舒昕+++向陽+++蘆亮+++沈翔

摘要：傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)中，通過人工巡檢或借助各種便攜式巡檢設(shè)備如位移計(jì)、傾角儀來對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和評(píng)估，耗費(fèi)大量人力物力，且監(jiān)測(cè)結(jié)果精度不高、效率較低，沒有統(tǒng)一的規(guī)范。設(shè)計(jì)了一種基于3G無線網(wǎng)絡(luò)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用現(xiàn)代傳感通信技術(shù)采集橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)路由器匯總，再由3G無線模塊及時(shí)遠(yuǎn)傳至中心控制系統(tǒng)，為橋梁維管養(yǎng)提供科學(xué)的決策依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)“橋梁主動(dòng)養(yǎng)護(hù)”的先進(jìn)理念。

關(guān)鍵詞： 3G技術(shù)；傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線傳輸； 橋梁健康監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）01-0048-02

1 概述

橋梁是公路的咽喉，其安全性對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著至關(guān)重要的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，橋梁工程無論在建造規(guī)模、設(shè)計(jì)理念還是施工方案上都有了質(zhì)的突破，國(guó)內(nèi)建橋技術(shù)更是躋身世界先進(jìn)行列。隨著時(shí)間的推移，各類橋梁在運(yùn)營(yíng)過程中，由于材料老化、超載、腐蝕、疲勞及自然災(zāi)害等因素，不可避免的會(huì)出現(xiàn)各類損傷現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)承載力與安全性大大降低[1]。據(jù)全國(guó)公路橋梁普查結(jié)果顯示，截止2011年底，全國(guó)危橋數(shù)量達(dá)9.35萬座，約占橋梁總數(shù)的15%[2]。近些年來發(fā)生的四川宜賓小南門橋、福建武夷山公館大橋等橋梁垮塌事故表明，建立安全有效的橋梁健康檢測(cè)與安全評(píng)估機(jī)制勢(shì)在必行。

目前，國(guó)內(nèi)大部分橋梁維管養(yǎng)工作仍以傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)為主，通過人工巡檢或借助傾角儀、應(yīng)變計(jì)等便攜設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)來對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)估，這種方法雖然可行，但明顯存在不足之處：巡檢周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力物力；無法及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件和及時(shí)提供橋梁維護(hù)依據(jù)；不能對(duì)橋梁整體性結(jié)構(gòu)狀態(tài)作出安全有效的評(píng)估；巡檢數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，難以大規(guī)模存儲(chǔ)，無法反應(yīng)橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的歷史規(guī)律；不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無法獲取損傷過程和橋梁結(jié)構(gòu)外部荷載[3]。

20世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)工作日益重視，“主動(dòng)養(yǎng)護(hù)”的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理念廣泛流行起來，先后在重大的橋梁安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如香港的青馬大橋、汀九大橋，重慶的馬桑溪大橋，上海徐浦大橋等[4]?；跓o線網(wǎng)絡(luò)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因?yàn)槠渥越M織性、低成本、便捷性、靈活性、監(jiān)測(cè)精度高等特點(diǎn)日益受到廣泛關(guān)注。

2 3G無線通信

3G指第三代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，它將無線通信與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信相互結(jié)合。與2G相比，3G的系統(tǒng)容量更高，數(shù)據(jù)傳輸速率更大，在室內(nèi)、室外和行車環(huán)境中的傳輸速度分別能達(dá)到至少2Mbps、384kbps和144kbps以上，是2G傳輸速率的15倍以上[5]。它能在全球范圍內(nèi)更好的實(shí)現(xiàn)無線連接，能夠處理音樂、圖像、視頻等多種數(shù)據(jù)形式，提供瀏覽網(wǎng)頁、視頻語音聊天、流媒體等多種服務(wù)[5]。國(guó)際電信聯(lián)盟確定了3G的三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是歐洲的W-CDMA（寬頻分碼多重存取技術(shù)）、美國(guó)的CDMA2000（多載波分服用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)）及中國(guó)的TD-SCDMA（時(shí)分同步碼分多址接入技術(shù)）。

目前，中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)及中國(guó)聯(lián)通均已投入運(yùn)營(yíng)了3G技術(shù)，對(duì)比如下：

表1 3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

由表1可見，基于W-CDMA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的中國(guó)聯(lián)通3G無線網(wǎng)無論是上行速率還是下行速率都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，高于現(xiàn)在的4M寬帶速度。

3 基于3G無線網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電傳感技術(shù)、通信技術(shù)及高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為依托，通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，分析與評(píng)估橋梁承載能力與安全指標(biāo)，為橋梁在日常運(yùn)營(yíng)、特殊氣候及嚴(yán)峻的交通環(huán)境下出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)觸發(fā)預(yù)警，最終提供科學(xué)的決策依據(jù)及高效的養(yǎng)護(hù)手段[6]。完整的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該包含如下模塊：

1）傳感器子系統(tǒng)

主要由對(duì)大橋整體結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力進(jìn)行測(cè)量的各類型傳感器組成：結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜力監(jiān)測(cè)傳感器主要監(jiān)測(cè)主梁撓度、結(jié)構(gòu)溫度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及應(yīng)變等參數(shù)，常用的有位移計(jì)、傾角儀、應(yīng)變計(jì)等；運(yùn)營(yíng)荷載監(jiān)測(cè)傳感器主要監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)過程中各種可變荷載及變化過程，包括動(dòng)態(tài)稱重傳感器和地震動(dòng)及船舶撞擊傳感器等；環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器用于監(jiān)測(cè)橋梁所處的物理化學(xué)環(huán)境，包括溫濕度計(jì)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器等；材料特性監(jiān)測(cè)類傳感器，用于監(jiān)測(cè)橋梁各部位構(gòu)件的使用情況，為耐久度評(píng)估提供原始數(shù)據(jù)，如銹蝕傳感器、裂縫傳感器和疲勞傳感器等。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

