无线传感器支持下桥梁结构健康监测研究

杨松

摘 要：在新建及改扩建桥梁工程不断增多的背景下，桥梁结构健康监测的重要性日益凸显。通过在桥梁结构健康监测中引入和应用无线传感器等先进技术，有助于增强相应健康监测系统运行的可靠性，缩短安装周期，降低建设成本，也有助于增强监测结果精度。文章基于桥梁结构健康监测工作现状，着重就基于无线传感器支持的专项监测系统及应用进行了探讨。

关键词：桥梁结构；健康监测；无线传感器

中图分类号：U446 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0058-02

Abstract： In the context of the increasing number of new and expanded bridge projects， the importance of bridge structural health monitoring has become increasingly prominent. By introducing and applying advanced technologies such as wireless sensors in bridge structural health monitoring， the reliability of the corresponding health monitoring system can be enhanced， the installation period can be shortened， the construction cost can be reduced， and the accuracy of the monitoring results can also be enhanced. Based on the current situation of bridge structural health monitoring， this paper mainly discusses the special monitoring system based on wireless sensor and its application.

Keyword： bridge structure； health monitoring； wireless sensor

桥梁作为构成国内健全交通网络的一个枢纽，其运营的可靠性至关重要，不仅会对国家社会经济发展产生影响，也关乎行车的安全性。然而，我国当下有许多现役的桥梁在长期使用后，由于人为损坏、自然灾害或老化等问题影响，使得它们已经出现结构破坏等质量问题，已经逐渐无法满足新形势下使用需求，强化桥梁结构的定期检修，及时发现和解决潜在结构问题具有重要意义。

1 桥梁结构健康监测的目的与内容

1.1 目的分析

大量实践研究表明，桥梁结构使用十年以上后，桥梁结构设计环节与施工环节中所存在的质量缺陷可能会完全暴露出来，如果那些桥梁结构疲劳损伤等逐步积累，最终可能会破坏桥梁结构，影响桥梁运行的安全性。由于桥梁损伤的外在表征破坏一般不是非常显著，最早是从内部结构破坏发展，所以非常容易诱发桥梁安全事故，影响了结构的安全性和可靠性，强化专门的结构检查具有重要意义。传统的桥梁结构检测方法存在比较多的不足与缺点，影响了其实际的质量检测效果，尤其是无法应用于检查那些大型桥梁工程，还会浪费大量的人力物力财力，且测量周期比较长，实时性测量效果比较差。而桥梁结构健康监测则是在此背景下所诞生的一种监测方法，其相当于为桥梁构建了一套类似于人体的神经系统，可以对桥梁结构的可靠性和安全性进行全面监测，以便及时发现和解决桥梁结构检测中发现的安全隐患和质量缺陷。

1.2 内容分析

橋梁结构健康监测具有检测效率高、实时观察性强，并可以实现自动化报警等功能，可以满足桥梁结构质量检测需求，具体检测内容主要包括结构构件耐久性；结构以及非结构构件的运行情况；试验荷载大小；结构构件各截面上的应力分布、支座反力和推力等；桥梁结构的各种静态变形指标，如转角值、挠度值、位移值以及裂缝深度和宽度等结构局部损坏情况；桥梁结构的衰减特性、周期、自振频率等动力特性。此外，还包括评价钢箱梁疲劳性能，混凝土开裂、堵车以及雪灾等特殊问题报警等，以便可以利用该种监测理念和方法，找出常规检测手段所无法发现的病害成因。

2 桥梁结构健康监测系统的结构构成

2.1 桥梁结构健康监测系统总体结构

桥梁结构健康监测系统则是基于上述的监测目的和内容，充分利用无损伤传感技术等所构成的图1所示的系统来监测和评估桥梁结构特性，可以起到监测桥梁结构退化或损伤情况的作用。通过借助该系统的合理应用，可以在大型桥梁结构出现严重运营情况的条件下及时发出预警信号，同时明确桥梁结构的损伤情况，为后续的桥梁结构维护管理提供必要依据，且这种监测是一种实时在线监测过程。从构成角度来讲，桥梁结构健康监测系统主要包括监控中心、传感系统、通讯系统以及数据采集与处理系统等构成，其中的传感系统主要包括温度计和位移计等二次仪表和传感器所构成；监控中心是将所得到的采集数据进行分析，借助分析结果判定桥梁结构损伤的位置以及其他健康状况；数据采集与处理系统则是收集和处理监测系统运行数据；通讯系统则是将所收集到的数据传输到相应的系统中的监控中心，然后通过系统平台来反馈出相应的监测结果。

