橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳平超，豐權(quán)章

（北京中交華聯(lián)科技發(fā)展有限公司，北京 100101）

0 引言

橋梁是交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，是跨河、跨線的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)施。隨著橋梁建設(shè)數(shù)量的增加以及單體建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，相應(yīng)的運(yùn)維、管理難度增加，探尋科學(xué)可行的健康監(jiān)測(cè)方法具有必要性。為此，應(yīng)結(jié)合行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，建立智能化橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，為日常管理提供數(shù)據(jù)支持，以便高效進(jìn)行管理，保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

濱海大橋?qū)偬卮笮蜆蛄?，位于天津市津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)西關(guān)村與濱海新區(qū)于莊子村之間。橋梁為雙向4車道公路橋，設(shè)計(jì)荷載為汽-超20、驗(yàn)算荷載為掛-120，于2003年11月建成通車。

2 橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源及應(yīng)用

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）設(shè)計(jì)階段

CAD 圖紙、構(gòu)件尺寸、軟件設(shè)計(jì)模型、強(qiáng)度及剛度等關(guān)鍵指標(biāo)的驗(yàn)算結(jié)果均是重要數(shù)據(jù)。橋梁的圖形化表達(dá)，也能給后續(xù)的驗(yàn)收實(shí)測(cè)工作提供重要的參考依據(jù)。從橋梁運(yùn)行維護(hù)階段來(lái)看，設(shè)計(jì)期間的數(shù)據(jù)能作為橋梁健康評(píng)估的參考，以便更準(zhǔn)確地判斷橋梁的實(shí)際使用狀況。

（2）施工階段

施工是建設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)體的重要階段，但施工期間地質(zhì)、水文、氣候等因素錯(cuò)綜復(fù)雜，可能導(dǎo)致成橋情況與預(yù)期不符?？梢?jiàn)，加強(qiáng)施工階段的質(zhì)量管理具有必要性。施工期間的技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)等均是施工階段的重要數(shù)據(jù)。

（3）運(yùn)營(yíng)階段

在運(yùn)營(yíng)階段以靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)較為關(guān)鍵，其可用于反映橋梁的整體狀況[1]。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括人工巡檢數(shù)據(jù)、健康狀況評(píng)定信息等；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要由傳感器獲得，包含撓度、應(yīng)變、梁體轉(zhuǎn)角、路基含水量、路面開(kāi)裂情況等，集多項(xiàng)數(shù)據(jù)于一體，反映橋梁在結(jié)構(gòu)完整性、力學(xué)穩(wěn)定性等方面的情況。

2.2 橋梁數(shù)據(jù)的應(yīng)用

2.2.1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)的設(shè)定

立足橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，結(jié)合橋結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，針對(duì)性地建立監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。明確對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況造成影響的各類因素，作為監(jiān)測(cè)工作的基礎(chǔ)。橋梁結(jié)構(gòu)的安全性指橋梁在正常使用條件下的承受能力，以及在遇到某些突發(fā)事件后仍能保持的承載能力。結(jié)構(gòu)受到的影響發(fā)生于外部因素作用的條件下，在圍繞結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行客觀評(píng)估時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)自身情況及外部影響因素，確保指標(biāo)體系的完備性。結(jié)合監(jiān)測(cè)需要，確定環(huán)境類、位移類、變形類、振動(dòng)類4大類監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

2.2.2 面向事件的監(jiān)測(cè)

橋梁使用中遇到突發(fā)事件后，需及時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際狀況，基于掌握的信息提前預(yù)警。撓度傳感器屬于關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)設(shè)備，可監(jiān)測(cè)橋梁受力構(gòu)件在荷載作用下的最大變形量。綜合考慮該項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與溫度等輔助數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)分析后可判斷是否有超載車輛于橋梁上通行。

2.2.3 運(yùn)維保養(yǎng)

（1）潛在隱患的判斷

隨著橋梁使用時(shí)間的增加，逐步積累了豐富的日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可基于數(shù)據(jù)判斷被測(cè)部位的發(fā)展趨勢(shì)。橋梁撓度與應(yīng)變有對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)此特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)可用于相互校核，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。不同交通量條件下，橋梁撓度、應(yīng)變具有周期性變化的特征。以某橋梁為例，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示其在14：00—16：00時(shí)段內(nèi)撓度、應(yīng)變有較大幅度變化，通行車輛中以重載車輛居多，撓度呈規(guī)律性增加的變化特征。晚高峰時(shí)通行車輛以私家車、客運(yùn)車輛為主，自重較小，橋梁撓度有減小的趨勢(shì)?？v觀全天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)具有波動(dòng)性，但總體上無(wú)顯著變化，若監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示某時(shí)段數(shù)據(jù)異常波動(dòng)，需高度重視，必要時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。主梁撓度監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