包括數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)采集層用于獲取傳感器的原始傳感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信號(hào)源、不同物理信號(hào)的采集，并上傳至上層數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要包括信號(hào)調(diào)理設(shè)備、A/D轉(zhuǎn)設(shè)備及傳輸線纜等。數(shù)據(jù)傳輸層即數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，主要包括工控機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)）、光纖調(diào)制解調(diào)器、路由器、交換機(jī)及通訊傳輸光纜等。

3）數(shù)據(jù)控制與處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)控制與處理系統(tǒng)一般采用工作站或多臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行工作，主要在監(jiān)控中心及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、管理、可視化以及對(duì)監(jiān)測(cè)采用的管控工作，能夠及時(shí)響應(yīng)后續(xù)功能模塊對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。工作站（服務(wù)器集群）與前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)形成一個(gè)整體的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過相應(yīng)的分析軟件，對(duì)前端數(shù)據(jù)進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理，并能按照既定公式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，以顯示相應(yīng)信息。

4）中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后的規(guī)范化數(shù)據(jù)被構(gòu)造成既定的某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式存儲(chǔ)起來，形成描述橋梁狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)庫。中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除了直接服務(wù)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為橋梁的健康狀況評(píng)估提供依據(jù)，為監(jiān)測(cè)工作提供病害數(shù)據(jù)的查詢、檢索等功能，還存儲(chǔ)了反應(yīng)橋梁健康狀況的結(jié)構(gòu)參數(shù)的“歷史”演變記錄，如基礎(chǔ)沉降、徐變等。

5）橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)

橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)通常由工作站或服務(wù)器集群組成，通過數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算分析、損傷識(shí)別、對(duì)比歷史數(shù)據(jù)及人工智能算法對(duì)橋梁提供預(yù)警及橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析評(píng)估，最終形成正式的橋梁健康狀態(tài)報(bào)告。

圖1 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

如上圖1所示，傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、傳輸子系統(tǒng)把采集到的原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制與處理子系統(tǒng)，經(jīng)過初步的數(shù)據(jù)預(yù)處理及標(biāo)準(zhǔn)化后，存儲(chǔ)到中心數(shù)據(jù)庫，一方面作為橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警和評(píng)估的信息依據(jù)，另一方面作為橋梁歷史數(shù)據(jù)庫保存下來。

3.2 無線傳輸模塊

根據(jù)前文所述，支持W-CDMA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的3G無線通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸速度上具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，故選用華為的em770模塊系列[]，自帶TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)支持AT命令，能夠提供豐富的數(shù)據(jù)傳業(yè)務(wù)服務(wù)。如下圖2所示，為em770w無線模塊的應(yīng)用框圖[7]。

圖2 3G無線模塊應(yīng)用框圖

EM770W無線接口模塊的接口形態(tài)為通用Mini PCI Express接口，可通過使用232類芯片與標(biāo)準(zhǔn)RS-232-C的接口連接，能外接接口電平為3.0V或1.8V的USIM卡，并提供一路高速USB 2.0接口，和驅(qū)動(dòng)配合，可以在PC機(jī)上映射端口[8]。

整個(gè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感層、網(wǎng)關(guān)層和中央控制層組成，3G無線傳輸模塊在其中啟到承上啟下的作用，負(fù)責(zé)把從傳感層接收來的數(shù)據(jù)通過無線與互聯(lián)網(wǎng)相連，繼而傳到控制中心和各種終端。其中傳感層由傳感器子系統(tǒng)及采集傳輸子系統(tǒng)構(gòu)成，包括各種類型的傳感器及其組成的傳感網(wǎng)絡(luò)、各種采集傳輸設(shè)備，中央控制層即中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和預(yù)警評(píng)估子系統(tǒng)，包括各種應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器等，如圖3所示。

圖3 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于長(zhǎng)江水系的橋梁。其中一座橋梁上共安裝傳感器120個(gè)，通過光纖及網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)了各個(gè)采集單元的網(wǎng)絡(luò)互連，從應(yīng)用結(jié)果看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和3G無線傳輸均穩(wěn)定可靠。

圖4 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)索力監(jiān)測(cè)界面

圖4為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的索力監(jiān)測(cè)界面，每根索的索力采樣頻率為1/30HZ，可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，所有索力值均被傳輸 （下轉(zhuǎn)第59頁）

（上接第49頁）

至中心控制層，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后繪制成索力曲線，索力值均保持在紅色閾值之類有規(guī)律的來回變化。變化的因素可能源于活載大小和位置變化、風(fēng)向風(fēng)速變化等因素，索力來回變化是導(dǎo)致斜拉索疲勞破損的直接原因，因此對(duì)時(shí)變索力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是橋梁健康監(jiān)測(cè)中的重要環(huán)節(jié)。

4 總結(jié)

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不只是在傳統(tǒng)的橋梁巡檢技術(shù)上做簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)橋梁在整個(gè)生命周期中的各種參數(shù)進(jìn)行采集并匯總，通過人工智能算法在線演算、與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，分析出橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)和可靠性，為橋梁維管養(yǎng)提供科學(xué)的決策依據(jù)。相較于現(xiàn)行的有線網(wǎng)絡(luò)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于3G無線網(wǎng)絡(luò)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝更方便、部署更靈活且維護(hù)成本更低，在未來的市場(chǎng)上應(yīng)用前景廣闊[9]。

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