大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究
——以鎮(zhèn)水公路阿志河大橋?yàn)槔?/h1>

2021-11-15 01:45:04熊政勇

建材發(fā)展導(dǎo)向訂閱 2021年17期 收藏

關(guān)鍵詞：河大橋子系統(tǒng)服務(wù)器

熊政勇

（貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司六盤水分公司，貴州 六盤水 553000）

在橋梁的運(yùn)營(yíng)過程中，隨著時(shí)間的推移其承受的總負(fù)荷不斷增加使得其具有疲勞效應(yīng)，橋體的老化導(dǎo)致性能不斷退化，加上自然環(huán)境和人為操作不當(dāng)對(duì)橋體造成的沖擊使得橋梁過度損傷和劣化，從而導(dǎo)致整體的使用周期縮短。在一般情況下，這些損傷的處理方法是用人工肉眼或者是人工傳統(tǒng)的檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè)，但是由于人工的檢測(cè)方式存在高度人為的主觀能動(dòng)性，因此得到的橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)更加的主觀，導(dǎo)致檢查的結(jié)果中存在著大量的盲點(diǎn)，不具有準(zhǔn)確性。此外人工的傳統(tǒng)檢查方式具有著難以量化檢查、人工作業(yè)不夠僅有連續(xù)性和整體性、阻礙交通、人力資源投入大等一系列的缺點(diǎn)。而為了確保橋梁的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全，在橋梁中運(yùn)用現(xiàn)代化科技對(duì)其進(jìn)行過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)技術(shù)則是現(xiàn)代化需要下的科技產(chǎn)物，能夠長(zhǎng)期有效的為橋梁養(yǎng)護(hù)與管理提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐，從而促進(jìn)橋梁的養(yǎng)護(hù)和加固工作的順利進(jìn)行，滿足現(xiàn)代化橋梁養(yǎng)護(hù)管理的要求。

1 鎮(zhèn)水公路阿志河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程概況

阿志河大橋位于六盤水市六枝特區(qū)境內(nèi)S314鎮(zhèn)水線上，是水城、安順、貴陽之間交互相通的重要通道，由水城公路管理局負(fù)責(zé)管養(yǎng)。阿志河大橋全長(zhǎng)428米，其中主跨283m為加勁梁懸索橋，而引橋?yàn)?跨30m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁，該橋由于長(zhǎng)度和建造工藝應(yīng)歸屬為特大橋類型，橋梁中心樁號(hào)K69+100，橋跨組合為1-283+4-30，初級(jí)設(shè)計(jì)荷載汽車-超20級(jí)。該橋于2003年12月建成并投入使用，在2011年交由水城公路管理局負(fù)責(zé)其日常管養(yǎng)。于2012年委托定期檢查，并在2014年對(duì)橋梁進(jìn)行了支座更換、裂縫修補(bǔ)、金屬構(gòu)件防銹防腐等維護(hù)修理工作[1]。由于此橋地理位置特殊，因此，為確保該橋能安全運(yùn)營(yíng)，在2015年委托蘇交科集團(tuán)股份有限公司安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)的安裝為該橋的養(yǎng)護(hù)管理工作提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐，使得監(jiān)管人員可隨時(shí)查看橋梁車輛通行情況和橋梁結(jié)構(gòu)情況。

2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及要求

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在對(duì)阿志河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝之前對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，使其結(jié)合阿志河橋梁周圍環(huán)境和其日常的運(yùn)行狀況，促進(jìn)此系統(tǒng)在日常應(yīng)用時(shí)提升其應(yīng)用效果[2]。在對(duì)阿志河橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在其中設(shè)計(jì)了傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)四個(gè)主要的子系統(tǒng)，其主要運(yùn)行于三個(gè)層次之中進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，為橋體健康提供數(shù)據(jù)分析。三個(gè)層次中第一層次是數(shù)據(jù)采集單元采集傳感器子系統(tǒng)拾取的信號(hào)；第二層次是將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過光纖網(wǎng)絡(luò)輸送到數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)；第三層次是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示及存儲(chǔ)，并根據(jù)系統(tǒng)的指令為其提供特定格式和內(nèi)容上的數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果，與此同時(shí)，對(duì)大橋的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)可能發(fā)生的問題發(fā)出預(yù)警信號(hào)。四個(gè)子系統(tǒng)具體運(yùn)作的流程如圖1所示。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體要求

