趙賢任，王立新，嚴(yán)琨

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070）

大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用和功能的實(shí)現(xiàn)

趙賢任1，2，王立新1，2，嚴(yán)琨1，2

（1.廣東省地震局，廣州510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510070）

廣東多座大型橋梁相繼建成了強(qiáng)震動監(jiān)測臺陣，為了及時處理與評估地震事件對橋梁的影響，必須建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及安全評估系統(tǒng)。基于Java技術(shù)、MySQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)了橋梁地震安全性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地震報警、橋梁振動數(shù)據(jù)實(shí)時分析、橋梁快速仿真和安全評估功能。系統(tǒng)成功應(yīng)用于多座大型橋梁的強(qiáng)震動監(jiān)測臺陣，可以為橋梁管理部門應(yīng)對突發(fā)事件提供科學(xué)決策，為橋梁的地震安全評估及抗震設(shè)計與加固提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

橋梁工程；強(qiáng)震動監(jiān)測；安全評估；系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

大型橋梁在長期使用過程中，由于荷載作用、老化、疲勞和腐蝕等各種因素的影響會發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，監(jiān)測修復(fù)這些損傷是養(yǎng)護(hù)部門的日常工作，也是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要服務(wù)對象。同時地震對橋梁所造成的影響也不可忽視，一旦破壞性地震發(fā)生，其造成的后果也是非常嚴(yán)重的，如2008年汶川地震就造成了上千座橋梁受損或倒塌。而大跨度橋梁在遭受長周期地震動以及近斷層大震的影響，同樣會造成落梁、倒塌破壞等，這些大橋一般造價高昂，樞紐作用明顯，一旦倒塌或者封閉，造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。所以借助計算機(jī)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的橋梁安全評估理論方法，開發(fā)大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)，對地震事件處理決策以及后續(xù)的長期監(jiān)測與性能評定將是有益的輔助措施，而且可為橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和加固提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文首先介紹了大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)的主要功能，然后確定系統(tǒng)開發(fā)方案，根據(jù)相應(yīng)的系統(tǒng)功能設(shè)計了6大功能模塊，使用Java[1]、數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)頁技術(shù)開發(fā)了該系統(tǒng)，最后介紹了本系統(tǒng)在大橋強(qiáng)震動監(jiān)測上的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)是利用布置在大型橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的力平衡式加速度傳感器[2]，對橋梁的振動進(jìn)行在線監(jiān)測，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)及設(shè)定的閾值對地震事件進(jìn)行報警，利用選定的評價方法、設(shè)定的評價指標(biāo)，結(jié)合橋梁仿真模塊，對大橋遇到地震事件后的安全狀況進(jìn)行評估。系統(tǒng)主要用戶包括橋梁管理方、地震部門、設(shè)計部門以及其他研究機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個方面的功能：用戶管理、橋梁振動數(shù)據(jù)采集存儲、實(shí)時報警、數(shù)據(jù)分析、橋梁仿真及安全評估[3]。系統(tǒng)功能圖見圖1所示，各功能的具體說明如下：

（1）用戶管理。根據(jù)不同用戶需求，劃分權(quán)限，對不同用戶顯示或者限制特定內(nèi)容和操作。

（2）數(shù)據(jù)采集。采用中國地震局制定的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)制定數(shù)據(jù)表，編寫軟件端口，采集存儲橋梁實(shí)時振動數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)時報警。實(shí)時計算分析橋梁振動數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，對地震、撞擊等事件進(jìn)行報警。

（4）數(shù)據(jù)分析。采用若干特定的橋梁振動數(shù)據(jù)處理和分析方法，編寫Java代碼將其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，獲得不同方法計算得到的橋梁損傷指標(biāo)，并設(shè)計其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫對分析結(jié)果進(jìn)行存儲。

（5）橋梁仿真。基于快速橋梁數(shù)值仿真技術(shù)，建立大型橋梁的三維有限元模型，獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)及振型，結(jié)合ActiveX控件，實(shí)現(xiàn)三維直觀顯示，并針對設(shè)定地震動或?qū)嶋H地震記錄作為輸入，計算橋梁的地震響應(yīng)，對大橋的抗震性能進(jìn)行預(yù)測。

（6）安全評估。結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及大橋地震響應(yīng)仿真結(jié)果，綜合評估橋梁的地震安全性

圖1 系統(tǒng)功能Fig.1 Function of the system

2 系統(tǒng)方案比選

根據(jù)上述系統(tǒng)功能設(shè)計要求，目前較成熟的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案主要有下面兩種：

