大交通量城市高速公路桥梁物联网系统研究

麦 剑，韩 鹏

（1.广州快速交通建设有限公司，广东 广州510475；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

以机场高速公路为代表的城市高速公路，是诸多城市连接核心区和机场大型交通枢纽的重要通道，是保障城市正常生产、生活的重要载体，也是区域经济实力和现代化水平的重要标志。城市高速公路桥梁既承载着繁重的交通服务任务，又面临着诸多突发性和渐变性风险。现有管养体系主要以人工定期巡检为主，缺乏与运维安全相关指标的实时监测，管理部门在巡检间隔期无法即时体察风险。同时，由于线路长、交通量大、环境复杂、桥梁体量大、并行构造物阻隔等因素，大量道路、桥梁巡检频度不高，可达性不好，人员安全风险高，这使得运维管理工作对网络化、区域化、实时性监管技术的需求日趋迫切。伴随国家“互联网+”战略的推进，城市生活对安全、高效、便捷的需求不断提升，客观上要求构建设施智能化、服务功能综合化的现代道路交通服务体系。

以互联网为核心，基于现代传感技术、智能巡检技术、云平台数据管理技术的桥梁物联网平台，代表着“互联网+”时代城市基础设施运维安全管理的发展方向，成为中小型桥梁区域化管理的破局之道[1]。

桥梁物联网的核心技术构架为：面向大量桥梁的广泛应用，在结构关键部位，针对与安全直接相关的关键指标设置传感器，并可采用智能巡检的方式互补，实现在位置和指标类别上的全覆盖。采用云平台集约化数据管理与网页、手机客户端轻量化使用相结合的服务模式，为桥梁区域化安全运维管理提供从风险感知、病害巡查，到综合数据存储、运算管理，到风险预(告)警、应急保通、维修养护全过程的产业化智慧服务。

本文以背景项目——广州机场高速流溪河特大桥为依托，针对城市高速公路桥梁这类特定的长线路桥梁，阐述其运维管理需求，并结合实施约束条件等要素，研究其物联网系统的构建和实施方案。流溪河特大桥主桥为3跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置50 m+80 m+50 m，中墩为双柱薄壁墩，引桥为跨径20~30 m小箱梁或板梁结构。

1 运维需求与实施条件分析

桥梁物联网系统的重要特点在于，面向大量桥梁的区域化运维管理，首选对结构安全最关键的指标，在关键部位设置在线传感设备。因而，系统设计应因地制宜，充分分析对象桥梁的结构特点和运维环境特征，并结合系统实施阶段的各项约束条件，从功能性、经济型和实施便利性等多方面选取“少而精”的最优方案。

（1）运维需求

以机场高速为代表的城市高速公路，其显著特点在于兼容了“高速公路”和“市政道路”的特征，车辆多、车速快，重车数量少于普通高速公路，但对偶发对象更不可忽视。这对采集制度、告警规则的制定都有特定的要求，部分要素需要根据一定时期数据积累之后再优化，进而形成长线路城市高速公路特有的在线运维管理机制。

（2）实施对象

城市高速公路中的混凝土梁式桥，其日常运营的主要荷载来自上部道路的通行车辆。上部结构挠度和关键部位的应变，是运维阶段需首要关注的关键指标。除主通航孔等重点桥跨采用连续刚构结构，其余桥跨一般采用小跨径小箱梁或板梁。由于长线路桥梁的连续性和封闭性，引桥的运维安全同样应受到重视。而且，与大箱梁结构相比，小箱梁和板梁是横桥向多片排布型式，其任一单片梁体的损伤都会影响到线路的整体安全，从该层意义上，小跨径引桥的安全更应引起足够的重视。因而，在物联网设计中，除主桥外，应选取部分小跨径引桥予以监测。同时，由于引桥结构型式单一，可首先选取典型桥跨，其运维监测数据亦可对近似桥跨提供参考。因而，在本文所依托的物联网试点项目中，选取了主桥和一跨引桥作为实施对象。

