出現(xiàn)各類損傷現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)承載力與安全性大大降低[1]。據(jù)全國公路橋梁普查結(jié)果顯示，截止2011年底，全國危橋數(shù)量達9.35萬座，約占橋梁總數(shù)的15%[2]。近些年來發(fā)生的四川宜賓小南門橋、福建武夷山公館大橋等橋梁垮塌事故表明，建立安全有效的橋梁健康檢測與安全評估機制勢在必行。

目前，國內(nèi)大部分橋梁維管養(yǎng)工作仍以傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測為主，通過人工巡檢或借助傾角儀、應變計等便攜設備測量數(shù)據(jù)來對橋梁進行評估，這種方法雖然可行，但明顯存在不足之處：巡檢周期長，耗費大量人力物力；無法及時應對突發(fā)事件和及時提供橋梁維護依據(jù)；不能對橋梁整體性結(jié)構(gòu)狀態(tài)作出安全有效的評估；巡檢數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一標準和規(guī)范，難以大規(guī)模存儲，無法反應橋梁運營狀態(tài)的歷史規(guī)律；不能做到實時監(jiān)測，無法獲取損傷過程和橋梁結(jié)構(gòu)外部荷載[3]。

20世紀90年代以來，國內(nèi)對橋梁健康監(jiān)測工作日益重視，“主動養(yǎng)護”的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理念廣泛流行起來，先后在重大的橋梁安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，例如香港的青馬大橋、汀九大橋，重慶的馬桑溪大橋，上海徐浦大橋等[4]。基于無線網(wǎng)絡的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)因為其自組織性、低成本、便捷性、靈活性、監(jiān)測精度高等特點日益受到廣泛關注。

2 3G無線通信

3G指第三代蜂窩移動通信技術(shù)，它將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信相互結(jié)合。與2G相比，3G的系統(tǒng)容量更高，數(shù)據(jù)傳輸速率更大，在室內(nèi)、室外和行車環(huán)境中的傳輸速度分別能達到至少2Mbps、384kbps和144kbps以上，是2G傳輸速率的15倍以上[5]。它能在全球范圍內(nèi)更好的實現(xiàn)無線連接，能夠處理音樂、圖像、視頻等多種數(shù)據(jù)形式，提供瀏覽網(wǎng)頁、視頻語音聊天、流媒體等多種服務[5]。國際電信聯(lián)盟確定了3G的三大主流無線接口標準，分別是歐洲的W-CDMA（寬頻分碼多重存取技術(shù)）、美國的CDMA2000（多載波分服用擴頻調(diào)制技術(shù)）及中國的TD-SCDMA（時分同步碼分多址接入技術(shù)）。

目前，中國電信、中國移動及中國聯(lián)通均已投入運營了3G技術(shù)，對比如下：

表1 3G技術(shù)標準對比

由表1可見，基于W-CDMA技術(shù)標準的中國聯(lián)通3G無線網(wǎng)無論是上行速率還是下行速率都具有明顯的優(yōu)勢，高于現(xiàn)在的4M寬帶速度。

3 基于3G無線網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是以現(xiàn)代計算機技術(shù)、光電傳感技術(shù)、通信技術(shù)及高性能計算機系統(tǒng)為依托，通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，分析與評估橋梁承載能力與安全指標，為橋梁在日常運營、特殊氣候及嚴峻的交通環(huán)境下出現(xiàn)異常情況時及時觸發(fā)預警，最終提供科學的決策依據(jù)及高效的養(yǎng)護手段[6]。完整的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應該包含如下模塊：

1）傳感器子系統(tǒng)

主要由對大橋整體結(jié)構(gòu)動靜力進行測量的各類型傳感器組成：結(jié)構(gòu)動、靜力監(jiān)測傳感器主要監(jiān)測主梁撓度、結(jié)構(gòu)溫度、結(jié)構(gòu)應力及應變等參數(shù)，常用的有位移計、傾角儀、應變計等；運營荷載監(jiān)測傳感器主要監(jiān)測橋梁運營過程中各種可變荷載及變化過程，包括動態(tài)稱重傳感器和地震動及船舶撞擊傳感器等；環(huán)境監(jiān)測傳感器用于監(jiān)測橋梁所處的物理化學環(huán)境，包括溫濕度計，風速風向傳感器等；材料特性監(jiān)測類傳感器，用于監(jiān)測橋梁各部位構(gòu)件的使用情況，為耐久度評估提供原始數(shù)據(jù)，如銹蝕傳感器、裂縫傳感器和疲勞傳感器等。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

包括數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)采集層用于獲取傳感器的原始傳感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對多種信號源、不同物理信號的采集，并上傳至上層數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要包括信號調(diào)理設備、A/D轉(zhuǎn)設備及傳輸線纜等。數(shù)據(jù)傳輸層即數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，用于實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠程傳輸，主要包括工控機（現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集計算機）、光纖調(diào)制解調(diào)器、路由器、交換機及通訊傳輸光纜等。

