基于云平臺的沈海高速公路某橋運營監(jiān)測系統(tǒng)研究

■蘭興榮

（福建省高速技術(shù)咨詢有限公司，福州 350001）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通運輸需求越來越大，在役橋梁在使用過程中橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地受到各種環(huán)境作用的侵蝕，并且結(jié)構(gòu)自身的功能退化也會隨著服役期的增長而持續(xù)發(fā)展。內(nèi)外因素的綜合作用導(dǎo)致了大量橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的病害，橋梁事故時有發(fā)生，橋梁運營安全狀態(tài)形勢日趨嚴峻[1]。理論研究和經(jīng)驗都表明，成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別和運營過程中對橋梁病害進行監(jiān)測、預(yù)警和及時維修，有助于從根本上消除隱患及避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁運營監(jiān)測系統(tǒng)進行大量的研究和實踐，取得了豐碩成果[2-4]。本文針對沈海高速公路某橋的監(jiān)測需求，研究開發(fā)了基于云平臺的運營監(jiān)測系統(tǒng)，通過采用虛擬監(jiān)控中心的方式，大幅降低了監(jiān)控中心的建設(shè)費用和建設(shè)周期，保障了橋梁運營安全。

1 工程概況

某橋位于沈海高速公路，于1997年底建成，全長1389.98m，上部結(jié)構(gòu)為（9×25m）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁+（35.4m+11×50m+35.4m） 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+（22×25m）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁；下部結(jié)構(gòu)為鋼筋砼雙柱式墩，橋臺為鋼筋砼肋板式臺；鋼筋砼鉆孔灌注雙排樁基礎(chǔ)；引橋設(shè)板式橡膠支座，主橋設(shè)GPZ盆式支座；橋面設(shè)GQF-MZL型橡膠伸縮縫。設(shè)計荷載等級：汽車-超20級，掛車-120。2012年橋檢發(fā)現(xiàn)，該橋多跨箱梁跨中附近有較多橫向裂縫，部分寬度超限，貫通梁底。2014年對該橋進行了荷載試驗，結(jié)果表明主橋箱梁結(jié)構(gòu)承載能力基本滿足設(shè)計活載標準的正常使用要求，但撓度校驗系數(shù)在0.69～0.97之間，大部分加載工況下?lián)隙戎蹬c理論值接近。2015年11月外觀檢查發(fā)現(xiàn)主橋箱梁多跨在梁端位置腹板新增斜裂縫較多，約2/3裂縫超限，部分裂縫箱內(nèi)外對稱發(fā)展，同時發(fā)現(xiàn)箱外梁端修補過的腹板位置斜向、豎向裂縫重新開裂。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 基于云平臺的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)方案

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)需要構(gòu)建實體監(jiān)控中心，購買和部署物理服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，系統(tǒng)建設(shè)費用高，建設(shè)周期長，并且需要管理部門配置專業(yè)隊伍對監(jiān)控中心設(shè)備進行維護和升級。該橋為主線重要橋梁，交通量較大，為了保障橋梁結(jié)構(gòu)運營安全和交通暢通，需要緊急實施監(jiān)測，任務(wù)急，時間緊，責(zé)任重。基于傳統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)，其實體監(jiān)控中心的搭建通常需要半年甚至更長時間，不能滿足該橋的監(jiān)測任務(wù)需求。為此，本文提出采用基于云平臺的方式構(gòu)建以虛擬監(jiān)控中心為主體的大橋監(jiān)測系統(tǒng)。

監(jiān)測系統(tǒng)部署于阿里云平臺上，其架構(gòu)拓撲圖如圖1 所示[5]。

在該架構(gòu)方案中，采用虛擬機替代物理服務(wù)器，每臺虛擬機的IT資源可以靈活定制。借助于云平臺虛擬機IT資源可靈活定制的特性，該架構(gòu)方案改變了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中多個子系統(tǒng)共享一臺物理服務(wù)器的設(shè)計思路，而是為每個子系統(tǒng)提供一臺專門的虛擬機服務(wù)器，減少各個子系統(tǒng)的耦合關(guān)系，保障各子系統(tǒng)運行穩(wěn)定。這些服務(wù)器分別是采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、預(yù)警服務(wù)器、評估服務(wù)器、Web服務(wù)器和離線監(jiān)測服務(wù)器，由此組成了所謂的虛擬監(jiān)控中心，向用戶提供橋梁運營監(jiān)測服務(wù)。各服務(wù)器的功能和基本特性如表1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)拓撲圖

表1 虛擬監(jiān)控中心服務(wù)器功能和特性

數(shù)據(jù)庫管理平臺采用阿里云數(shù)據(jù)庫RDS（Relational Database Service）和MySQL數(shù)據(jù)庫。RDS是穩(wěn)定可靠、可彈性伸縮的在線數(shù)據(jù)庫服務(wù)，它支持MySQL、SQL Server等數(shù)據(jù)庫引擎，并且提供了容災(zāi)、備份、恢復(fù)、監(jiān)控、遷移等方面的全套解決方案。MySQL是全球市場占有率最高的開源數(shù)據(jù)庫，相較于Oracle和SQL Server等商用數(shù)據(jù)庫，MySQL的性能高、成本低、可靠性好。經(jīng)過優(yōu)化的MySQL經(jīng)過了高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量的考驗，還實現(xiàn)了讀寫分離、數(shù)據(jù)壓縮、智能調(diào)優(yōu)等高級功能。