在對(duì)阿志河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)上由于地理環(huán)境和其特殊屬性對(duì)其技術(shù)具有較高的要求，從而提升系統(tǒng)在具體運(yùn)用中發(fā)揮其檢測(cè)和總結(jié)的作用[3]。在此工程中對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體技術(shù)要求是運(yùn)用信號(hào)的物理性質(zhì)作為選擇采樣頻率的根據(jù)，使得該采樣頻率得以滿足各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中所運(yùn)用的監(jiān)測(cè)方法，進(jìn)而使得檢測(cè)方法中各類傳感器采樣頻率的要求得以滿足。

3 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的采集、調(diào)理、預(yù)處理、顯示、傳輸和保存等[4]。阿志河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)符合橋體的實(shí)際應(yīng)用狀況，因此對(duì)于其選型主要是堅(jiān)持三方面的原則：1）堅(jiān)持選擇采用國(guó)際上先進(jìn)的成熟產(chǎn)品，確保系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性、耐久性和高精度的數(shù)據(jù)采集單元；2）堅(jiān)持選用市場(chǎng)上通用性好，易于采購(gòu)的產(chǎn)品，確保系統(tǒng)的可維護(hù)性和可更換性；3）堅(jiān)持選用性能價(jià)格比高的產(chǎn)品，確保系統(tǒng)在最低成本下，實(shí)現(xiàn)最良好的運(yùn)作。

4 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)安裝調(diào)試方法、注意事項(xiàng)及維護(hù)要點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)基本上采用了常規(guī)設(shè)備，在安裝調(diào)試方面就比較簡(jiǎn)單，維護(hù)中也是采用常規(guī)維護(hù)方法，主要有以下幾個(gè)要點(diǎn)：1）運(yùn)用由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及插在其槽上的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)采集工作站。對(duì)設(shè)備調(diào)試時(shí)需先裝入計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件，連接好各傳感器、信號(hào)調(diào)理器、RS485轉(zhuǎn)換器信號(hào)，運(yùn)行軟件進(jìn)行調(diào)試[5]；2）數(shù)據(jù)采集單元（DAU）由機(jī)柜、數(shù)據(jù)采集工作站、避雷隔離器、UPS不間斷電源、光纖收發(fā)器、交換機(jī)等組成。在進(jìn)行設(shè)備安裝時(shí)要對(duì)其進(jìn)行整齊、規(guī)范安裝，使得其中蘊(yùn)含的線路排放整潔并將各設(shè)備的標(biāo)簽進(jìn)行檢查，使得其清楚、規(guī)范；3）數(shù)據(jù)采集單元的機(jī)柜應(yīng)滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有良好通風(fēng)、防塵作用，從而避免設(shè)備的溫度過高。在阿志河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用的數(shù)據(jù)采集單元機(jī)柜的尺寸為：1600mm×800mm×1500mm；4）要將數(shù)據(jù)采集單元安裝在鋼箱梁內(nèi)，在竣工時(shí)要規(guī)范其安裝技術(shù)和工藝并采取相應(yīng)的安全措施保障整個(gè)工程的質(zhì)量。其五、在維護(hù)、養(yǎng)護(hù)方面。由于在此過程中，箱梁在通車過程中產(chǎn)生的震動(dòng)較大，相關(guān)人員要注意檢查設(shè)備安裝是否產(chǎn)生松動(dòng)，并對(duì)各接插件進(jìn)行定期檢查接插的情況，UPS要定期充放電。

5 數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)