圖1 主梁撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

（2）潛在性能變化的判斷

橋梁健康監(jiān)測(cè)中廣泛采用傳感器裝置，其能高效采集數(shù)據(jù)，但覆蓋范圍有限，可能出現(xiàn)局部無(wú)法得到有效監(jiān)測(cè)的情況，因此需充分關(guān)注結(jié)構(gòu)的潛在性能變化，如混凝土內(nèi)部的裂縫、鋼筋銹蝕等問(wèn)題。在潛在性能變化的分析中，需考慮結(jié)構(gòu)的自振頻率和損傷的內(nèi)在關(guān)系，預(yù)測(cè)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并予以有效的防控。

3 橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

以傳感器為基礎(chǔ)裝置，用于采集橋體狀況、橋梁環(huán)境等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫、變形、受損等的及時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)基于日常運(yùn)行狀況生成報(bào)警信息，由專員及時(shí)針對(duì)實(shí)際情況做出響應(yīng)；引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，作用在于客觀評(píng)估橋梁健康狀況，給橋梁維護(hù)管理工作提供決策支持[2]。按照自底向上的順序，平臺(tái)架構(gòu)集4 個(gè)層次于一體，包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、用戶層。

（1）感知層：傳感器采集數(shù)據(jù)并向網(wǎng)絡(luò)層傳輸，感知層具有信息的協(xié)同處理能力。此外，根據(jù)應(yīng)用層的配置指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)接入傳感設(shè)備的訪問(wèn)控制。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：獲取源自感知層的數(shù)據(jù)，傳遞至應(yīng)用層，以便進(jìn)行后續(xù)處理與分析。

（3）應(yīng)用層：根據(jù)底層采集的數(shù)據(jù)，由服務(wù)支撐子層形成滿足業(yè)務(wù)所需的數(shù)據(jù)資源庫(kù)，需用到公共中間件、大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)及云計(jì)算平臺(tái)，構(gòu)成的資源數(shù)據(jù)庫(kù)具有動(dòng)態(tài)更新的特征。

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)的類別

（1）基礎(chǔ)管理系統(tǒng)

集多類子系統(tǒng)于一體，如：①權(quán)限管理子系統(tǒng)，面向各用戶設(shè)置特定的訪問(wèn)權(quán)限，予以有效的管理；②配置管理子系統(tǒng)，設(shè)定傳感設(shè)備以及各類關(guān)鍵設(shè)施的屬性和參數(shù)，在平臺(tái)端搭建虛擬橋梁，在物理世界和虛擬網(wǎng)絡(luò)間建立起映射關(guān)系。

（2）安全監(jiān)控系統(tǒng)

集多類子系統(tǒng)于一體，如：①橋梁結(jié)構(gòu)安全子系統(tǒng)，傳感設(shè)備為關(guān)鍵的硬件設(shè)施，可用于監(jiān)控橋梁主體結(jié)構(gòu)、構(gòu)件等的實(shí)際情況，判斷是否滿足安全要求；②運(yùn)維條件監(jiān)控子系統(tǒng)，監(jiān)控是其主要功能，重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象包含橋上車輛通行、橋下船舶通航情況，監(jiān)控的數(shù)據(jù)能作為判斷橋梁使用情況的關(guān)鍵依據(jù)，聯(lián)合應(yīng)用到自動(dòng)監(jiān)控、人工監(jiān)控的方式，以保證監(jiān)控的全面性和監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

（3）應(yīng)急保通系統(tǒng)

橋梁使用期間可能會(huì)遇到突發(fā)事件，嚴(yán)重威脅到橋梁的安全性和穩(wěn)定性，為此建立應(yīng)急保通機(jī)制，提供安全保障。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，研究與應(yīng)急保通工作相關(guān)的數(shù)據(jù)收集與錄入方法，涉及對(duì)象包含工程資料、環(huán)境要素、機(jī)械調(diào)配等；建立多部門(mén)協(xié)同工作機(jī)制，調(diào)動(dòng)各崗位員工協(xié)同作業(yè)；探尋清晰明確的規(guī)章制度，確保在遇到突發(fā)異常狀況后可及時(shí)響應(yīng)，采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

（4）工程定損與檢修系統(tǒng)

專業(yè)橋梁檢測(cè)為此系統(tǒng)的重要功能，即在發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事件后，客觀評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的損傷情況，給維修提供重要的參考。在橋梁使用階段，按特定的周期定期開(kāi)展結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)工作，判斷結(jié)構(gòu)是否有安全隱患。

（5）中心信息管理系統(tǒng)

Shylock and Jia Ren,two negative characters,have their contemptible defects.But the readers will feel pity for one while laughing,for the other,the readers will feel absolute disgust.

