橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)及智能預(yù)警技術(shù)研究

張 萍 張笑塵 賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)及智能預(yù)警技術(shù)研究

張 萍 張笑塵 賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

根據(jù)現(xiàn)有公路網(wǎng)中、小橋梁居多的特點(diǎn)，從實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)可視、可測(cè)、可控的角度出發(fā)，研發(fā)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和低成本的公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)用智能監(jiān)測(cè)及安全預(yù)警系統(tǒng)，分析總結(jié)了可行性的研究方向，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了理論基礎(chǔ)。

安全診斷技術(shù)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)，區(qū)域公路網(wǎng)

0 引言

現(xiàn)如今我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，一般公路和全國(guó)8 700 km高等級(jí)公路上的中、小橋、立交橋大量修建。據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)，2014年年底，全國(guó)共有公路橋梁75.71萬(wàn)座。它們構(gòu)成了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈之一[1]。

近年來(lái)，大部分橋梁逐漸進(jìn)入到老化期，保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、完整性和適用性無(wú)疑是非常重要的。顯然，以往無(wú)損探傷和人工視察的傳統(tǒng)檢測(cè)已經(jīng)不能滿足橋梁工程的要求。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)值模擬、損傷識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康損傷診斷技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于持續(xù)提供橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和響應(yīng)的可靠信息；識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)中的缺陷、劣化和損傷；評(píng)估損傷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力和可靠性的影響；為橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)和維修決策提供超載和損傷的警告信息等方面。

1 現(xiàn)有的研究成果綜述

橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)器性能要求是非常苛刻的。因此，區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全監(jiān)控問(wèn)題亟待解決，但直到光纖智能傳感技術(shù)，無(wú)線傳感及射頻識(shí)別技術(shù)取得突破性進(jìn)展后，傳感技術(shù)才進(jìn)入到工程應(yīng)用階段。

1.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與射頻識(shí)別技術(shù)

近年來(lái)，微電子機(jī)械系統(tǒng)、無(wú)線通信和數(shù)字電路技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了小尺寸無(wú)線傳感器的發(fā)展。加州大學(xué)伯克利分校利用傳感器和無(wú)線通信技術(shù)對(duì)大型建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)包括無(wú)線擴(kuò)頻通信調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)通信軟件和傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器。

此后，Mitchell對(duì)集成有微控制器、傳感器和射頻(收/發(fā))模塊的無(wú)線傳感器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。Bennett等人將無(wú)線通訊技術(shù)應(yīng)用到高速公路路面的應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)中來(lái)預(yù)測(cè)路面的剩余疲勞壽命。J.P. Lynch和K. H. Law在組無(wú)線傳感器中嵌入了簡(jiǎn)單的信號(hào)處理算法，同時(shí)利用有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)校驗(yàn)無(wú)線傳感組塊的各功能[2]。

近年來(lái)在國(guó)內(nèi)學(xué)者中，歐進(jìn)萍教授基于海洋平臺(tái)提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸、管理和存儲(chǔ)[2]；歐進(jìn)萍和李宏偉等針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將研制的新型超高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了深圳地王大廈的環(huán)境噪聲和加速度響應(yīng)[3]。

1.2 結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全診斷技術(shù)

對(duì)于大跨復(fù)雜結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，如何利用采集的結(jié)構(gòu)信息，確定結(jié)構(gòu)的安全狀況并進(jìn)行預(yù)警，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心和目標(biāo)。