（3）设备选型

城市高速公路的通行车辆以小型轿车为主，兼有部分中等载重量的客车、货车，偶尔有大型运输车辆通行，其共同特征在于通行速度快。因此，运维指标采集系统应能够充分满足结构动态响应的需求。对挠度监测，常用连通管式静力水准仪对动态荷载下的液面波动较为敏感，不适用于持续大交通量的桥梁结构，因而，推荐采用以机器视觉为核心技术的视频-靶标装置，开展高频度位移监测。对应变监测，常用振弦式应变计对振动环境较为敏感，因而推荐采用光纤光栅式应变采集设备。

（4）受力特征

流溪河特大桥为上下行分幅设计，重车以右侧车道行驶为主。对主桥单箱单室箱梁，通常重车荷载作用下，右侧腹板为荷载横向分布的承担主体。

主桥为连续刚构桥梁，主墩为双薄壁式桥墩，墩顶主梁在主跨和边跨侧梁端的弯矩和应力分布不同，主跨主梁亦存在负弯矩向正弯矩区段的过渡，应力分布复杂。对上部结构主跨，可选取跨中、双1/4跨、双根部共5个关键截面；对边跨，可选取跨中、根部共4个关键截面。

（5）实施条件

从安装实施的安全性、便利度等要素考虑，应通过优化设计，使得传感系统在有效反映结构运维状态的同时，减小安装实施阶段对交通的影响，降低人员可达性难度，提高安全保障水平。

以流溪河特大桥为代表的诸多早期建造的大跨度箱梁，在建造时并未设置人孔，因而监测设备无法安装在箱梁内部，需选用桥检车等大型机具，为安装人员实现梁体关键部位的可达性。实施过程中，除了关键截面的“点式”安装，尚需布设设备之间的连接线路，因而安装作业是一个连续的过程。对大交通量高速公路来说，必须在系统设计阶段充分考虑对桥上交通的影响。

该桥为上下行分幅设计，快车道设置在左侧，一般不建议（多数情况下不允许）长期占用快车道施工。而且，常用桥检车悬臂以向右侧转向为多，适宜停靠右侧慢车道（应急车道）对梁体右侧面实施，对梁体左侧实施则需从前方入口逆行上桥，实施风险大，交通协调困难。

2 系统优化设计

综合考虑结构受力特点和实施约束条件，优选对主桥右侧腹板作为主要监测对象，在关键截面上下缘布设顺桥向应变计。同时，在主跨跨中设置靶标，在梁端设置视觉微动采集仪，监测主梁动态挠度。

对引桥简支小箱梁，则可在目标跨跨中，沿横桥向间隔布设顺桥向应变计。

系统传感器总体布置如图1所示。

3 数据采集与分析

（1）数据采集制度

桥梁物联网采用云平台对区域化、长线路多座桥梁进行集约化管理。在对结构运维指标实施高频度动态采集的同时，亦须综合考虑数据传输、云平台访问能力等要素，力求在获得工程所需频度的同时，不至于造成过高的数据传输成本，亦不致使云平台在多对象并发访问中承担过高的压力。因而，可在运行先期设定1 Hz左右的全系统采集频率，经过一段时间数据积累和分析后，根据结构响应特点和运维需求，适度调整数据采集制度。

（2）运维数据示例

引桥跨中24 h应变和温度时程数据如图2所示。

监测结果表明:结构变形总体趋势与温度变化相符；相对于温度变化，结构变形总体趋势约有1.5 h左右的响应滞后。

图1 系统传感器总体布置（长度单位：m；传感器数量单位：个）

图2 全天24 h实时监测数据

全天呈现大量“毛刺”型突变，高频度动态采集所获取的数据，可实时反映在高速通行车辆作用下的结构响应，并可设置分级预警限值，对结构超阈值响应作出及时告警，利用手机短信、客户端信息、电子邮件等方式向相关管理部门发送风险提示。

4 结语

本文针对以机场高速为代表的大交通量、长线路城市高速公路桥梁，分析其运维需求、结构受力特征、运营期间实施条件等要素，从先进性、合理性、经济性、实施便利性等多角度，综合论述安全运维物联网系统的优化设计与实施策略，提出了适用于运营中城市高速公路桥梁的物联网监测系统方案。依托背景项目，构建了兼顾高频度、实时性和长期性的物联网监测和评估系统，长期为运维管理提供数字化技术支撑。

本文通过前期调研和适用性、匹配性研究，针对高频度动态采集需求，对设备选型、数据传输、分析评估方法均提出了实用化建议，可供类似桥梁参考。