全面協(xié)調(diào)與橋梁安全運(yùn)維有關(guān)的各項(xiàng)工作，進(jìn)行合理的指揮、調(diào)度，也可針對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行深度處理。

4 橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

以滿足橋梁運(yùn)維管理要求為基本前提，搭建橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，采用Java 語(yǔ)言編碼，應(yīng)用Struts2+Spring 框架，在MyEclipse 下開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)分析及并行處理由Hadoop 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。建成的平臺(tái)具有穩(wěn)定可靠的性能優(yōu)勢(shì)和擴(kuò)展性較好的功能優(yōu)勢(shì)。

4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)要求適配傳感設(shè)備，用于采集反映被測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)的數(shù)據(jù)。以監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為準(zhǔn)，適配合適的傳感器，控制測(cè)點(diǎn)數(shù)量，按特定的頻率定期采樣，具體如表1所示。

表1 傳感器監(jiān)測(cè)布點(diǎn)信息

為采集傳感器數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)需設(shè)采集工作機(jī)柜。傳感器信號(hào)有常規(guī)模擬信號(hào)、光纖光柵信號(hào)、485 信號(hào)等。系統(tǒng)提供如下兩種采集模式：

（1）常規(guī)傳感器采集模式：由PXI采集計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集，采集對(duì)象有風(fēng)速風(fēng)向傳感器、應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)等的指標(biāo)。

（2）專用傳感器采集模式：采集內(nèi)容包含動(dòng)態(tài)稱重儀、光纖傳感器、路面狀況傳感器及GPS信號(hào)，諸如此類信號(hào)均由配套的專用采集器完成。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

以1 臺(tái)監(jiān)測(cè)中心交換機(jī)和2 臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)為核心，共同構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集機(jī)柜上傳的數(shù)據(jù)由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接收，進(jìn)而向監(jiān)測(cè)中心交換機(jī)傳輸，由服務(wù)器集群執(zhí)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理操作，見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)框圖

通信光纜起于監(jiān)控中心，由該處引出，沿引橋鋪設(shè)至主橋，最終連接至工作機(jī)柜。數(shù)據(jù)接收服務(wù)器讀取到采集的原始數(shù)據(jù)，整個(gè)數(shù)據(jù)的讀取過(guò)程便捷高效，可避免因過(guò)多連接而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸安全性不足、穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

平臺(tái)管理采取云端管理模式，涉及的具體模塊如下：

（1）監(jiān)測(cè)模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也可根據(jù)工作人員的需求提供歷史查詢功能。依托圖形化的界面呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，具有直觀性；各傳感器的時(shí)間序列數(shù)據(jù)具有同步性，可同時(shí)呈現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息、告警信息，供工作人員查閱、分析。

（2）告警管理模塊：以數(shù)據(jù)分析結(jié)果為準(zhǔn)，建立告警模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和結(jié)構(gòu)的告警，并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)出橋梁管養(yǎng)建議[3]。

（3）數(shù)據(jù)分析模塊：建立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析和載荷分析，從數(shù)據(jù)中提取具有參考價(jià)值的內(nèi)容，為運(yùn)維管理工作提供重要的參考。

（4）報(bào)表管理模塊：具備數(shù)據(jù)導(dǎo)入、查詢統(tǒng)計(jì)、評(píng)估報(bào)告打印等多種功能，在多功能的聯(lián)動(dòng)下，工作人員能便捷提取滿足自身工作所需的信息。

（5）配置管理模塊：建立橋梁在云端的虛擬模型，形成實(shí)體與虛擬一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，便捷性較好，頁(yè)面及功能開(kāi)發(fā)工作量減少，經(jīng)簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)后即可達(dá)到橋梁快速接入的目標(biāo)。

（6）權(quán)限管理模塊：以各用戶的日常使用習(xí)慣為準(zhǔn)，設(shè)定相應(yīng)的角色，在此基礎(chǔ)上賦予各自特定的權(quán)限，如數(shù)據(jù)權(quán)限、功能權(quán)限，使用戶在特定的權(quán)限內(nèi)操作，一方面滿足用戶的日常工作要求，另一方面避免越權(quán)作業(yè)問(wèn)題。

（7）巡檢模塊：核心內(nèi)容為日常巡檢和點(diǎn)檢，以日常巡檢為例，生成適用于橋梁監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)要求的巡檢計(jì)劃，組建專業(yè)的巡檢隊(duì)伍，由專員依據(jù)計(jì)劃開(kāi)展工作，用手持終端采集特定部位的信息，并完整匯總巡檢數(shù)據(jù)，予以記錄。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以橋梁監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)為背景，探尋工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)架構(gòu)，并圍繞橋梁損傷預(yù)測(cè)等相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)技術(shù)的選取與應(yīng)用后，有效發(fā)揮出平臺(tái)在監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)方面的推動(dòng)作用，促進(jìn)其信息化水平的提高，為橋梁的安全使用提供了保障。在后續(xù)的橋梁工程中，建議技術(shù)人員持續(xù)加強(qiáng)探索，遵循因地制宜的原則，設(shè)計(jì)具有適應(yīng)性的橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，促進(jìn)橋梁行業(yè)的發(fā)展。