公路桥梁健康监测与安全预警研究

邢振华

摘要 从近年来陆续暴露出的重大桥梁事故原因分析来看，绝大多数安全事故的起因都与桥梁健康监测及维修保养工作未落实有关。文章着重介绍公路桥梁健康监测系统和安全预警系统的建设与运用，并借助当下各类现代化高新技术，如传感技术、网络通信技术、信号采集技术等，使得公路桥梁安全问题更新与优化更加及时与便捷，并逐渐成为桥梁健康监测的新帮手，通过此手段改善桥梁工程整体质量，从而保障人民的出行安全。

关键词 公路桥梁;健康监测;安全预警

中图分类号 U446文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）13-0010-03

0 引言

在实际运营中，少数公路桥梁会因结构设计存在缺陷、建筑材料未达到施工要求等内部因素，导致公路桥梁垮塌事故发生[1]。但更多的是在运营期由侵蚀、地震、荷载量等环境或非环境因素引起的结构失效，使其工作性能的表征量-公路桥梁的刚度和强度随时间呈现逐渐减弱的趋势，从而影响公路桥梁使用寿命[2]。基于此，该文对公路桥梁健康监测与安全预警进行研究探讨。

1 公路桥梁健康监测的意义

（1）检测公路桥梁结构运营状态。通过检测，可帮助路桥管理人员评估公路桥梁结构的安全性，从而及时发现问题，并对潜在安全隐患进行预警[3]。除此之外，还能帮助工作人员准确识别公路桥梁各构件的损伤情况，以便后续运营管理工作的正常开展。

（2）保证施工阶段的安全与质量。对公路桥梁进行周期性检测，可以避免施工过程中的一些风险，保证施工安全和施工质量。

（3）及时发送事故预警。通过检测，可对历史检测数据的变化趋势进行分析，建立公路桥梁正常运营环境下的各项动力、静力响应及结构参数间的相关信息集，从而在大桥遭遇突发大荷载、极端天气变化或严重过载事故时触发预警系统，避免重大安全事故的发生。

（4）针对公路桥梁施工监控量测工作面临的主要问题，设计并应用了公路桥梁智能监测预警系统。与传统方式相比，采用公路桥梁智能监控预警系统保证了数据的实时性和可靠性，自动智能化的分析计算避免了大量的人工计算，计算结果更加准确，报警信息实时反馈给现场测量人员和管理人员，提高了预警处理的及时性。经项目实际应用表明，系统可显著提高公路桥梁监控量测工作的效率。

2 公路桥梁健康监测系统数据库

数据库系统主要由3个子系统构成，分别是公路桥梁结构信息系统、维修加固记录系统和公路桥梁巡检检查记录系统[4]。

（1）公路桥梁结构信息系统：该系统主要是存储公路桥梁基本信息数据，且这些数据功能可为后期公路桥梁日常管理提供理论依据。通过公路橋梁基本信息系统应用，可检索、浏览公路桥梁结构基本信息，以方便公路桥梁运维人员及时进行公路桥梁检查与维修。

（2）检查记录系统：该系统设置的主要目的是将各类检测数据信息进行统计、分析，并以图表形式呈现公路桥梁结构的应力、位移情况。

（3）维修加固记录系统：该系统的应用优势是能够针对曾接受过维修加固处理的公路桥梁信息进行记录，并存储于档案之中。信息内容包括维修加固时间、方法、原因等，以便在其他公路桥梁出现类似情况时有第一手参考资料。

3 公路桥梁健康监测系统设计重难点

（1）运营公路桥梁健康监测方案的设计必须基于详细的专项检测结果，通过专项检测，分析病害分布范围及成因，为运营公路桥梁健康监测方案设计提供数据支撑。

（2）监测断面应尽可能覆盖病害区段，条件允许情况下，可向外扩展设置比对断面，且在病害区段内，按照围岩级别、衬砌类型、病害情况进行疏密相间布置（重点区段可按10 m间距设置断面，非重点区段可按20～