第一種：基于Java或C#的B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式，這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，維護(hù)和升級方式簡單，可擴(kuò)展性和重用性強(qiáng)，維護(hù)部署成本降低，用戶權(quán)限管理方便，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)，客戶機(jī)上只要安裝一個瀏覽器，服務(wù)器安裝SQL Server、Oracle、MYSQL等數(shù)據(jù)庫。瀏覽器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和顯示，服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算和保存，但是應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷較重。

第二種：基于編程語言（Java、C++、C#、VB等）的C/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式，客戶端和服務(wù)器端都需要單獨(dú)編寫。這種模式的實(shí)時交互性強(qiáng)，功能強(qiáng)大，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可擴(kuò)展性和重用性低，維護(hù)和升級成本非常高。

基于本項(xiàng)目系統(tǒng)的功能劃分，用戶管理是系統(tǒng)的一個主要功能，B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較容易；系統(tǒng)的另一個主要功能是實(shí)時報警，對實(shí)時性要求較高，C/S結(jié)構(gòu)實(shí)時交互性強(qiáng)；另外，由于系統(tǒng)長期連續(xù)服務(wù)于橋梁監(jiān)測，在此期間，數(shù)據(jù)分析和損傷識別的技術(shù)可以預(yù)見會有較大的進(jìn)展，安全評估的標(biāo)準(zhǔn)也會有所改進(jìn)，所以系統(tǒng)宜更新方便，功能擴(kuò)展容易；最終，綜合開發(fā)維護(hù)成本限制的考慮，權(quán)衡利弊，本項(xiàng)目選擇方案一作為系統(tǒng)設(shè)計方案。

3 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

根據(jù)功能要求，將系統(tǒng)分為用戶管理、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時報警、數(shù)據(jù)分析、橋梁仿真、安全評估等6個模塊。數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理軟件MySQL，利用Java語言，基于模型-視圖-控制器（MVC）設(shè)計模式框架JSF和對象關(guān)系映射框架Hibernate技術(shù)，結(jié)合JSP、HTML、JavaScript、AJAX、ActiveX等網(wǎng)頁技術(shù)，構(gòu)建Web應(yīng)用。JSF框架使用戶界面代碼（視圖）與應(yīng)用程序數(shù)據(jù)和邏輯（模型）清晰分離，Hibernate對JDBC（Java數(shù)據(jù)庫連接）進(jìn)行了對象封裝，以對象編程思維來操縱數(shù)據(jù)庫，這樣搭建的系統(tǒng)分層清晰，易于管理。

3.1 用戶管理模塊

系統(tǒng)服務(wù)的對象有多個，每一個服務(wù)對象的需求也不盡相同，因此系統(tǒng)中根據(jù)需求劃分出多種用戶權(quán)限，主要包括：①普通用戶，只可瀏覽數(shù)據(jù)；②科研部門用戶，可以瀏覽數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和橋梁仿真；③管理部門用戶，具有瀏覽數(shù)據(jù)、實(shí)時報警的權(quán)限；④超級用戶，具有所有權(quán)限及用戶管理權(quán)限。用戶管理模塊基于JSF和自定義標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)用戶輸入的帳號密碼，獲取用戶權(quán)限，根據(jù)該權(quán)限對比所有菜單所需權(quán)限，得到該用戶的菜單，編寫標(biāo)簽顯示菜單，實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理[4]，圖2是權(quán)限管理圖。

圖2 用戶權(quán)限管理圖Fig.2 User permission

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

用Java語言編寫模塊，通過網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)振動數(shù)據(jù)的實(shí)時匯集、傳輸。首先采集模塊按設(shè)定的數(shù)據(jù)采集器Socket地址和端口號請求連接，接著數(shù)據(jù)采集器響應(yīng)采集模塊的請求，把Socket的描述發(fā)給采集模塊，最后采集模塊確認(rèn)此描述并建立連接，開始讀寫的行為[5]，流程參見圖3。

3.3 實(shí)時報警模塊

根據(jù)橋梁場地條件，設(shè)定橋址自由場地或大橋主塔基礎(chǔ)處峰值加速度的地震報警閾值，以Java語言實(shí)現(xiàn)實(shí)時計算該位置的振動幅值，利用JavaScript實(shí)現(xiàn)彈窗報警，對橋梁可能遭遇的地震事件進(jìn)行監(jiān)測和識別。

3.4 數(shù)據(jù)分析模塊

目前本系統(tǒng)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析主要采用四種獨(dú)立的損傷分析方法：主成分分析法、小波包能量法、重構(gòu)相空間法[6]和二次協(xié)方差矩陣法[7]。得到的四個指標(biāo)從不同的方面反映了橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。

