楊建南

浙江滄海建設(shè)有限公司 浙江 寧波 315105

1 橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系應(yīng)用的作用和意義

橋梁結(jié)構(gòu)在橋梁使用過程中受到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工材料質(zhì)量與工藝技術(shù)、交通超載負(fù)荷及偶然事故等各種內(nèi)外因素的影響，其結(jié)構(gòu)安全性能會發(fā)生變化，嚴(yán)重的話會危險到人們生命財(cái)產(chǎn)和國家交通設(shè)施安全。

長期以來，由于技術(shù)水平及環(huán)境等因素的影響，人們對橋梁的典型、重要、復(fù)雜結(jié)構(gòu)安全性一直采用人工方法在現(xiàn)場進(jìn)行檢測，將檢測數(shù)據(jù)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。這種方法不能及時、有效的掌握橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時安全狀況。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別在傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊與傳輸技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)施實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測成為現(xiàn)實(shí)。通過橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時安全信息數(shù)據(jù)采集、傳送收集及分析評估技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)人工現(xiàn)場檢測方式，能夠使我們正確的掌握橋梁使用過程中結(jié)構(gòu)安全性能的變化規(guī)律、趨勢，為判定結(jié)構(gòu)安全等級提供依據(jù)，并對出現(xiàn)預(yù)警的結(jié)構(gòu)安全問題及時采取有效措施進(jìn)行整改、調(diào)整，確保橋梁使用安全。

2 橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系的組成

橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用需要一個完整的體系組成。該體系包括結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集分析與處理系統(tǒng)、安全評估與預(yù)警系統(tǒng)、安全決策系統(tǒng)。

橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，實(shí)時采集橋梁的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的流程進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和組織，在此基礎(chǔ)上通過信號調(diào)理和傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)集成存儲，結(jié)合數(shù)據(jù)智能識別、融合和分析診斷，完成橋梁結(jié)構(gòu)安全的實(shí)時監(jiān)測及預(yù)警分析，有效杜絕橋梁結(jié)構(gòu)各種安全事故的發(fā)生。

2.1 結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)

在橋梁各個重要部位安裝不同類型的傳感器設(shè)備，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)來實(shí)時采集橋梁運(yùn)行過程中的各種形態(tài)變化和運(yùn)行數(shù)據(jù)。使用的傳感器類型有沉降、應(yīng)變、位移、壓力、振動、傾角、加速度、溫度及濕度等。傳感器在橋梁中的安裝部位根據(jù)性能及采集的數(shù)據(jù)不同而不同，比如可以將振動傳感器安裝在橋梁面層、箱梁底部、蓋梁與立柱連接處等部位，壓力傳感器和位移傳感器可以安裝在支座及箱梁梁板之間位置。

各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須安裝正確、牢固可靠，能夠確保及時準(zhǔn)確的收集各種數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的工作形式有檢測數(shù)據(jù)全天候?qū)崟r采集、定期周期性采集和監(jiān)控中心指令數(shù)據(jù)采集三種模式。

2.2 無線數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)

采用無線數(shù)字化通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信與傳輸，具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、實(shí)用方便的優(yōu)點(diǎn)。它既可以實(shí)現(xiàn)人與人之間的數(shù)據(jù)通信，又可以實(shí)現(xiàn)人與儀器設(shè)備、儀器設(shè)備與儀器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

將通過傳感器收集到的數(shù)據(jù)，輸入到轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)信號模式轉(zhuǎn)換為電信號模式（即基帶信號）過程。設(shè)置加密器，能夠起到信息保密的效果。對基帶信號經(jīng)過調(diào)制以后將其頻譜轉(zhuǎn)移到較高的頻率范圍進(jìn)行頻帶傳輸，完成檢測數(shù)據(jù)無線通信與傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心接收設(shè)備的功能。

2.3 數(shù)據(jù)收集分析與處理系統(tǒng)