50 m间距设置监测断面）。监测断面应尽可能兼顾每一类断面。

（3）二次衬砌结构的受力和变形响应能较好反映衬砌结构健康状况，可作为后期稳定性评价的重要指标。

（4）岩溶地区地下水丰富，结构受力变形与降雨下渗息息相关，应尽可能地进行渗水压力和雨量监测。

4 公路桥梁安全预警研究

4.1 摄影测量

传统的传感器如激光传感器和全站仪只能用于测量公路桥梁的相对位移，无法对公路桥梁进行长期监测。全球定位系统（GPS）可对公路桥梁进行长期监测，但具有两大局限性：测量的精度较低，无法准确监测桥面下面桥墩的位移。故为了能够实时准确监测钢箱跨中的挠度，采用摄影测量系统。摄影测量系统分为动挠度监测与报警抓拍系统。该系统是基于物联网技术和云平台，通过采用新型动挠度传感器和各种传统传感器的综合方案设计。可实现以下三大目标：实时监测跨中钢箱的动挠度;当动挠度超限时，可抓拍路面车辆情况;当系统监测到超限时，会用声音、弹窗的形式提示工作人员处理。动挠度的实时监测需要动挠度传感器与靶点进行协调工作，并且靶点设置的位置也必须在动挠度传感器的红外扫描范围之内[5]。动挠度传感器其原理为：传感器中影像传感器获取目标靶变化后，通过图像测量算法即可求出监测目标靶位置随时间变化参数，并经过分析计算得到目标的位移，进而获得被测物体运营过程中的实时动态位移，具有二维实时测量，测量精度高、范围大，适合长期、在线、多点自动测量。报警抓拍系统与动挠度监测系统密切相关[6]。报警抓拍系统利用动挠度监测系统的实时数据，根据预设的报警阈值实时判断超限情况，超限发生后上传报警信息，同时控制专用摄像机拍摄现场图片，并通过微信公众号、浏览器报警信息等各种手段上传报警信息和现场图片，供值班员或相关人员决策。

4.2 公路桥梁健康监测平台设计

公路桥梁健康监测平台，按功能可以划分为数据监测系统与预测评估系统两个部分。数据监测系统作为基础，负责数据采集、传输与存储等。预测评估系统作为核心，负责对采集到的数据进行实时分析，应用层是用户查看和管理整个监测平台的主要途径，该层的主要功能是进行可视化处理，从而将数据直观展示给用户，服务器对请求进行相应的处理提交给用户。数据分析层是由结构健康评估和数据预测子系统完成其主要功能，对数据进行处理分析[7]。数据管理层负责对用户管理、节点管理、监测管理、文件管理等各个功能模块的业务逻辑进行处理。数据访问层主要负责对数据的存储和操作，MySQL数据库具有稳健便捷的优点，可对数据进行增、删、查、改等操作。对比传统的公路桥梁健康监测方法，该方法可以提高数据的利用率，使数据的作用得到最大限度上的挖掘，减少误判，节约人力物力，同时进一步提高公路桥梁的安全运营水平[8]。提出的监测平台预测子系统，通过采用数据集划分、预警窗口设置的方法，可以在公路桥梁故障发生前做出预警，并且预留充分时间（24 h）进行问题处理。经过实验验证，该方法可以提高平台的可靠性，是对原平台的重要补充。桥梁健康监测系统构成如图1。6157CCEB-B82F-47F1-B3F4-FE1B16D27EA1

4.3 基于BIM的公路桥梁健康监测系统

基本信息模块主要对检测的公路桥梁的基本信息、传感器基本信息及监测项目、布设信息、预警等级信息等进行管理，监测的项目参照《城市公路桥梁养护技术标准》（CJJ99—2017）中给出的内容进行设定。模型展示模块利用BIM技术，通过Revit软件将公路桥梁进行三维建模，主要完成测点在检测平台Web页面中的展示，包括测点的位置、数据以及测点的实际健康状况等，直观准确地反映公路桥梁的信息。并且，用户能够实现对三维模型的旋转、放大缩小等操作。数据采集模块分为实时监测和人工巡检。实时监测部分利用布设的有线、无线传感器网络和其他实时监测设备对公路桥梁结构数据信息进行实时监控;人工巡检部分采用专业的仪器设备，以人工检查的方式，对公路桥梁必要的检测部位进行定期检测或者灾后紧急检测，并将检测数据传入系统，实现对人工检测数据的规范化管理。数据管理模块主要是将采集的数据传入MySQL数据库中，然后利用ECharts图形库对数据在平台中进行可视化展示，通过绿、黄、红三级预警等级的阈值（根据公路桥梁具体设计、实际状况与相关规定得出）进行判断与预警，并且能够实现数据和数据报表的查看、下载功能。

4.4 危险预警系统

基于待监测公路桥梁的实际业务需求与各子系统间的相互联系，对危险预警系统进行整体功能设计，包括气象灾害预警模块、网络稳定监测模块、公路桥梁状态警示模块、断电自动报警模块等[9]。