1)考慮各種不確定性因素影響的結(jié)構(gòu)有限元模型修正技術(shù)是有效診斷現(xiàn)役橋梁工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的基礎(chǔ)。在橋梁結(jié)構(gòu)的有限元建模及模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中存在著參數(shù)不確定性。因此，研究考慮不確定性因素影響的結(jié)構(gòu)有限元建模方法是精確建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的迫切需要。通過(guò)模糊理論可以研究不確定性因素對(duì)結(jié)構(gòu)建模的影響規(guī)律。同時(shí)，基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有限元模型修正方法可以進(jìn)行大量的反復(fù)試算。因此，基于模糊有限元模型修正的結(jié)構(gòu)建模方法成為該研究的有效途徑，該方法分為直接修正方法和迭代修正方法。a.直接修正方法。此類(lèi)方法計(jì)算量少，耗時(shí)短，不存在求解發(fā)散的情況。但是，修正結(jié)果并不具有明確的物理意義，修正后的結(jié)構(gòu)矩陣通常不再具有帶狀、稀疏的特點(diǎn)。此類(lèi)方法主要有最優(yōu)矩陣法、特征結(jié)構(gòu)分配法等。其中，最優(yōu)矩陣法就是通過(guò)直接修正結(jié)構(gòu)的整體剛度、質(zhì)量矩陣達(dá)到修正的目的，但是修正后的結(jié)構(gòu)矩陣通常不再滿足結(jié)構(gòu)相聯(lián)性的要求。特征結(jié)構(gòu)分配法修正結(jié)果更加精確，但存在以下缺點(diǎn)：計(jì)算量通常較大；實(shí)際中結(jié)構(gòu)輸入、輸出矩陣的完備性要求較高；修正后的剛度矩陣不再滿足半正定的要求。b.迭代修正法。迭代修正法修正參數(shù)的選擇更加靈活，容易保證修正后模型的物理意義。但搜索全局最優(yōu)解和過(guò)程耗時(shí)大的問(wèn)題亟待解決[4]。此類(lèi)方法主要包括：基于靈敏度的修正方法；基于概率統(tǒng)計(jì)的修正算法；基于頻響函數(shù)的修正方法；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的修正方法?，F(xiàn)有的修正方法應(yīng)用于實(shí)際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這是由于：在建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型過(guò)程中存在不確定性的誤差；結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)本身具有的變異性；測(cè)試過(guò)程中各種噪聲及人為因素的干擾和不完備的模態(tài)參數(shù)。因此，傳統(tǒng)的修正方法不能保證結(jié)構(gòu)有限元模型的準(zhǔn)確性。

2)基于數(shù)據(jù)的新型結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)是診斷現(xiàn)役橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的有效途徑。結(jié)構(gòu)整體損傷識(shí)別方法是基于振動(dòng)的“動(dòng)態(tài)”檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。20世紀(jì)90年代末，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室對(duì)大型工程的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)水平的研究結(jié)果表明，基于環(huán)境激勵(lì)輸出的大型結(jié)構(gòu)整體損傷識(shí)別方法，是獲取結(jié)構(gòu)整體劣化狀態(tài)的重要途徑。2001年在第19屆IMAC會(huì)議上討論出利用環(huán)境激勵(lì)輸出信息識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷是結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要研究方向的結(jié)論。結(jié)構(gòu)整體損傷識(shí)別研究經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段[5]：第一階段是僅用識(shí)別的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)確定結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)；第二階段是對(duì)識(shí)別的模態(tài)參數(shù)與損傷特征用概率模型進(jìn)行描述，更加符合結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)際狀況；第三階段是基于模型修正的損傷識(shí)別方法，將有限元方法加入損傷識(shí)別之中，強(qiáng)調(diào)了識(shí)別方法的定位能力。

3)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度理論是分析現(xiàn)役橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的可靠保障。由于長(zhǎng)時(shí)間多種不利因素的耦合作用，橋梁中受損傷的關(guān)鍵部位的突然破壞會(huì)導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度理論是避免橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生重大事故的重要理論基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的分析方法可以分為失效模式法和穩(wěn)定構(gòu)形法。當(dāng)前系統(tǒng)可靠度理論主要研究失效模式法，該方法可以分為兩大類(lèi)[6]：一類(lèi)是確定性極限狀態(tài)搜索法，主要特征是以構(gòu)件的受力狀態(tài)作為依據(jù)，不會(huì)涉及構(gòu)件的復(fù)雜計(jì)算，但也具有主要失效模式容易被遺漏、受人為因素影響等缺點(diǎn)。另一類(lèi)是概率搜索法，主要特點(diǎn)是以失效概率的大小作為依據(jù)，涉及到可靠度和失效概率的計(jì)算。概率搜索法具有不易遺漏主要失效模式、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是計(jì)算量較大且計(jì)算復(fù)雜。