2.2 云平臺監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的比較

傳統(tǒng)方案基于物理服務(wù)器構(gòu)建，新方案基于云平臺構(gòu)建，兩種方案相比較，后者建設(shè)費用更低、部署效率更高、用戶使用更靈活、維護升級更方便，具體的比較分析如下：

（1）建設(shè)費用方面：傳統(tǒng)技術(shù)方案需要實體監(jiān)控中心，需要按未來可能的最高負載配置物理服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等監(jiān)控中心基礎(chǔ)設(shè)施，而這些設(shè)施資源往往絕大部分處于閑置狀態(tài)，造成極大的浪費；新方案中，無需實體監(jiān)控中心，采用虛擬監(jiān)控中心，且IT資源調(diào)度靈活，可實現(xiàn)按需分配，使其滿足監(jiān)測需求而又不至于過度，基本不會造成IT資料浪費。因此，就監(jiān)控中心建設(shè)費用而言，新方案遠低于傳統(tǒng)方案。

（2）部署效率方面：傳統(tǒng)技術(shù)方案中，無論是系統(tǒng)的設(shè)計，硬件的購買，還是軟件的開發(fā)等等，都需要大量時間。一個傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的實施時間，往往需要一兩年。云平臺方案中，可通過網(wǎng)絡(luò)快速購買虛擬IT資源，組建虛擬監(jiān)控中心，并且項目組提出并實現(xiàn)了監(jiān)測軟件系統(tǒng)的參數(shù)化調(diào)制，極大提高了系統(tǒng)部署效率。

（3）使用靈活性方面：傳統(tǒng)技術(shù)方案中，監(jiān)測系統(tǒng)部署于實體監(jiān)控中心，主要的功能必須在監(jiān)控中心才能進行操作，而監(jiān)控中心通常位于橋址附近，往往地處偏遠，尤其是在有多座橋梁監(jiān)測時，每個橋梁有各自的監(jiān)控中心，用戶無法集中管理，給用戶使用帶來不便；新方案中，監(jiān)測系統(tǒng)部署于云平臺虛擬監(jiān)控中心，用戶通過各種智能終端，在網(wǎng)絡(luò)條件良好的場所即可登錄虛擬監(jiān)控中心，對軟件系統(tǒng)的各種功能進行操作，極大提高了用戶使用的靈活性。

（4）維護升級方面：傳統(tǒng)技術(shù)方案中，需要配置專門團隊對監(jiān)控中心的軟硬件設(shè)備進行維護，而且系統(tǒng)升級困難，技術(shù)服務(wù)方的最新研發(fā)成果難以在已建成監(jiān)控中心得到應(yīng)用；新方案中，用戶無需關(guān)注監(jiān)控中心軟硬件設(shè)備維護事宜，這些工作由云平臺服務(wù)提供方實現(xiàn)，而且系統(tǒng)升級也非常簡單，技術(shù)服務(wù)方通過登錄云平臺對監(jiān)測軟件進行替換更新即可。

3 監(jiān)測測點布設(shè)

一個有效的、具備針對性的橋梁運營監(jiān)測系統(tǒng)的建立，監(jiān)測測點布設(shè)方案是關(guān)鍵[6]。本項目采用Midas Civil有限元軟件，建立大橋有限元模型，全橋共623個節(jié)點，622個單元，有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

通過有限元計算，得到了大橋各個截面的最大承載能力和荷載產(chǎn)生的最大/最小彎矩，兩者之間的關(guān)系見圖3和圖4。

從圖3和圖4可知，在沒有考慮承載能力折減的情況下，大橋各跨跨中的最大彎矩與截面最大抗彎承載能力很接近，最不利的位置位于連續(xù)箱梁第11跨（10號橋墩～11號橋墩）跨中10m范圍和第21跨（20號橋墩～21號橋墩）跨中10m范圍。根據(jù)以上計算結(jié)果和歷次橋檢結(jié)果，對結(jié)構(gòu)薄弱部位，進行重點監(jiān)測，監(jiān)測項目包括裂縫、主梁撓度、主梁應(yīng)力和橋墩傾斜。測點布置如圖5和圖6所示，圖中圓點表示測點安裝位置，測點括號內(nèi)數(shù)字表示該位置該類型測點數(shù)量。

