物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橋梁管養(yǎng)過(guò)程中的應(yīng)用

姜 冰，王方立，葛浪潮

(中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400)

1 橋梁管養(yǎng)現(xiàn)狀以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展概況

橋梁界廣泛流行一句話：“70年代看歐美，90年代看日本，21世紀(jì)看中國(guó)”，截至日前，中國(guó)公路橋梁目前已經(jīng)突破80多萬(wàn)座，鐵路橋梁已經(jīng)突破20多萬(wàn)座，而且目前中國(guó)公路橋梁依然在以每年2.7萬(wàn)座的速度高速增長(zhǎng)。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，世界跨徑排名前十的斜拉橋、懸索橋以及拱橋中，中國(guó)分別占7座、6座和7座，以上數(shù)據(jù)充分表明當(dāng)今中國(guó)已經(jīng)成為名副其實(shí)的橋梁大國(guó)。中國(guó)橋梁修建經(jīng)歷了兩個(gè)高峰期，分別是建國(guó)初期的50年代和20世紀(jì)末的90年代，所以很大一部分橋梁目前服役年限已經(jīng)超過(guò)了30 a，而全世界的橋梁管養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)橋梁服役年限超過(guò)30 a后，因其受所處環(huán)境、車輛超載以及材料老化等現(xiàn)象影響，其服役性能都會(huì)有不同程度的下降。國(guó)內(nèi)調(diào)查數(shù)據(jù)也顯示，目前已經(jīng)有近1/3的橋梁結(jié)構(gòu)存在缺陷或者病害，國(guó)內(nèi)橋梁行業(yè)已經(jīng)漸漸從重建輕養(yǎng)的模式向管養(yǎng)并重的模式轉(zhuǎn)化，諸多既有橋梁需要采取必要的管養(yǎng)措施以確保其安全。目前基于人工巡檢的檢測(cè)模式是橋梁管養(yǎng)中采用較多的方法之一，但人工檢測(cè)存在一定的局限性，比如其受橋梁所處環(huán)境的制約，人身安全在深谷、寬河等環(huán)境下缺少必要的保障，觀測(cè)結(jié)果很大程度上也取決于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)離散不連續(xù)等[1-3]。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，簡(jiǎn)稱IOT)技術(shù)被比喻為人類世界的第四次技術(shù)革命，顧名思義，指的就是萬(wàn)物互聯(lián)。它的基本特征是物與物、人與物之間的信息交互過(guò)程，由感知、傳輸和處理三部分組成。工作原理是通過(guò)各種前端傳感器進(jìn)行物理量信息采集，采集的物理量包含自然界常見(jiàn)的聲、光、熱、電等，然后通過(guò)傳輸設(shè)備將信息傳輸?shù)浇馕鲕浖?，軟件再將采集到的物理量信?hào)轉(zhuǎn)化為可視化信號(hào)，可視化信號(hào)再由專業(yè)人員進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，最后得到所觀測(cè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)或者關(guān)心的指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)所測(cè)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行診斷。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于我們工作生活的各個(gè)領(lǐng)域，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、交通、物流、安保等，有效的推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的智能化發(fā)展，更加合理分配了行業(yè)資源，進(jìn)一步提高了各個(gè)行業(yè)的效率和效益，極大的提高了人們的生活質(zhì)量和生活水平，因?yàn)槠涞湫偷闹悄芑?、信息化、精?zhǔn)化特點(diǎn)，相信會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橋梁管養(yǎng)行業(yè)也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：除了可以大大的降低人的參與外；采集的數(shù)據(jù)不受人為干預(yù)影響，客觀真實(shí)；傳輸過(guò)程實(shí)時(shí)連續(xù)，可以貫穿結(jié)構(gòu)物的整個(gè)生命周期；受時(shí)間空間等環(huán)境影響因素較小，有效避免人身安全問(wèn)題等。隨著5G技術(shù)，芯片技術(shù)的不斷突破和高速發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橋梁管養(yǎng)領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的某橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

某市政橋梁為簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，雙向四車道，設(shè)計(jì)荷載為2008年作廢的舊規(guī)范城-A級(jí)汽車荷載。該橋因服役年限已達(dá)40 a之久，梁體出現(xiàn)較大程度的下?lián)希瑫r(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫眾多，并且裂縫發(fā)展有進(jìn)一步變快的趨勢(shì)，基于目前橋梁的狀態(tài)，業(yè)主部門提出維修加固要求。加固前需要對(duì)橋梁現(xiàn)有指標(biāo)進(jìn)行診斷，以便得出合理的加固方案，由于橋梁所處位置日常交通流量極大，人工檢測(cè)時(shí)間窗口有限，觀測(cè)空間有限，所以綜合考慮后決定選擇知物云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，待測(cè)橋梁平面布置如圖1所示。