3.5 橋梁仿真模塊

與廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院合作，建立了橋梁快速仿真模塊，實(shí)現(xiàn)了模態(tài)振型的三維顯示。另外，本模塊可以輸入自定義地震波或者預(yù)設(shè)地震波，針對特定宏單元設(shè)置剛度折減比例，實(shí)現(xiàn)橋梁的快速地震響應(yīng)仿真，并對橋梁在損傷狀態(tài)下的抗震性能進(jìn)行預(yù)測。橋梁仿真模塊以JSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁開發(fā)，如圖4所示，模型以ActiveX控件來顯示，如圖5所示。

圖3 接口程序流程圖Fig.3 Flowchart of the interface programming

圖4 地震輸入圖Fig.4 Earthquake input

3.6 安全評估模塊

在線監(jiān)測系統(tǒng)給出了四種指標(biāo)來反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，但是單一指標(biāo)的損傷識別方法可能存在誤判和漏判的情況，從而降低了損傷識別的可靠性。因此，本系統(tǒng)將上述多個指標(biāo)進(jìn)行融合，以此提高識別精度和效率。具體地，采用自適應(yīng)加權(quán)最小二乘法實(shí)現(xiàn)4個獨(dú)立指標(biāo)的融合[8]，得到橋梁的綜合評估指標(biāo)，以此對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評估。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

利用上述思路和方法開發(fā)了大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)，并應(yīng)用于多座大型橋梁的監(jiān)測，如圖5所示。整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下其功能：①實(shí)時記錄橋梁振動，并對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析，提供地震事件的報警信息；②提供四個獨(dú)立的損傷指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)每個指標(biāo)的結(jié)果反應(yīng)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；③三維直觀顯示結(jié)構(gòu)動力特性結(jié)果，并對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行快速仿真；④通過對上述多個損傷指標(biāo)進(jìn)行融合，并結(jié)合橋梁的快速地震響應(yīng)仿真結(jié)果，對大型橋梁的地震安全性進(jìn)行評估。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)利用JSF框架搭建系統(tǒng)，Hibernate封裝管理MySQL數(shù)據(jù)庫，JSP、HTML、JavaScript、AJAX、ActiveX等技術(shù)豐富界面，開發(fā)出安全友好實(shí)用的大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)。系統(tǒng)具有開發(fā)難度可控，數(shù)據(jù)管理有條不紊，擴(kuò)展性強(qiáng)，升級更新容易，維護(hù)成本低，用戶安裝和使用簡單等特點(diǎn)，可以滿足地震事件的在線監(jiān)測和報警，橋梁多種指標(biāo)的綜合評估，模擬地震

作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)等需求。本系統(tǒng)可以為橋梁管理方對突發(fā)事件的處理提供有力的決策支持，為震后快速評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性提供了多種方式，同時可為橋梁的抗震設(shè)計和加固提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)實(shí)施效果圖Fig.5 System implementation effect

[1]Ian F.Darwin.Java經(jīng)典實(shí)例[M].北京：中國電力出版社，2009.

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Development and Implementation of Online Monitoring and Evaluation System of Seismic Safety for Long-span Bridges

ZHAO Xianren1，2，WANG Lixin1，2，YAN Kun1，2
（1.Earthquake Administration of Gudong Province，Guangzhou 510070，China；2.CEA Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

Many long-span bridges in Guangdong province have built a strong motion monitoring array,in order to deal with and assess the impacts of seismic events on the bridge,data processing and safety assessment system should be established.This paper developed online monitoring and evaluation system of seismic safety for longspan bridges base on Java technology and MySQL database.The system realizes the functions of earthquake alarm,bridge vibration data real-time analysis,fast simulation and safety assessment of bridge.System successfully used in long-span bridges strong motion monitoring array can provide scientific decision-making for bridge management to respond to emergencies,basic data for the bridge seismic safety evaluation and seismic design and reinforcement.

Bridge engineering；Strong motion monitoring；Safety assessment；System development

U442.55；U446

A

1001-8662（2016）03-0029-06

10.13512/j.hndz.2016.03.004

2016-06-20

由廣東省重大科技專項(xiàng)（2012A080102008）、中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（2011A060901006）、地震科技星火計劃（XH16031）共同資助

趙賢任（1982-），男，工程師，主要從事強(qiáng)震動監(jiān)測方面研究工作.

E-mail：felix0930@me.com

趙賢任，王立新，嚴(yán)琨.大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用和功能的實(shí)現(xiàn)[J].華南地震，2016，36（3）：29-34.[ZHAO Xianren，WANG Lixin，YAN Kun.Development and Implementation of Online Monitoring and Evaluation System of Seismic Safety for Long-span Bridges[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：29-34.]