高铁站台钢结构雨棚健康监测技术的研究与应用

刘 辉，宫 涛

（1.中国铁路北京局集团有限公司 信息化处，北京 100860；2.中国铁路北京局集团有限公司 土地房产管理处, 北京 100860）

随着高速铁路的快速发展，铁路基础建设的安全性面临严峻考验。站台雨棚作为铁路基建的重要组成部分，在高速铁路上的应用逐渐增多。高铁雨棚在长期运行、使用过程中，经历时间变化、环境变化以及大风、雨雪等特殊气候条件，其钢结构难免发生各种变形、损伤，存在危及旅客和行车安全的隐患。因此对高铁雨棚钢结构进行实时、在线、长期监测已成为其安全评定、运行安全性和可靠性的重要保证措施。开展高速铁路雨棚钢结构健康监测技术研究具有重要意义。

大型钢结构建筑健康监测技术不断发展，我国在铁路客站工程建设中也逐渐开展了一些结构健康监测的工作，如北京西站、北京站无站台柱雨棚安全监测工作，沈阳北站无站台柱雨棚安全性评价、上海虹桥站超长梁监测工作，南京南站结构应力、动力响应和变形测试3部分监测工作，深圳福田站地下结构施工的变形监测工作，取得了一定的成果[1-3]。目前国内外大型建筑应力监测和形变监测研究普遍采取定时监测、特定监测和人工监测，主要解决定期巡检和突发事件（大风、大雨、沉降等）后的监测，不能实时、有效和长期健康分析，存在实施复杂、人力物力耗费巨大等问题。建筑物（雨棚）等资产的全生命周期健康管理已经有相关研究，但还不够成熟、稳定，可用性不高。

现阶段健康监测系统应用特点主要为[4]：（1）在全世界重大工程应用最多的是桥梁结构，并逐渐推广到其他形式的结构；（2）应用规模与工程投资相匹配，监测项目与结构形式相匹配；（3）系统呈现连续监测、运行便捷、功能全面和高新技术应用等发展趋势。同时，健康监测系统研究也面临一些重要挑战：（1）系统设计缺乏统一的标准和规范；（2）传感器选型及优化布设的合理性有待商榷；（3）系统本身软硬件的耐久性、长期稳定性难以保证；（4）环境影响和测量噪声难以消除；（5）测量数据的不完备性造成数据分析困难；（6）海量监测数据的处理困难，容易淹没真实有用的信息；（7）结构损伤识别方法还处在理论研究和实验室应用阶段；（8）结构健康状态评价理论尚不完善；（9）相关子系统的有机结合和协调统一有待加强。

本文基于钢结构健康监测和健康评估技术理论，以及在阳泉北站的实际应用情况，介绍高速铁路钢结构雨棚变形在线监测系统架构、主要功能，梳理系统技术性能、关键技术、存在问题、改进建议、工程效益分析等。

1 高铁站台钢结构雨棚变形在线监测系统

高铁站台钢结构雨棚变形在线监测系统采用先进的测试传感设备对结构在外界各种激励包括交通荷载、环境荷载等各种响应进行监测，对监测到的各种信息进行处理，结合结构模型等经验知识对结构进行诊断，分析结构的损伤状况，对结构的健康状态进行评价，并确定科学的维修、养护策略[5]。

针对目前钢结构雨棚健康监测中存在诸多不足的问题，基于业务部门对阳泉北站钢结构雨棚的管理需要，应用钢结构健康监测和健康评估理论，结合现有无线物联网技术，研制出集现场传感器数据采集、突发情况预警与报警等一体的钢结构雨棚变形监测系统。该系统满足以下功能要求：

（1）钢结构应力集中点采集：通过对钢结构雨棚进行应力分析，得出高铁雨棚的应力集中点，并进行无线应力传感器部署，采集关键的应力传感器变量。

（2）钢结构雨棚无线温度采集：考虑到阳泉北站已经整体运行超过5年，整体结构变形状态接近稳定，但处在季节温度变化明显，昼夜温差较大的地理区域，温度载荷较大，需对其进行温度形变进行监测。