位于阿志河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)，其中最主要的硬件構(gòu)成是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及顯示硬件，由1臺(tái)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器和3臺(tái)計(jì)算機(jī)工作站所組成[6]。在此硬件中主要包括：數(shù)據(jù)管理與控制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示用計(jì)算機(jī)工作站、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸用計(jì)算機(jī)工作站、結(jié)構(gòu)健康評(píng)估用計(jì)算機(jī)工作站[7]。由于監(jiān)控中心的各個(gè)計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)是一致的，在此處對(duì)為其進(jìn)行一同分析。在數(shù)據(jù)管理與控制計(jì)算機(jī)服務(wù)器中，其作為數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)中心，管理著從各數(shù)據(jù)采集單元匯總的全部數(shù)據(jù)，并具有發(fā)送指令對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試工況參數(shù)進(jìn)行控制和改變的功能[8]。數(shù)據(jù)管理與控制計(jì)算機(jī)服務(wù)器用統(tǒng)一的方式對(duì)數(shù)據(jù)采集單元匯總的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式管理，并且能夠?qū)?shù)據(jù)收集、處理、傳輸、存儲(chǔ)和顯示進(jìn)行全面控制，為達(dá)到對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高效管理的目的，可以利用其具有的低冗余屬性使得系統(tǒng)具有安全性、可靠性。在監(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理與控制計(jì)算機(jī)服務(wù)器用作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)出口，可以實(shí)現(xiàn)多用戶操作及數(shù)據(jù)共享的效果。不僅如此，此服務(wù)器還管理于存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)及其預(yù)處理結(jié)果的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，時(shí)期原始數(shù)據(jù)可以保存至少90d，預(yù)處理結(jié)果可以保存到一年以上，并且還能做到定期完成數(shù)據(jù)的存檔、備份。在產(chǎn)品的選型中阿志河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控中心的服務(wù)器選用的是美國(guó)HP公司的HP ProLiant DL388 G9機(jī)架式計(jì)算機(jī)服務(wù)器產(chǎn)品。

6 軟件系統(tǒng)

在軟件系統(tǒng)中本工程分為三種軟件運(yùn)行環(huán)境及界面、中文界面、圖形界面。

軟件運(yùn)行環(huán)境及界面：阿志河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件擬采用C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)。各系統(tǒng)外站和各系統(tǒng)計(jì)算機(jī)工作站的操作系統(tǒng)采用Windows XP Professional，數(shù)據(jù)管理與控制服務(wù)器的操作系統(tǒng)采用Windows Server 2003，中央數(shù)據(jù)庫采用Oracle，各數(shù)據(jù)采集站內(nèi)傳感器參數(shù)信息數(shù)據(jù)庫采用Windows Access 2003，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用程序的編程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW 8。

中文界面：本應(yīng)用軟件完全是自主在中文操作系統(tǒng)下開發(fā)的，所以各計(jì)算機(jī)服務(wù)器、工作站中的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理及控制系統(tǒng)均采用簡(jiǎn)體中文操作界面，數(shù)據(jù)輸出和報(bào)表打印也采用中文輸出。

圖形界面：系統(tǒng)提供豐富多樣的顯示方式把處理結(jié)果展現(xiàn)給用戶。包括：橋梁輪廓圖的繪制，直觀顯示傳感器的位置；系統(tǒng)組態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖，直觀顯示系統(tǒng)各接點(diǎn)之間的連接；測(cè)量值的水銀柱圖，直觀顯示當(dāng)前值的大小和當(dāng)前值在其范圍內(nèi)的位置；統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)圖，直觀顯示各類統(tǒng)計(jì)在不同時(shí)段內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)；時(shí)域波形圖和頻域波形圖，直觀顯示相關(guān)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)域波形和頻域波形。

7 軟件的主要內(nèi)容

此種軟件主要包括四個(gè)部分，即前臺(tái)數(shù)據(jù)采集軟件、前后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸軟件、后臺(tái)控制與分析軟件以及健康監(jiān)測(cè)評(píng)估與預(yù)警軟件。

首先，前臺(tái)數(shù)據(jù)采集軟件中其中的內(nèi)容主要包括對(duì)各外站的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)與傳輸；對(duì)各外站、傳感器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行判別及異常報(bào)警；對(duì)傳感器參數(shù)設(shè)置，報(bào)警限設(shè)置；對(duì)校驗(yàn)外站時(shí)鐘；以及與橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的通信與接口等幾種。

其次，在前后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸軟件中具有著將各外站實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，同時(shí)存儲(chǔ)在本地外站工控機(jī)內(nèi)；根據(jù)監(jiān)控中心健康監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)工作站的命令（及用戶的命令），將相應(yīng)外站某通道的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)傳送到該工作站實(shí)時(shí)顯示畫面上；將各外站、傳感器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行判別后的異常報(bào)警數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心健康監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)工作站進(jìn)行報(bào)警等。