4 監(jiān)測預(yù)警與數(shù)據(jù)分析

橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警和綜合評估子系統(tǒng)是大橋運營監(jiān)測系統(tǒng)的核心。本項目采用一種基于結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的大型有限元分析結(jié)果的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)在線預(yù)警方法對橋梁結(jié)構(gòu)的運營狀態(tài)進行實時預(yù)警。對于理論計算閾值，如僅根據(jù)設(shè)計圖紙建立的有限元模型將無法準確地計算大橋的實際響應(yīng)，必須根據(jù)大橋?qū)崪y值對有限元模型進行修正。大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警分為三個等級：綠色、黃色和紅色。以撓度為例，不同監(jiān)測量使用度對應(yīng)不同的預(yù)警等級如下（表 2）：

圖3 結(jié)構(gòu)承載能力與截面彎矩的關(guān)系圖（最大彎矩）

圖4 結(jié)構(gòu)承載能力與截面彎矩的關(guān)系圖（最小彎矩）

圖5 大橋左幅監(jiān)測測點布設(shè)圖

圖6 大橋右幅監(jiān)測測點布設(shè)圖

表2 撓度監(jiān)測值使用度預(yù)警指標

當發(fā)生黃色或紅色預(yù)警時，監(jiān)測云平臺通過短信方式向技術(shù)人員發(fā)送黃色預(yù)警信息，技術(shù)人員遠程登錄監(jiān)測云平臺，分析預(yù)警原因。如果分析認為存在安全隱患，技術(shù)人員應(yīng)立即以短信、電話等方式通知管理人員。通過這種方式，一方面盡可能的捕捉各種預(yù)警信息，避免安全事故；另一方面，通過技術(shù)人員的排查，避免誤報警，對管理人員造成過多的干擾。下面以一個監(jiān)測實例來說明數(shù)據(jù)分析與預(yù)警的流程。

2016年4月9日和10日，大橋右幅第18跨跨中附近主梁正彎控制截面應(yīng)變測點（S4-1、S4-2、S4-3和S4-4測點）報警，報警情況詳見表3，這說明監(jiān)測變量出現(xiàn)驟然增大或減小的趨勢。圖7列出報警測點2016年3月23日至4月30日，溫度日均值的變化情況?？梢钥吹剑?月9日、10日溫度日均值相對于前一天驟降了2～3℃。溫度的改變引起結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮，反映出來的即是應(yīng)變監(jiān)測值出現(xiàn)驟變。通過對應(yīng)變和溫度變化進行相關(guān)分析，可得出結(jié)論：2016年4月9日、10日該橋上述測點出現(xiàn)的異常分布報警，是由傳感器溫度補償誤差以及環(huán)境溫度驟變所引發(fā)的結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)所致，并非橋梁結(jié)構(gòu)自身出現(xiàn)異常。

表3 大橋報警情況（2016年4月9日和10日）

此外，異常車輛荷載也會引起系統(tǒng)報警。2016年4月27日至4月29日，大橋進行荷載試驗，在這三天時間內(nèi)，大部分裂縫、撓度、應(yīng)變測點都出現(xiàn)了異常分布黃色或紅色報警。圖8給出了2016年4月29日S8-3應(yīng)變測點監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線，S8-3應(yīng)變測點布設(shè)在左幅第21跨20#墩側(cè)主梁負彎控制截面。從圖中可以明顯看到2016年4月29日曲線發(fā)生了一些跳躍變化，局部發(fā)生突變，突變前后曲線趨勢銜接順暢?？梢灾庇^地判斷，突變對應(yīng)著荷載試驗不同工況，而整體趨勢順暢反映出測點S8-3

區(qū)域結(jié)構(gòu)力學(xué)性能良好，當荷載消失后，能基本返回加載前的狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文研究的基于云平臺的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，利用云計算技術(shù)構(gòu)建虛擬監(jiān)控中心，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，建設(shè)費用低，部署效率高，使用靈活，維護升級方便?；谠破脚_的沈海高速公路某橋運營監(jiān)測系統(tǒng)已投入運行半年，半年來運營監(jiān)測系統(tǒng)工作正常，為保障橋梁安全運營發(fā)揮了重要作用。

圖7 溫度日均值

圖8 2016年4月29日S8-3測點監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

[1]黃建強.公路混凝土橋梁常見病害與成因分析及處治方法[J].公路交通科技,2014,（1）:46-49.

[2]賀淑龍,胡柏學(xué),曾威,等.矮寨特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[J].中外公路，2011，31（6）:10-13.

[3]周應(yīng)新，共放鳴，張汝文,等.連續(xù)剛構(gòu)橋梁動靜態(tài)長期監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].公路,2010,（5）:173-178.

[4]吳來義,丁幼亮,王高新.大跨度橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估研究展望[J].山西建筑,2015,41（17）:158-159.

[5]孟利波,唐光武.基于云平臺的中小橋梁監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)方案研究[J].公路交通技術(shù),2013,（4）:106-109.

[6]張治軍.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測研究[D].長安大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[7]唐浩,譚川,陳果.橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究綜述[J].公路交通技術(shù),2014,（2）:99-104.

[8]隋莉穎,劉浩,陳智宏,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警技術(shù)研究[J].公路交通科技,2015,（2）:8-11.