（3）钢结构雨棚健康数据传输：对来自无线应力传感器数据和温度数据进行工业现场级无线传输，确保健康状态参数能够稳定地传输到无线管理基站，并在初步处理后，通过有线网络或WLAN传输到监控服务器。

（4）钢结构雨棚健康监测数据处理：处理、存储和图形化展示雨棚健康状态数据，包括单点的应力应变曲线展示和应力云场图展示等。

（5）钢结构雨棚健康预警：通过数据处理和分析，对雨棚健康状态进行预警，防止突发灾害发生。

1.1 系统架构

该系统共分为4部分：传感器子系统，数据采集、处理与传输子系统，数据管理子系统，安全评估与预警预报子系统。系统网络结构如图1所示。

图1 系统网络结构图

基于雨棚钢结构的结构内力、应变、位移变化等关键部位的监测数据实现结构受力分析、拱架应力监测分析、拱架变形观测分析等应用，保障整个大型雨棚钢结构质量。同时通过对钢结构的长期、实时监测、分析，设计雨棚钢结构应力变化模型和形变变化模型，支撑大型雨棚钢结构的健康状态预测、维护和维修，实现大型雨棚健康状态可视化、可量化、可控化。

1.2 硬件架构

监测系统的硬件控制包括以下部分：监控室计算机，现场路由器，无线传感器管理基站（网关），无线应变变送器、传感器、无线温湿度传感器[6]。系统硬件架构图如图2所示。应力传感器应考虑整体钢结构拱架的受力特性，在布置应力测点时, 综合考虑理论分析较大的受力部位以及施工过程中的薄弱环节；位移传感器采用超声波测距矩阵方式，实现对整个结构体多维立体实时监测，同时扩大监测范围，避免某一应力点或某一特定区域的单一监测。

图2 系统硬件架构图

1.3 软件架构

通过对监测系统实际用户现场应用的详细分析和试验验证，系统软件架构设计为5级，如图3所示。数据分析、数据处理是监测系统的核心部分，为用户提供辅助决策参考。数据处理模块主要实现变形量计算、变形速率计算、变形预报和三维变形模拟计算。变形预测模块通过MatlabEngine技术，完成BP神经网络和灰色模型预测的Matlab实现功能；三维变形模拟计算基于ArcObjects中的SceneControl控件，实现BP神经网络和灰色模型的应用。

图3 系统软件架构图

1.4 钢结构健康监测模型

钢结构健康监测系统研究涉及测试、分析及决策等多个学科，其理论核心为基于振动的损伤识别技术[7-8]。作为钢结构健康状态监测管理类系统，功能应涵盖了传感器数据采集、多种方式数据远程传输、系统监控报警、报表、曲线数据呈现、云场图呈现等多项功能。并可根据监测数据显示与采集系统及在线有限元计算分析系统获取的信息进行结构模态识别，获取结构频率、振型、阻尼等。分析与识别对比评估系统目前提供了在线分析计算与识别结果的各种对比显示图，进行非寻常监测结果的预警和报警。

在结构模态在线识别中，应力计算方法主要包括“平行于梁轴”、“45°于梁轴（测量剪应变）”、“45°应变花（测量轴力、弯矩和剪应变）”等3种，考虑到在系统实际应用中的雨棚结构简洁，监测传感器只采用了平行于梁轴的振弦式应变传感器[9]，故采用第1种应力计算方法。

计算程序采用ANSYS分析软件，将力学简化后的雨棚顶面传递的风荷载、雨荷载和雪荷载作用到有限元模型的节点上[10]，并建立空间三维模型分析受力，如图4所示。

图4 雨棚结构有限元分析图

采用雨棚结构健康状态评估的预测函数（式（1））进行评估，评估标准如式（2）～ 式（4）。

其中：

K为结构刚度；

T为环境温度因素；P为外部荷载。

其中：

ε1i为诊断标准；

ε2i为安全限值；

Yi为响应量的实测值；

Y/i为响应量的计算值；

i为第i阶模态。

式（2）说明实测值与预测计算值接近，表示结构健康状态正常。

式（3）说明实测结构响应值偏离预测计算值，但仍处于安全范围内。

式（3）说明实测结构响应值不仅偏离了预测计算值, 而且已经超出了规范允许的正常使用安全限值。此时的结构健康状态可能存在严重的安全隐患，应立即发出报警信息，查明故障原因、排除险情。