再次，在后臺(tái)控制與分析軟件的內(nèi)容包括運(yùn)用控制采集啟停，實(shí)現(xiàn)各外站同步采集；在控制中心各工作站間進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)與傳輸；進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的建立、運(yùn)行與維護(hù)；實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)顯示輸出（示值、時(shí)域波形、頻域波形、趨勢(shì)）等進(jìn)行分析；對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理（濾波、抽樣、信號(hào)加窗、FFT、相關(guān)性分析及統(tǒng)計(jì)等）；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)輸出及打?。斜怼r(shí)域波形、頻域波形、趨勢(shì)、報(bào)表）以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)報(bào)警限，進(jìn)行報(bào)警等方面。

最后，在健康監(jiān)測(cè)評(píng)估與預(yù)警軟件中其具有的內(nèi)容主要為疲勞分析軟件、在線評(píng)估軟件以及基于統(tǒng)計(jì)特征比較法的預(yù)警軟件等三方面。

8 維護(hù)與巡查

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整體系統(tǒng)中的重要內(nèi)容，也是其關(guān)鍵性的運(yùn)行環(huán)節(jié)，其主要采用分散安裝的形式，安裝于主橋區(qū)的各個(gè)箱梁中。在此過程中對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行有效的巡查和日常的管理對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常平穩(wěn)的運(yùn)行具有重要作用，因此需要對(duì)其進(jìn)行巡查的力度和效力需要根據(jù)具體需要不斷的增加。其主要進(jìn)行的日常管理、巡查和維護(hù)的內(nèi)容雖然具有固定性質(zhì)，但是仍舊需要對(duì)其進(jìn)行不固定的細(xì)節(jié)檢查，使得其具有的故障和不平穩(wěn)的因素出現(xiàn)能夠被相關(guān)的維護(hù)人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并且能夠采取相應(yīng)的措施及時(shí)的將風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行清除。

在進(jìn)行日常的巡查、管理和維護(hù)的過程和內(nèi)容如下：首先，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行清理，尤其是對(duì)采集單元計(jì)算機(jī)進(jìn)行每隔一段時(shí)間的重點(diǎn)清理，使得其具有的防塵過濾網(wǎng)得以長(zhǎng)期的潔凈，一般清理的時(shí)間為三個(gè)月，此類情節(jié)不僅能促進(jìn)其通風(fēng)散熱的性質(zhì)得以提升，還能保持其長(zhǎng)期有效使得通風(fēng)散熱性質(zhì)得以保證。在進(jìn)行清理時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行拆機(jī)清理，并將其中具有的灰塵進(jìn)行由內(nèi)向外的清理，在由內(nèi)向外的進(jìn)行清除，在此過程中機(jī)內(nèi)的灰塵也應(yīng)運(yùn)用吹出的方式進(jìn)行清理。

在進(jìn)行定期巡查過程中需要進(jìn)行一月一次的運(yùn)行檢查，并且需要對(duì)計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行效果進(jìn)行有效的查看，對(duì)其中的指示燈的運(yùn)行進(jìn)行觀察，在對(duì)聲音進(jìn)行甄別查看其中是否具有故障。在監(jiān)控中心需要對(duì)其各種采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的查看，對(duì)其中數(shù)據(jù)的真實(shí)性和誤差進(jìn)行每周一次的檢查。

9 結(jié)語

總而言之，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)就是對(duì)橋梁整體和橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)，運(yùn)用最小值的勞動(dòng)換取最有效的回報(bào)使得其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)檢查，對(duì)其中存在的損傷進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行有效評(píng)估，促進(jìn)其維護(hù)和管理工作的開展可以更加順利，降低其運(yùn)維成本的投入。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)將多種專業(yè)的學(xué)科知識(shí)進(jìn)行整合的科技系統(tǒng)，是一個(gè)具有綜合性的建設(shè)工程養(yǎng)護(hù)工作的必備工作環(huán)節(jié)，在大橋的建造和養(yǎng)護(hù)中發(fā)揮重要作用，們能夠積極的促進(jìn)橋梁使用壽命得以延長(zhǎng)，提升橋梁的使用效果和使用效益，促進(jìn)橋梁建設(shè)與發(fā)展，保障橋梁的運(yùn)營(yíng)安全和使用安全。

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