3）數(shù)據(jù)控制與處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)控制與處理系統(tǒng)一般采用工作站或多臺服務器進行工作，主要在監(jiān)控中心及現(xiàn)場進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的校驗、結(jié)構(gòu)化存儲、管理、可視化以及對監(jiān)測采用的管控工作，能夠及時響應后續(xù)功能模塊對數(shù)據(jù)的請求。工作站（服務器集群）與前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)形成一個整體的計算機網(wǎng)絡，通過相應的分析軟件，對前端數(shù)據(jù)進行工程量轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預處理，并能按照既定公式對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行基本的統(tǒng)計運算，以顯示相應信息。

4）中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理后的規(guī)范化數(shù)據(jù)被構(gòu)造成既定的某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式存儲起來，形成描述橋梁狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)庫。中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除了直接服務于監(jiān)測系統(tǒng)，為橋梁的健康狀況評估提供依據(jù)，為監(jiān)測工作提供病害數(shù)據(jù)的查詢、檢索等功能，還存儲了反應橋梁健康狀況的結(jié)構(gòu)參數(shù)的“歷史”演變記錄，如基礎沉降、徐變等。

5）橋梁結(jié)構(gòu)預警與評估子系統(tǒng)

橋梁結(jié)構(gòu)預警與評估子系統(tǒng)通常由工作站或服務器集群組成，通過數(shù)據(jù)挖掘、計算分析、損傷識別、對比歷史數(shù)據(jù)及人工智能算法對橋梁提供預警及橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析評估，最終形成正式的橋梁健康狀態(tài)報告。

圖1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

如上圖1所示，傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、傳輸子系統(tǒng)把采集到的原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制與處理子系統(tǒng)，經(jīng)過初步的數(shù)據(jù)預處理及標準化后，存儲到中心數(shù)據(jù)庫，一方面作為橋梁結(jié)構(gòu)預警和評估的信息依據(jù)，另一方面作為橋梁歷史數(shù)據(jù)庫保存下來。

3.2 無線傳輸模塊

根據(jù)前文所述，支持W-CDMA技術(shù)標準的3G無線通信網(wǎng)絡在傳輸速度上具有無可比擬的優(yōu)勢，故選用華為的em770模塊系列[]，自帶TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)支持AT命令，能夠提供豐富的數(shù)據(jù)傳業(yè)務服務。如下圖2所示，為em770w無線模塊的應用框圖[7]。

圖2 3G無線模塊應用框圖

EM770W無線接口模塊的接口形態(tài)為通用Mini PCI Express接口，可通過使用232類芯片與標準RS-232-C的接口連接，能外接接口電平為3.0V或1.8V的USIM卡，并提供一路高速USB 2.0接口，和驅(qū)動配合，可以在PC機上映射端口[8]。

整個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)由傳感層、網(wǎng)關層和中央控制層組成，3G無線傳輸模塊在其中啟到承上啟下的作用，負責把從傳感層接收來的數(shù)據(jù)通過無線與互聯(lián)網(wǎng)相連，繼而傳到控制中心和各種終端。其中傳感層由傳感器子系統(tǒng)及采集傳輸子系統(tǒng)構(gòu)成，包括各種類型的傳感器及其組成的傳感網(wǎng)絡、各種采集傳輸設備，中央控制層即中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和預警評估子系統(tǒng)，包括各種應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、Web服務器等，如圖3所示。

圖3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

3.3 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)已成功應用于長江水系的橋梁。其中一座橋梁上共安裝傳感器120個，通過光纖及網(wǎng)線實現(xiàn)了各個采集單元的網(wǎng)絡互連，從應用結(jié)果看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲和3G無線傳輸均穩(wěn)定可靠。

圖4 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)索力監(jiān)測界面

圖4為健康監(jiān)測系統(tǒng)的索力監(jiān)測界面，每根索的索力采樣頻率為1/30HZ，可以看出，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，所有索力值均被傳輸 （下轉(zhuǎn)第59頁）

（上接第49頁）

至中心控制層，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后繪制成索力曲線，索力值均保持在紅色閾值之類有規(guī)律的來回變化。變化的因素可能源于活載大小和位置變化、風向風速變化等因素，索力來回變化是導致斜拉索疲勞破損的直接原因，因此對時變索力的實時監(jiān)測，是橋梁健康監(jiān)測中的重要環(huán)節(jié)。

4 總結(jié)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不只是在傳統(tǒng)的橋梁巡檢技術(shù)上做簡單改進，而是運用現(xiàn)代計算機技術(shù)、傳感通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)對橋梁在整個生命周期中的各種參數(shù)進行采集并匯總，通過人工智能算法在線演算、與歷史數(shù)據(jù)對比，分析出橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)和可靠性，為橋梁維管養(yǎng)提供科學的決策依據(jù)。相較于現(xiàn)行的有線網(wǎng)絡橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，基于3G無線網(wǎng)絡的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝更方便、部署更靈活且維護成本更低，在未來的市場上應用前景廣闊[9]。

參考文獻：

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