由于各種傳感器采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)表示的意義不同，存儲和處理的方式大不相同，因此需要對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類收集和處理。

數(shù)據(jù)信號通過各種不同的信道傳輸發(fā)出，會出現(xiàn)信號的失真及噪音混雜現(xiàn)象。數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的作用就是在受噪音影響的信號中區(qū)分噪聲和有用的信號，取出有用信號并通過輸入轉(zhuǎn)換器將信號還原成數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的分析與處理利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成，利用各種通訊、數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用處理軟件通過對有用數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、整理、計(jì)算，分析得到各種指標(biāo)數(shù)據(jù)，并將處理后的所有數(shù)據(jù)（包括不同監(jiān)測時間、不同橋梁結(jié)構(gòu)部位及不同類型的橋梁）進(jìn)行歸類，形成數(shù)據(jù)庫。

2.4 安全評估與預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，建立健康監(jiān)測模型。

利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)程序軟件，將分析得到的各種指標(biāo)數(shù)據(jù)與健康監(jiān)測模型進(jìn)行比較，確定結(jié)構(gòu)安全參數(shù)是否處于正常范圍以內(nèi)。對超過標(biāo)準(zhǔn)安全警示值數(shù)據(jù)的項(xiàng)目（變形、振動、位移、應(yīng)力應(yīng)變等）啟動預(yù)警模塊，為橋梁安全決策提供相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

2.5 安全決策系統(tǒng)

通過安全決策系統(tǒng)，對預(yù)警模塊項(xiàng)目采取的技術(shù)措施進(jìn)行安全評估和對比，選擇科學(xué)合理的方案對出現(xiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)安全問題進(jìn)行維修加固處理，避免橋梁在非健康狀態(tài)下使用而導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問題。

3 橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)實(shí)施應(yīng)用的技術(shù)條件

目前，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的建筑業(yè)，在工程設(shè)計(jì)、施工過程中質(zhì)量與安全控制、運(yùn)營管理等各方面，已經(jīng)融入許多新型技術(shù)，如BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G+移動通訊、3D打印、云計(jì)算等,這些創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，為建筑業(yè)智能化與信息化管理提供強(qiáng)有力的支撐。

在橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)應(yīng)用到的科技創(chuàng)新技術(shù)方面有：

3.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)

建立適合于橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警大數(shù)據(jù)應(yīng)用框架。通過匯聚整合和分析相關(guān)大數(shù)據(jù)，建立安全保障體系，規(guī)范大數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)安全保障措施。

3.2 云計(jì)算

利用云計(jì)算中的虛擬化、分布式數(shù)據(jù)存儲、大規(guī)模數(shù)據(jù)管理、信息安全、綠色節(jié)能等多項(xiàng)ICT技術(shù)，能夠?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)處理技術(shù)服務(wù)支持。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警需求，利用低成本、低功耗、智能化傳感器及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)高速移動通訊、無線射頻、近場通訊、二維碼識別、核心芯片、儀器儀表、配套軟件等在橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警的集成應(yīng)用。

3.4 智能化技術(shù)

在橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警實(shí)施過程中，采用智能機(jī)器人及設(shè)備、手持智能終端設(shè)備、智能監(jiān)測設(shè)備等，是一種智能化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢。它的應(yīng)用可以提升監(jiān)控預(yù)警準(zhǔn)確性和效率，降低安全風(fēng)險。

3.5 5G+移動通訊

隨著5G+技術(shù)的出現(xiàn)，會助推橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警體系的使用。首先，5G技術(shù)高帶寬數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，適合于橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。其次，基于智能終端的橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)測設(shè)備在5G的支撐下，實(shí)現(xiàn)可視化操作和智慧化管理。

4 橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)存在的問題及未來發(fā)展方向

4.1 存在的問題

目前，道路橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)在研究及使用過程中還需要以下幾個方面的問題