（1）气象灾害预警模块。该模块的数据支持为传感器监测的环境参数与本市气象台发布的气象灾害预警信息。当环境参数超出阈值或接收到来自气象台发布的不同等级预警信息，将以黄色预警（低风险）、橙色预警（中风险）以及红色预警（高风险）的方式通知公路桥梁管护人员做好防灾减灾工作。

（2）网络稳定监测模块。包含网络通信状态监测、主备线路自主切换、断网自动提示等功能，为确保网络稳定、数据连续提供三重保障。

（3）公路桥梁状态警示模块。系统内设公路桥梁健康结构状态初始值，通过设置各项状态参数的安全阈值，通常采用以5%、1%超越概率的极值或均方根值为通常值及限值的分级方式。一旦某项或多项参数超出设定阈值，将会发出紧急警报。

（4）断电自动报警模块。当系统处于异常断电状态时，将启用备用蓄电池为系统持续供电。同时通过提取预存的值班手机号码，拨打电话和发送报警短信，通知值班人员及时检修停电故障。系统在每种预警模块上采用了告警响声、界面告警提示、短信发布等不同方式，并单独连接了短信网关用于预警短信发送。

4.5 物联网技术的应用

物联网环保设备状态监测预警结果由低到高分别分为V～I级五个预警等级，当预警结果是V级时，表明设备状态监测稳定，没有出现损坏迹象，但可能会存在一定的隐患，为防止高风险事件发生可以在适当时间进行检修处理;随着预警结果等级升高特别是出现I级风险预警时，需要立即终止使用，并及时撤离现场，等到物联网环保设备处于“冷却”状态下，重新更换相应元件及设备。实验开始之前测试仿真实验平台及各检测系统的运行状态，无异常后，再开始实验。将灯光正常工作下传感器电压值键入仿真信号输入窗口中，运行程序。预设监测异常信号，令红色指示灯表示设备压力出现异常;令紫色指示灯表示设备温度出现异常;令黄色指示燈表示设备运行和制动效果出现异常;令蓝色指示灯表示设备提示灯出现异常。通过面板上的布尔开关按键，设置预警灯光的闪烁频率，观察波形图表模块输出的传感器电压曲线是否正确，是否出现错误报警。当指示灯闪烁频率较慢时，证明设备各项指标无异常情况;当指示灯闪烁频率加快时，说明设备指标出现异常;若指示灯长亮则表示设备已经无法运行。模拟实验参数，同时令设备压力、温度、制动效果、指示灯都出现异常波动，同时监测设备四个指标时，三个测试组得出的设备状态监测预警效果[10]。

5 结束语

公路桥梁健康监测及预警系统的研究发展对现阶段大荷载量、通行量情况下的公路桥梁运维工作至关重要，该研究在传统公路桥梁健康监测系统的基础上，结合当代高新科学技术，提出适合大多数公路桥梁的“安全预警监测内容与评判体系”。在建设公路桥梁安全预警监测系统中，要本着以自动化为主、人工为辅原则进行。为实现公路桥梁结构健康状态的精准监测，该文还专门针对系统应用中的公路桥梁安全预警测点布置进行了详细介绍，为相关人员提供科学借鉴。

参考文献

[1]景彪. 抓三基强根基推动公路桥梁养护高质量发展[N]. 中国交通报， 2021-10-09（2）.

[2]吕平. 基于公路桥梁健康监测的T梁裂缝问题研究与措施[J]. 科技创新与应用， 2020（24）： 110-111+114.

[3]徐朝晖， 沈国栋， 梁柱. 高速公路桥梁健康数据实时采集与综合分析平台[J]. 中国交通信息化， 2020（5）： 128-130.

[4]殷峰. 高速公路管理和技术指标的前提、属性分析及方法探讨[J]. 城市道桥与防洪， 2019（12）： 115-117+15.

[5] 八闽大地安全行[J]. 中国公路， 2018（19）： 32-35.

[6]王姝莉. 公路桥梁治超管理研究[D]. 西安：长安大学， 2017.

[7]高攀. 混凝土斜拉桥安全预警指标体系研究[D]. 济南：山东大学， 2017.

[8]成春玲， 张海峰. 河北首个公路桥梁健康监测系统运行[N]. 中国交通报， 2009-12-21（4）.

[9]白山云， 李连友， 路为， 等. 湖北沪蓉西高速公路桥梁群结构健康监测管理系统[C]//. 第四届全国公路科技创新高层论坛论文集[下卷]， 2008： 273-281.

[10]公路桥梁建筑材料、施工、试验与观测、安全[J]. 公路运输文摘， 2000（7）： 19-24.6157CCEB-B82F-47F1-B3F4-FE1B16D27EA1