2.2 无线传感器网络构成

在桥梁结构健康监测系统中，无线传感器网络是非常重要的组成部分，其是数据传输及检测的重要基础和前提。相较于有限传感器，无线传感器网络具有动态定位、路由和组网等特性，相应的节点能量也非常有限，同时可以实现桥梁结构监测数据的远程传输和控制，极大地增强了桥梁健康监测结果的准确性和效率。如图2，无线传感器网络主要包括汇聚节点和无线传感器节点（数据采集节点）两类连接节点。其中后者主要是采集传感器数据或传输拉索张力计算结果数据；前者则主要是收集和传送各个采集点的数据，同时可以向采集节点下发接受检测平台的控制命令。

在实际的无线传感器网络设计过程中，需要着重做好如下几点，即：

（1）合理选择无线组网形式。在设计无线传感器网络的过程中，主要是基于Zigbee协议来进行，相应的组网形式中除了网状结构外，还包括树形网络和星型网络等。在实际工作上，需要结合桥梁实际的结构特征和设计需求进行合理选定。比如，树形组网方式，主要是在桥梁结构中心点位置处进行数据汇聚节点的合理布置，之后将数据采集节点设置在两侧位置处，这样就形成了类似树形结构的网络。

（2）传感器数据采集。该环节的功能作用是桥梁结构健康监测系统的最底层，其主要负责桥梁健康情况的各项参数和数据进行采集。该环节所对应的节点主要是由无线传感器和微处理器两部分所构成，具体型号需要结合实际情况来进行合理选定。

（3）计算桥梁结构拉索张力，具体就是借助频率测量法，结合实际情况进行计算。考虑到数据采集点位置处的节点微处理器性能无法满足频率发测量拉锁张力计算条件，可以对数据采集频率进行适当地降低，适当地延长索力计算时间，待索力值计算完毕后再将其传送给数据汇聚节点。然后借助GPRS技术等远传传输技术，将监测数据传递给远端的服务器，这样可以借助无线传感器实现远程结构健康监测的目标。

2.3 健康监测平台构成

在桥梁结构健康监测系统中，健康监测平台也是非常重要的组成部分，主要是存储和分析数据的关键单元，具体构成部分包括如下几点：

（1）桥梁管理部分。该部分平台的主要作用是集中管理系統中桥梁的一些基本信息，除了传感器信息外，还包括桥梁名称、所处位置和建成时间，桥梁结构形式，桥梁结构运行和维护管理情况等等。通过在桥梁结构上科学安置无线传感器，可以帮助相关监测人员更全面、更及时地了解和掌握桥梁结构的实际状况。

（2）实时监测桥梁健康状况。该部分主要是对桥梁结构监测数据进行实时显示，比如环境参数、拉索张力值等等。一旦所监测到的各个桥梁的观测值超出了限值范围时，那么相应的监测系统就会立刻发出报警提示信息。与此同时，相应监测系统还可以同时实现比较分析几种参数，调出和显示历史数据；通过控制数据采集方式，可以结合不同状况和需求对相关桥梁结构检测数据进行定期采集和实时监控。

（3）桥梁结构安全预警以及结构安全性评估。针对桥梁结构安全预警以及结构安全性评估分析而言，主要需要建立在数据挖掘技术的基础上，从桥梁结构健康监测系统数据库中挖掘出相关的大量信息，以便借助所得到的监测数据来制定科学、合理的决策规划。与此同时，在相应桥梁结构健康监测系统中，检测人员需要注意定期分析数据中的大量数据，对所监测桥梁结构是否存在安全隐患或质量缺陷进行判定。但是需要指派专门的检测人员负责桥梁结构安全性和质量性检测。

3 结束语

桥梁结构健康监测系统是发现桥梁结构质量缺陷和安全隐患的重要基础，其数据的科学性和合理性会对桥梁结构运营管理安全性产生直接影响。而无线传感器网络是构成其系统及运营平台的重要组成部分，可以实现系统远程监控和传输数据，提升健康监测系统运营可靠性的目标，从而可以为国内桥梁工程建设提供必要的指导。

参考文献：

[1]罗明明.桥梁健康监测系统数据处理与分析技术研究[D].重庆大学，2015.

[2]韩基刚.大跨桥梁结构健康监测的研究进展[J].民营科技，2016（4）：187.

[3]吴学林.桥梁健康监测系统构成及发展[J].南方农机，2018（14）：112.