綜上所述，目前傳感器和結(jié)構(gòu)健康診斷理論的現(xiàn)狀并不能滿足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的需求。因此，如何利用長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)積累的大量數(shù)據(jù)，研發(fā)適用于區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的新型狀態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)與智能化預(yù)警與評(píng)價(jià)技術(shù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確診斷是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

2 可行的研究方向

通過(guò)研發(fā)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和低成本的區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和控制技術(shù)為區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行提供先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)保障，是發(fā)展高新技術(shù)、改善我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的有效途徑。本文圍繞區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的新型狀態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)及智能化預(yù)警與評(píng)估技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，綜合分析目前的研究成果以及技術(shù)狀況，提煉出可能展開(kāi)的研究方向如下：

1)基于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)安全診斷感知設(shè)備研制。根據(jù)我國(guó)區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)可視、可測(cè)、可控的角度出發(fā)，研究開(kāi)發(fā)基于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)高性能傳感技術(shù)，從而為準(zhǔn)確診斷區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)性能提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。

2)基于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)安全診斷感知網(wǎng)絡(luò)的高性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。綜合考慮區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)以及地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)等的需求，研究基于有限傳感器數(shù)量診斷區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的有效方法，從而為區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)安全診斷感知網(wǎng)絡(luò)提供設(shè)計(jì)方法，為準(zhǔn)確診斷橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)提供數(shù)據(jù)保障。

3)基于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)安全診斷的結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)建模技術(shù)。利用結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)積累的海量數(shù)據(jù)，研究運(yùn)營(yíng)條件下區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)荷載及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的概率分布模型，從而為有效剔除環(huán)境因素對(duì)區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響提供基礎(chǔ)，為準(zhǔn)確診斷橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)提供技術(shù)保障。

4)基于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)與預(yù)警技術(shù)。研究基于統(tǒng)計(jì)分析理論、非線性動(dòng)力學(xué)、不確定性理論、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)診斷、安全評(píng)價(jià)、預(yù)警技術(shù)。利用區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)得到的海量數(shù)據(jù)，研究區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)性能的退化規(guī)律，并建立區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警指標(biāo)，從而準(zhǔn)確診斷實(shí)際區(qū)域公路網(wǎng)橋梁工程結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有在役的公路橋梁隨著使用年限增加而逐漸老化，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到全橋狀態(tài)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究成果的總結(jié)歸納，提出進(jìn)一步的研究思路以及可行性分析，具體內(nèi)容包括：基于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的區(qū)域公路網(wǎng)橋梁結(jié)構(gòu)安全診斷的感知設(shè)備研制、感知網(wǎng)絡(luò)的高性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)建模技術(shù)和結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)與預(yù)警技術(shù),為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 趙 琴，朱玉峰，董博昶.我國(guó)公路環(huán)境研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].環(huán)境與發(fā)展，2015,27(6):22-25.

[2] 喻 言，歐進(jìn)萍.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感實(shí)驗(yàn)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,39(2):187-189.

[3] 喻 言，李宏偉，歐進(jìn)萍.結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)無(wú)線加速度傳感器的設(shè)計(jì)與制作[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004,17(3):463-466.

[4] K.Jones,J.Turcotte.Finite Element Model Updating Using Anti-resonant Frequencies[J].Journal of Sound and Vibration,2002,252(4):717-727.

[5] 郭勒濤，張令彌.以沖擊響應(yīng)為響應(yīng)特征的有限元模型確認(rèn)[J].振動(dòng)與沖擊,2005,24(6):32-36.

[6] 劉 洋,段忠東.自適應(yīng)耦合局部最優(yōu)法及其在結(jié)構(gòu)模型修正中的應(yīng)用[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2008，21(1):468-475.

On status perception network and intelligent warning technology of bridge structures

Zhang Ping Zhang Xiaochen Jia Jie

(College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

According to the features of existing road networks with many middle and small bridges, from highway net visible, measurable and controllable, the paper researches the practical intelligent supervision and safety warning system for the road network based on the sensor network and low cost, analyzes the feasibility of the technology, so as to provide some theoretic foundation for related fields.

safety diagnosis technology, structural long-term performance supervision, regional road network

1009-6825(2016)12-0177-02

2016-02-15

張 萍(1995- )，女，在讀本科生； 張笑塵(1995- )，男，在讀本科生； 賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

U441

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