（一）傳感器的優(yōu)化合理布置

橋梁在使用過程中，結(jié)構(gòu)所受到的影響安全的因素較多，也比較復(fù)雜，而各種傳感器的數(shù)據(jù)采集性能又有一定的局限。因此如何對傳感器進(jìn)行選擇和合理布置，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)能不能順利開展的關(guān)鍵。

（二）監(jiān)測數(shù)據(jù)無線通信與傳輸模式的選擇

目前各種數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù)非常先進(jìn)。但我們也應(yīng)該考慮到目前部分道路橋梁分布在城市外圍傳輸信號薄弱的地方且部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備安裝部位比較隱秘。這些部位如何順利進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與傳輸，也是我們在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)應(yīng)用時應(yīng)該解決的問題之一。

（三）監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)采集設(shè)備的更換與維修

數(shù)據(jù)采集設(shè)備也有一定的使用壽命和周期。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備（如傳感器）數(shù)量多，一般安轉(zhuǎn)部位隱秘，對設(shè)備的日常維護(hù)及保養(yǎng)十分困難，而且更換時還會影響到數(shù)據(jù)的正常采集與傳輸發(fā)送。這就需要我們在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)時，一要根據(jù)數(shù)據(jù)不同采集要求需要選擇合適的采集設(shè)備，保證其采購和安裝質(zhì)量，提高其使用壽命和周期。二要在安裝位置設(shè)計(jì)時，既要考慮到滿足數(shù)據(jù)采集要求，又要考慮到日常數(shù)據(jù)采集設(shè)備的維修保養(yǎng)與更換要求。

4.2 未來的技術(shù)發(fā)展方向

（一）通過微波、太赫茲及紅外成像等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時探傷、災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警。包括對橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)裂紋探傷、缺陷演變過程監(jiān)控及預(yù)警，對橋跨結(jié)構(gòu)、支座體系、蓋梁立柱及橋梁樁基的位移、演變過程監(jiān)控及預(yù)警。

（二）通過基于光纖光柵、電阻敏感纖維的應(yīng)力和溫度傳感器預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)置，在橋梁結(jié)構(gòu)工程施工過程中安全生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域方面得到應(yīng)用，與建筑業(yè)推廣的工程建設(shè)信息化與智能化管理有效結(jié)合。

（三）結(jié)構(gòu)安全實(shí)施監(jiān)控預(yù)警體系技術(shù)先進(jìn)，不僅能夠?qū)蛄菏褂眠^程中結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警中應(yīng)用，而且還能夠應(yīng)用于房屋內(nèi)外結(jié)構(gòu)、綜合管廊、特殊地質(zhì)條件、水庫大壩等方面的實(shí)時監(jiān)控預(yù)警，具有較廣泛的應(yīng)用前途。

5 結(jié)束語

保證已投入使用橋梁的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測采用人工地毯式方式進(jìn)行，配備簡單的測量儀器，測得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，只能以模糊分級的方式描述橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，不能及時正確反映橋梁工作實(shí)時狀態(tài)信息。而采用橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系，采用專用設(shè)備儀器實(shí)時監(jiān)測橋梁的安全狀態(tài)參數(shù)，用專用設(shè)備和軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、分析和加工，就能夠得到橋梁的正確工作狀態(tài)信息，再通過特定的分析方式確定橋梁的健康狀況與安全預(yù)警參數(shù)，利用決策系統(tǒng)對橋梁的結(jié)構(gòu)安全問題進(jìn)行處理，確保橋梁使用安全?？梢钥隙ㄊ褂脴蛄航Y(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系，對保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全使用具有非常重要的作用。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)安全實(shí)時監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系不斷完善和進(jìn)步，不僅可以實(shí)現(xiàn)對已投入使用的橋梁工程結(jié)構(gòu)安全全方位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，而且還可以結(jié)合橋梁施工過程中質(zhì)量與安全監(jiān)控管理，應(yīng)用到施工過程當(dāng)中去。