2 关键技术

高铁站台钢结构雨棚变形在线监测系统主要目的是解决钢结构雨棚变形实时监测实施不便、无法长期有效监测的实际问题。通过比较各种变形监控方案的优劣，最终采用无线传感器网络技术开发。该系统造价低，后期维修费用低，易扩展，易操作和便利性，其高实用性使其不受地理空间位置限制。系统关键技术如下：

（1）无线传感网[11]技术：开发的无线传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源构成，具有感知能力、计算能力和通信能力，即传统传感器基础上，增加了协同、计算、通信功能。

（2）独特的低功耗电源设计及深度休眠唤醒技术：大幅度增加采集传感器节点的工作寿命。

（3）分布式远程Web服务平台技术：使远程无线监控数据实时、可靠传输，达到物-物、物-人实时互联，实现高铁雨棚钢结构全生命周期状态监测。

3 案例分析

该监测系统在阳泉北站应用实施，于2015年10月正式投入使用，现场效果图如图5所示。系统正式投入运行后，钢结构健康监控室值班人员通过监控智能终端和监视器大屏对本站内钢结构雨棚运行、应力变化、结构变形情况进行集中监测，如图6所示，实现了对阳泉北站2号站台斜拉梁钢结构雨棚的集中应力、应变以及实时天气（风速、风向、雨量、温度、湿度）的远程实时监视、健康预警、参数存储和历史数据回放等功能。经过7个多月的运行，经济效益显著，实施效果良好。

3.1 效益分析

图5 现场监测实施图

图6 实时显示传感器数据和曲线图

通过本监测系统投入运行，减少了站内监控室数量和雨棚监控值班人员。进一步节省了费用支出，取得了很好的经济效益，预计每年可节约各项费用支出131.5万元，如表1所示。

表1 可节约的各项费用单位：万元

该监测系统投入运行以来，通过将多余的监控室用来安排维修工日常值班，就近及时处理雨棚出现的各种问题，提高了雨棚发生问题后处理故障的及时性；通过自行进行设备维保，提高了监控系统发生问题后处理的及时性和可靠性。

3.2 实施效果

该监测系统在阳泉北站取得了良好的实施效果，达到预期目标。对高速铁路雨棚钢结构进行实时、在线和长期应力监测、变形监测特征分析，使钢结构雨棚变形监测成本低、效率高。有效保障站台类雨棚结构的安全稳定运行，保障旅客出行、行车组织安全等运输系统的正常运行；能够及时发现结构异常、损伤或退化，确保结构运营安全；向有关专家提供监测数据，供业主在暴雪、地震及其它灾害性事件后，及时提供实时信息，以实现全面有效的安全评估；通过高速铁路雨棚智能监测与诊断技术，实现站内分层分布式状态监测、采集和一体化数据集成、存储、分析应用，使高铁雨棚可基于状态进行智能维护。

综上所述，通过本监测系统的应用，提高了铁路斜拉梁钢结构雨棚健康监测的管理效率和服务水平，保证了铁路斜拉梁钢结构使用安全。同时，前期研究还存在无线传感器数量受限和电池供电不足，造成数据采集不够丰富、更换电池成本增加的问题，随着无线传感器网络技术的日益完善和发展、成本的持续降低，将逐步减小上述两个问题带来的影响。

4 结束语

本文研究设计了高速铁路钢结构雨棚变形在线监测系统。通过现场工业无线传感器网络对雨棚健康参数以及环境参数进行多方位、多参数采集，实现钢结构雨棚健康状态的长期、实时在线监测，满足钢结构应力集中点采集、雨棚无线温度采集、健康监测数据传输及处理、钢结构雨棚健康预警等功能。本监测系统在阳泉北站的实际应用表明，系统实施和部署快速简洁，长期运营稳定、可靠，且整体成本较低，降低了雨棚运维的劳动强度和运营成本，提高了雨棚正常使用的安全性，具有良好的实施效果和经济效益，具有一定的推广价值。

[1] 孟宪全. 北京西站无站台柱雨棚安全监测方法[J]. 铁道建筑，2006（7）：96-98.

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