桥梁强震动监测与报警系统的研发及应用

吴华灯 赵贤任

桥梁强震动监测与报警系统的研发及应用

吴华灯 赵贤任

吴华灯，2008年毕业于中山大学计算机系，理学学士，高级工程师，主要从事计算机应用技术和强震动监测技术系统集成研究，现任广东省地震监测中心技术室副主任。曾主持开发了一批软硬件产品，并在系统内得到推广应用。近5年来，作为项目主要成员参与并完成地震行业科研专项和广东省科技计划项目5 项，主持完成地震科技星火计划项目2项，主持完成广东省科技厅项目协作任务1 项，完成中国地震局业务司“强震动台网管理软件”开发任务1 项，发表EI 和核心期刊论文10多篇，参编国家标准2 部，获得国家发明专利2 项，参加多届粤港澳地区地震科技研讨会、强震动观测技术与应用专业研讨会等学术会议。曾获广东省防震减灾优秀成果奖二等奖（排名第三）、中国地震局震害防御司强震动观测技术革新奖（排名第一）、第十届全国虚拟仪器技术应用方案有奖征文竞赛一等奖（排名第一）。

项目研发背景

2007年6月15日，广东省九江大桥23号桥墩被船撞击，22号和24号桥墩随后倒塌，200米桥面坠入江中，致使4辆汽车坠入江中，事故导致7人死亡，2人下落不明，成为新中国成立以来最大的坍桥事故。事故发生后，引起广东省地震局党组的高度重视，随即组织技术人员对事故进行了思考和分析，提出尽快开发出一套具备桥梁强震动监测及碰撞报警功能的软硬件系统，并与广东省相关主管部门就“在广东省内有条件的桥梁上设置强震动监测设施”事宜开展沟通协调。事情经过近一年的推进，广东省交通厅于2008年3月5日，向省地震局、各地市以上市公路局、广州市建委及省内有关路桥公司等部门，发出了“关于在我省特大桥梁上设置强震动监测设施的通知”。通知明确规定：广东省公路桥梁主跨150米以上，跨江海、河流的特大桥，按照“统筹实施，分步推进”的原则，设置强震动监测设施。先期开展虎门大桥等4座大桥的强震动监测工作，在总结经验的基础上，再在全省特大桥梁全面推广强震动监测工作。“桥梁强震动监测与报警系统”的软硬件开发工作随即全面开展。

项目研究内容

研制多通道强震动数据采集器。

开发桥梁强震动监测报警系统软件。

项目研究目标

研制出一台多通道强震动数据采集器和一套桥梁强震动监测报警系统软件并进行系统集成，实现桥梁地震反应专用台阵的数据采集、数据传输、数据汇集、数据存储、数据实时处理和交互分析等功能，达到对桥梁健康监测、安全诊断和震动报警的目的。

“6・15”九江大桥坍桥事故现场

系统功能指标

多通道强震动采集器具备以下功能指标：

・单台设备支持48通道的数据信号输入，可扩容到96通道信号输入。

・采用了经济型的搭建方式，使用数字抗混叠滤波器，采集精度达16位分辨率，动态范围90 dB，可升级到24位分辨率、120 dB动态范围，采样速率支持到250 SPS。标配单分向、两分向、3分向DC-80 Hz频响、120 dB动态范围甚至更高的加速度计。

・在实时RT设计上，具备IIR-A、CLASSIC STRONG MOTION、IIR-C三种触发滤波器和多种采集触发策略。结合FPGA设计，具备标定信号的多路转换控制。

・具备实时数据的MiniSEED格式压缩封装，并能够按照NetSeis/ IP协议，无缝接入国内地震行业“区域地震台网常规数据处理系统JOPENS”的地震数据流服务器。

・多通道数据采集器的上位机软件，具备远程波形数据实时计算（包括最大加速度、最小加速度、均值加速度、峰值加速度、均方根、sigma等）、强震动报警、远程参数设置、本地记录、远程记录、远程标定、数据管理、数据的FFT分析、STFT分析等功能。

・支持数据非压缩传输。

・能显示设备的系统状态、连接状态、GPS状态、秒脉冲状态、报警状态、硬盘和内存空间使用情况等。

・支持大容量的存储空间，可外挂1T容量的硬盘、10/100 BaseT以太网口、设备防尘防雨等级IP65、设备适应-40～70℃温度及5%～95%工作湿度、适合9～18V供电等。