知物云監(jiān)測(cè)平臺(tái)在本橋梁監(jiān)測(cè)中的流程如圖2所示。

本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)因素包含溫濕度、應(yīng)變、撓度、裂縫、振動(dòng)等，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含72支傳感器，6個(gè)采集模塊，16個(gè)傳輸模塊，通過(guò)對(duì)橋梁所有影響因素進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，以期得到橋梁狀態(tài)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)把握，為接下來(lái)的加固方案制定提供依據(jù)。

2022年2月16日～2月17日主要監(jiān)測(cè)因素采集數(shù)據(jù)如圖3～圖5所示。

本文只顯示關(guān)鍵部位少量傳感器采集數(shù)據(jù)加以說(shuō)明，由結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)在外界環(huán)境及荷載影響下，會(huì)有一定波動(dòng)，整體趨勢(shì)短期沒(méi)有很大變化，比較符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況。

3 理論計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

結(jié)構(gòu)采用有限元計(jì)算分析軟件Midas Civil進(jìn)行空間建模，為了更加準(zhǔn)確的模擬橋梁的實(shí)際受力狀態(tài)，此處建立兩跨橋梁整體模型。同時(shí)模型綜合考慮溫度、混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力松弛等的影響，以期和橋梁的實(shí)際服役年限以及服役狀態(tài)相匹配，所建有限元模型如圖6所示。

本文為了說(shuō)明問(wèn)題，僅選取部分監(jiān)測(cè)因素和部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在相同外部荷載環(huán)境情況下，理論計(jì)算得到的梁體應(yīng)力數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 橋梁梁體下緣理論應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力對(duì)比表

相同外部荷載環(huán)境情況下，理論計(jì)算得到的梁體撓度數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 橋梁梁體理論撓度與實(shí)測(cè)撓度對(duì)比表

由上述分析可知，實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果吻合度較高，應(yīng)力對(duì)比偏差率小于2%，位移對(duì)比偏差率小于5%，說(shuō)明了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也說(shuō)明了該基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測(cè)方法的可行性。

4 結(jié)論與建議

1)結(jié)論。

由上述分析可知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)，可以充分保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過(guò)過(guò)程中減少人工參與，保障了橋梁管養(yǎng)過(guò)程中的人員安全問(wèn)題，也有效降低因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)造成的主觀數(shù)據(jù)誤差，更加符合社會(huì)發(fā)展去人力化的大趨勢(shì)，是接下來(lái)橋梁管養(yǎng)領(lǐng)域一個(gè)新的發(fā)展方向。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)通過(guò)全天候、全自動(dòng)、全生命周期的數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，可以實(shí)時(shí)不間斷的提供橋梁的實(shí)時(shí)響應(yīng)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集及利用更加合理有效，在數(shù)據(jù)和分析方面有如下優(yōu)勢(shì)：

a.通過(guò)對(duì)采集到的變形、應(yīng)力、裂縫等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)而推斷結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康狀況，為后期運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)決策提供依據(jù)。

b.通過(guò)采集數(shù)據(jù)可以判斷結(jié)構(gòu)的承載能力，特別是在偶然荷載或者是超標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，可以第一時(shí)間預(yù)警，保證結(jié)構(gòu)的服役安全以及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

c.可以通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反向驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，有效指導(dǎo)接下來(lái)同類橋梁的設(shè)計(jì)修正和完善。

d.通過(guò)長(zhǎng)期不間斷監(jiān)測(cè)，可以判斷結(jié)構(gòu)病害的發(fā)展趨勢(shì)，從而可以對(duì)病害進(jìn)行深層次的分析，幫助管養(yǎng)部門制定長(zhǎng)期的，有針對(duì)性的維修養(yǎng)護(hù)策略。

2)建議。

基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，得到的數(shù)據(jù)量極大，對(duì)大量的采集數(shù)據(jù)需要行業(yè)的進(jìn)一步挖掘利用，包括利用數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感器選型及布置優(yōu)化、對(duì)設(shè)計(jì)模型修正以及結(jié)構(gòu)損傷溯源，災(zāi)害損失評(píng)估、服役年限預(yù)測(cè)等領(lǐng)域，讓數(shù)據(jù)發(fā)揮更大的作用[6-8]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展極為迅速，其和橋梁管養(yǎng)相結(jié)合也是處于起步階段，數(shù)據(jù)分析及利用目前還缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不同項(xiàng)目以及不同專家對(duì)數(shù)據(jù)的分析和利用方法也千差萬(wàn)別，在接下來(lái)的研究中，需要結(jié)合更多的實(shí)際應(yīng)用案例，找到便捷有效的數(shù)據(jù)利用方法，特別是基于大數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法，進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范，以便讓數(shù)據(jù)利用有據(jù)可依，讓數(shù)據(jù)利用更加充分合理。