浅析路网桥梁健康监测系统的设计方法

摘  要：本文以厂溪河特大桥（达陕高速）为例，结合大桥本身特点及其病害现状，介绍了基于3G网络传输技术的云平台监测系统的构成及应用，并获得了监测系统的监测结果。监测结果表明加固后的连续刚构桥，需设置一定的标准和对监测数据分析来判别桥梁的健康状况和承载能力，从而确保桥梁在寿命期的运营安全。

关键词：健康监测;连续刚构桥;运营安全

中图分类号：TU3   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）07-0000-00

1项目简介

随着交通建设的蓬勃发展，桥梁结构的健康监测受到了全世界的广泛关注[1]，由于健康监测系统成本较高，目前其主要应用于大型桥梁[2]。

厂溪河特大桥跨径组合为右幅2×40m（简支T梁）+（95+180+95）m（连续刚构）+（6×40m）（简支T梁），左幅为2×40m（简支T梁）+（95+180+95）m（连续刚构）+（5×40m）（简支T梁），主墩最高达84m。位于宣汉县厂溪镇，跨越厂溪河。厂溪特大桥是典型的三跨预应力混凝土连续刚构桥，大桥具有主墩无支座、横桥向抗扭刚度大、桥墩为高墩、大跨度连续钢构桥等特点。

2系统设计

监测系统的设计首先考虑建立该系统的目的和功能，由此来确定所需要监测的项目，根据适应性和经济型的要求选取技术成熟、性能可靠的传感器。相关人员应将桥梁所处环境作为根据，同时将荷载等级、项目经费与桥梁状态等因素均考虑在内，确保监测项目选择的综合性，保证其能将桥梁结构运营中的真实状态反映出来，最大程度上保证所投入费用产生的效益。另外，相关人员还应科学布置传感器，针对桥梁受损处、控制点以及最大值处，设置对应力与挠度传感器，为结构信息获取的准确性与可靠性提供更大的保障。

监测系统设计主要由以下子系统构成：（1）传感器系统;（2）数据采集与传输系统;（3）数据存储与分析系统;（4）用户界面系统。因为子系统的功能与特征并不统一，且通常情况下应用的软硬件也各不相同，所以把各子系统合理组织是必要的，进而推动系统集成的顺利实现[3]，促进各子系统在逻辑方面、物理方面乃至功能方面的相互兼容并协同合作，以确保系统的稳定、可靠运营。

3系统功能

3.1传感器系统

传感器处于监测系统的最前端，合理的布设传感器，以期利用有限数量的传感器获得尽可能多的有用信息。根据大桥的力学性能与结构参数分析，并依据大桥自身的运营环境、整体及局部受力特点，综合考虑到监测部位、构件的全面性、代表性、重要性等方面，同时参考前期的大桥检测报告发现该桥梁大量存在腹板斜裂顶底板的纵向及横向裂缝等病害现状，经过仔细分析，重点对该桥的主梁下挠度、应力与裂缝、高墩倾角等进行监测。结合厂溪特大桥结构的主要特征，同时考虑到监测精度需求，本系统主要以对国内先进仪器设备的应用为主，其性能与传统仪器相比较来讲也更加可靠，此外其还具备精度高、使用期长与承压性能好的优势。监测项目和传感器如表1所示。

一般来讲，数据采集系统设计包含以下内容：

首先是通过系统分析确定任务：针对监测对象、问题展开有效的调查分析，使系统任务与技术指标等得到确定;其次是系统总体设计：将系统软硬件特征充分考虑在内，确保对各功能的合理分配;最后是系统软硬件的设计。本桥梁包括温湿度、倾角、挠度、支座位移以及应变传感器等5大类35个传感器。其中挠度、支座位移、倾角、温湿度传感器输出4-20mA的模拟电流信号，但信号无法进行长距离传输，且不能直接被传输设备识别，需要数据采集设备对其进行A/D转换。根据这几类传感器输出信号的特点，以及对本桥测点分布的考虑，采集系统采用分布于左右两幅子采集站内集中式采集完成传感器数据采集工作。而采集模块之间通过屏蔽双绞线组成RS-485总线网络（具有连接简单、成本较低、系统可靠性高以及抗干扰能力强、传输距离远等优势）进行通讯与控制。采集方式为实时采集、连续存储，采样时间间隔为7分钟。