桥梁强震动监测报警系统软件具备以下功能：

・能对多座桥梁地震台阵数据进行汇集。

・能对多座桥梁地震台阵进行后台数据实时处理（峰值加速度计算、CoC矩阵计算、反应谱分析等）、前台数据交互分析。

・能对多座桥梁地震台阵进行数据存储。

・能对多座桥梁地震台阵进行准实时震动状况监测、安全诊断及报警。

多通道强震动数据采集器

成果应用情况

目前，项目成果已经在广东省佛开高速公路有限公司的“佛开高速九江大桥强震动监测和警报系统”工程项目、广东虎门大桥有限公司的“虎门大桥强震动监测和警报系统”工程项目、广州珠江黄埔大桥建设有限公司的“黄埔大桥强震动监测和警报系统”工程项目、新丰江大坝地震反应专用台阵升级改造项目、湖北省地震局地震工程研究院水库大坝监测等项目中得到应用。还拟定了下一步在汕头礐石大桥地震反应专用台阵和汕头国际隔震试验楼台阵等项目中的应用方案。

桥梁强震动监测报警系统软件报警界面

自从2012年11月本项目成果在河源新丰江水库大坝地震反应专用台阵上使用以来，记录了大量震级在M 1.5到M 2.5的地震，其中记录最大的地震事件是2013年2月22日11时34分发生在河源的M 4.8地震，取得了新丰江大坝强震动观测史上最有价值的数据。“十一五”以来，该台阵使用的是国外进口设备，由于设备的不稳定和故障原因，漏记了多次有价值的地震事件，而本项目研制出的设备，在试运行时便采集到了很多有价值的数据。项目成果在佛开高速九江大桥、虎门大桥、广州珠江黄埔大桥等桥梁台阵上部署以来，也记录了大量的连续波形数据，通过对数据进行峰值加速度分析、快速傅立叶变换、窗口傅立叶变换、反应谱的计算和绘图，得出了这些桥梁关键部位的峰值加速度、频率分布情况、桥面地震响应及传递函数和桥梁的振动周期等，效果明显。

成果主要效益

“桥梁强震动监测报警系统”的研制成功，可以实时监测桥梁结构受震动状况并进行地震事件或碰撞事件的实时报警；可以获得桥梁结构模态变化数据，为判断桥梁健康状态提供依据；可以捕获宝贵的强震时程数据，服务于桥梁工程抗震设计。该系统在国内多通道强震监测应用上处于领先水平，其中数据采集器在性能和功能上，已经超越了进口设备，总体上使我们摆脱对进口设备昂贵的费用负担和技术牵制，将开创科学仪器技术创新格局，并向产业化方向迈进，力促经济指标上一个台阶。

广东省交通厅粤交基函〔2008〕407号文件要求，对我省公路桥梁主跨150米以上，跨海、河流的特大桥，按照“统筹实施，分步推进”的原则，设置强震动监测设施。当前，已经在广东省4座特大型桥梁上设置的强震动监测设施，使用了本项目的研究成果。据2007年的统计结果显示，仅广东桥梁（县道以上）就达3.6万余座。其中一类桥（完好、良好状态）5935座，占40.89%，特大桥梁上百座，其他省份知名的特大桥梁数目也非常多。本项目研究成果的应用数量按保守估计每年10套计算，预计投入成本300万元人民币，可实现销售收入600万元人民币，具有非常好的市场前景。

根据国务院2004年第409号令的要求，重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构均要设置强震动监测设施。本项目的研究成果，可进一步应用到其他重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构上，将获取丰富的结构抗震性能信息、提高结构分析和设计水平，将能实时地对工程建筑结构物的健康进行诊断。特别是在遇到突发性震动破坏事件时，能对重大工程、生命线工程实行监测报警，及时采取应急措施，进而减轻突发性破坏事件造成的经济损失、人员伤亡。

后续发展

项目的后期，依托中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室和广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室的平台资源，重点实验室的其他科研小组在早期项目成果的基础上，开展了后续开发，重点是基于B/S框架开发了大型桥梁振动数据分析信息系统软件，冠名“大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统”。

建设的主要内容如下：

1.基于浏览器端开发符合用户需求的大桥振动数据监测与评估系统应用，主要功能包括监测系统介绍与参数设置、报警模块、数据浏览、多指标融合分析及仿真五部分；

2.开发与浏览器端系统相匹配的WEB后台管理系统，主要功能包括数据自动处理、数据管理、系统管理三部分。

基于B/S架构的报警模块

未来展望

项目在立项时，重点的服务对象是“大型桥梁”，因此软件的很多功能指标是针对桥梁而开发，缺乏普适性。但项目在总体设计规划时，其顶层设计是考虑了能采集并汇集生命线工程（机场、港口、燃气枢纽、供水管道、海洋平台等）、超高层建筑（电视塔、商务中心等）和特殊结构（地铁、新型桥梁、大坝、核电站等）等强震动监测设施的数据的，后期尚需针对不同的观测对象，开发出相应的数据处理功能模块，使得强震动监测与报警系统具有更好的通用性，以满足防震减灾和社会经济发展的需求。