就网络通信协议传输层而言，通常情况下以TCP协议与UDP协议为主，前者更贴近于面向连接，即通信接收方接受的基础上，才能成功发送。而后者则属于一类无连接协议，简单来讲就是在发起通信的时候，通信接收方无需在传输层创建“握手”连接，直接发送即可。而二者一般以UDP数据传输，其数据传输可靠性较差，因此其通常无法为数据向目的地传输的准确无误提供保障;而TCP则以数据传输的准确性为其主要优势，其能在有关设备或服务间，创建并保持有效的虚拟连接。将UDP包与TCP包结构进行合理比较，后者的控制机制与可靠性显然更胜一筹。桥梁监测系统中数据传输的可控性、准确性与完整性必须要得到保证，尽可能发挥TCP协议的作用。现场采集模块采集到传感器数据后接入到DTU设备上，DTU通过3G无线网络的TCP协议与监控中心的服务器进行通讯，服务器端在接收到数据信息之后，将其有效保存至数据库，以便有关人员的调用、分析与评估，另外，也应结合实际情况合理调整监测系统的采集参数等，在全面掌握运行状况的基础上，最大程度确保结论的科学性与准确程度，通过对3G无线网络技术的应用，将有关信息向现场DTU发送，达成有效监测与控制的目的。

采集与传输系统目前具有无人值守条件下连续运行、采集的各项参数可远程操作来进行在线设置、系统具有自诊断功能，能识别传感器失效、信号异常、子系统功能失效或系统异常等功能。

3.3数据存储与分析系统

与桥梁现场具体情况相结合，将系统数据的安全性作为根据，本桥所采用的系统主要以分布式异构数据存储与分析功能为主，在有效获取實测数据的基础上，再展开校准、处理、数据质量与可靠性测试等工作，为预警报警系统提供更多的有效数据。

现场获取的数据分析处理流程主要包括：（1）数据预处理：对数据进行数字滤波、去噪、截取和异常点处理，并简单的对各类数据进行数理统计，如统计一段时间的最大最小值、均值、方差等内容;（2）数据后处理：对监测数据的深入分析。如桥梁特征量与环境因素之间的相关性分析等。通过一段时间对现场传感器信号的分析，初步给定传感器的阈值范围。如果数据超过阈值时进行安全预警。

为了最大限度的保障数据安全，预防在特殊情况下的数据丢失，并能在系统遇到问题时最快时间内对数据库系统进行恢复，保持数据库系统顺畅运行，采用二级数据备份策略。以数据库服务器上的完全备份和差异备份为第一级备份，以远程数据备份服务器上的压缩备份为第二级备份，对所有的数据进行双层保护。一级备份采用数据库维护计划，对所有数据进行一周一次的完全备份，每天一次的差异备份，并对备份数据采用压缩备份策略，将备份大小降低到了原始备份的30%。二级备份利用Xcopy命令技术，将数据库服务器上备份的数据远程传输到另一台备份服务器上。通过定制操作系统的计划任务，定期对服务器间的备份数据进行同步。

4 现场实施

根据系统设计，对项目进行现场实施，用户界面系统是一套基于扩展B/S（浏览器/服务器）架构的WEB系统。其工作原理是将软件系统安装在服务器端，远程用户可通过浏览器访问该服务器，并与服务器进行数据交流。基于B/S架构的监测系统，使WWW浏览器技术的重要作用得到了全面发挥，如此即使不借助专用软件，也能实现原本具备的强大功能。

系统安装完毕后，进行系统的软硬件调试，在下机位工控机的控制下，獲得了大量的监测数据，并存储在中心数据库中，数据稳定且可靠。

5 结论与展望

通过对厂溪特大桥健康监测系统经运营一段时间的数据进行分析发现：现场传感器数据稳定、可靠，这些数据能充分反应桥梁的实际结构特征信息，因此起到了科学指导工程的目的，提高了桥梁的整体管理水平。桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单应用，在此基础上提高监测结构响应与行为信息的可靠程度，进一步增强桥梁管理与维护决策的正确性。

参考文献

[1]欧进萍.重大工程结构的累积损伤与安全度评定[C]//走向21世纪的中国力学，中国科协第9次“青年科学家论坛”报告文集.北京：清华大学出版社，1996.

[2]张宇峰，徐宏，倪一清.大跨桥梁结构健康监测及安全评价系统研究与应用进展[J].公路，2004，5（5）：24-26.

收稿日期：2019-08-20

作者简介：杨正强（1977—），男，四川达州人，本科，工程师，研究方向：高速公路养护管理及研究。

Analysis on the Design Method of Road Network Bridge Health Monitoring System

YANG Zhengqiang

（Sichuan Dashan Expressway Co.Ltd.Dazhou， Sichuan  Dazhou  635000）

Abstract：  Taking the Changxi River Super Bridge （Dashan Expressway） as an example， this paper introduces the composition and application of a cloud platform monitoring system based on 3G network transmission technology based on the characteristics of the bridge itself and its disease status， and obtains monitoring from the monitoring system result. The monitoring results show that the reinforced continuous rigid frame bridge needs to set certain standards and analyze the monitoring data to determine the health and bearing capacity of the bridge， so as to ensure the operational safety of the bridge during its lifetime.

Keywords： health monitoring; continuous rigid frame bridge; operational safety