大跨径单孔长大斜拉桥结构健康监测系统研究

王雪鹏

（山西省交通开发投资集团有限公司，山西 太原 030006）

1 项目概况

某高速公路特大型桥梁，主桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为152m+364m+152m，2020年技术状况评定等级为2级。

2 监测指标确定

该桥梁为单孔跨径300m以上的斜拉桥，根据公路桥梁健康监测系统建设指南指导意见及建设实施方案要求，需要升级的监测指标分为4个类别共12项，如图1所示。

图1 桥梁结构安全监测指标

3 监测系统硬件设计

3.1 系统供电设计

桥梁健康监测系统需要在运营期内实时采集桥梁健康监测指标数据，对供电稳定性要求较高。案例大桥使用市电供电，可有效满足系统供电稳定性要求[1]。

3.2 数据传输系统设计

3.2.1 数据传输系统设计要求

数据传输系统由外场数据采集站和数据传输系统两部分构成，具体如下。

（1）外场数据采集站由外场控制主机、数据采集模块、工控机等3个模块构成。系统通过外场控制主机，控制数据采集模块；采集模块完成数据采集后，将数据封包处理，并传输给工控机存储，再将数据通过传输系统传给服务器。

数据采集模块进行桥梁健康监测数据采集、设备诊断，并将监测数据、设备状态信息传输到数据中心，由以下3个子模块构成[2]：

①采集模块：根据系统配置的传感器地址，控制相应采集传感器按照系统设定的采样周期、采集指令采集桥梁结构监测指标数据；

②传输模块：根据系统配置的网络参数，将桥梁监测指标数据传输给中心服务器；

③诊断配置模块：根据中心服务器指令，诊断数据异常的采集传感器工作状态；配置采集周期、传感器地质等系统参数。

该系统的数据采集模块在保证技术成熟的基础上，选择了具有先进技术性能的产品，有效满足了系统对监测模块稳定性、耐久性和精确性的要求[3]。

（2）数据传输系统由本地光纤组成，可传输采集指令、监控指标数据。数据采集后，先存储于工控机，实现“本地备份”，再传输给系统服务器，满足了系统对数据传输安全性、连续性的要求，有效规避了数据包丢失的问题。

3.2.2 外场采集站的优化布置

不同采集模块监测的桥梁结构不同，布设位置、采集数据类型差异较大，为保证系统监测采集效率，适应不同监测模块作业需求，采用“集中控制、分布采集”的采集模式[4]，同时通过布设本地工控机，实现了监测数据“远程存储、本地备份”的数据存储安全需求，优化了外场采集站布置。

系统通过RS485总线传输采集数据，通过增设RS485中继器，避免了光信号在光纤中传输距离过长造成光信号色散失真问题。案例桥梁监测系统设备数量见表1。

表1 桥梁监测采集、传输设备数量表

3.3 设备选型设计

3.3.1 设备选型原则

（1）稳定性

桥梁工程是“百年工程”，监测系统需长期服役，要求传感器在复杂运行条件下具有良好的工作稳定性，在额定使用期限内，量程、精度指标保持稳定，保证监测数据精度要求。

（2）可更换性

监测采集设备、采集仪器等多为精密电子器件，使用寿命一般只有数年，随着未来监测要求的提高，面临系统升级、设备更新换代的需求，要求设备必须具备可更换性。

（3）适用性

在满足系统对设备量程、精度等指标要求的前提下，无须苛求监测精度，以节约设备采购成本。

（4）先进性

桥梁桥体结构安全监测是长期的工作，监测设备也应具备先进性。

3.3.2 监测设备参数要求

传感器信号的采集接口必须支持RS232/RS485/TTL232总线、自组网络的光纤传输及以太网与上位机的平衡发送和差分接收。封装等级应达到IP67。供电电源DC为-12～12V。

3.3.3 设备安装要求

全桥设备均按照《建筑电气工程施工质量验收规范》（GB 50303—2002）进行安装和验收。每个设备均有独立的设备保护罩进行保护。设备线缆统一穿入PVC管，PVC管悬挂在箱梁内部或外部避光、避风位置，每隔2m设置一个固定卡，将PVC线管固定在混凝土梁上。

3.4 系统防雷设计

（1）测点主机均安装于防雷保护箱内，采用预放电避雷针+接地线做好防直击雷设计，并将同一断面上的接地线集中布置，形成防雷网。

（2）将电路、信号线路穿入PVC管，安装电源防雷器和信号防雷器，做好防感应雷设计。

4 监测系统软件设计

4.1 软件架构设计

系统软件为感知层、网络层和应用层组成的3层架构。

（1）感知层：根据服务中心指令及系统设置的感应频率，感知监测指标状态、设备工作状态，将数据反馈至网络层。

（2）网络层：将指标状态、仪器工作状态传输至服务中心，并对异常仪器进行报告。

（3）应用层：分为数据处理层、应用服务层和展示层。①数据处理层，对数据进行预处理，消除信号数据中杂糅的噪声数据，剔除异常数据，保证信号数据纯度、平滑性，再存储于系统数据库；②应用服务层，根据系统监测的桥梁构件温变数据、应变数据、挠变数据等，修正桥梁有限元数值模型，模拟桥梁在各种荷载下的受力状态；③展示层，向安全监测人员展示桥梁监测数据、分析报告、预警信息等。

4.2 系统集成设计

系统集成设计包括数据感知、数据传输、数据分析等3个系统的集成设计。数据感知系统负责采集监测数据；数据传输系统为系统数据传输提供通道；数据分析系统负责分析监测数据，输出桥梁实时服役状态信息、预警信息等。

4.3 系统功能设计

系统具有异常报警、监测指标展示等多种功能。单桥监控状态下，系统主窗口主要展示监测桥梁指标数据、预警信息等；多桥监控状态下，可滚动展示多座桥梁状态信息，优先展示异常报警信息。

5 监测数据分析和报警处理机制

5.1 监测数据异常处理

5.1.1 数据噪声处理

数据采集、处理、传输过程中，受仪器自身电磁作用、环境电磁场影响，不可避免会对信号产生电磁干扰。系统所接收的数据是真实监测值与各种数据噪声杂糅的结果，应对数据进行平滑处理[5]，消除信号中的噪声数据。

5.1.2 异常数据处理

异常数据是指明显不符合桥梁受力状态的监测值。在进行异常数据识别时，需采用长时间段的样本点，通常有3d、7d、15d、30d等时间段。异常数据特征与随机噪声类似，也采用平滑处理的方式消除[6]。

异常数据是指监测过程中收集到的与桥梁受力状态存在明显偏差的监测指标数据值。异常数据特征与随机噪声类似，也采用平滑处理的方式消除[6]。通常需要观察一定时间段（如3d、7d、15d、30d）的样本点数据特征，对比异常数据特征与常态数据特征的偏差，确定数据是否为异常数据。

对这些时间段的数据进行平滑处理后，采用统计学方法，剔除监测值与平滑后的数值的粗差，进行异常数据识别和处理。

5.2 动态监测数据的时频域分析

动态监测数据时域分析，是采用数理统计方法，分析信号时间域内的稳态特征，用数据极值、平均值等表征监测结构的稳定性、稳态性能、瞬态性能。

动态监测信号的频域分析，是通过对数据信号进行时-频转换，揭露信号频率特性，得到信号频谱特征，评估桥梁结构整体工作性能[7]。

5.3 监测数据报警值的确定

根据该桥梁设计图纸，采用MIDAS/Civil软件建立桥梁有限元分析模型，确定桥梁各项结构指标的理论值。系统通过比对桥梁结构指标理论值与实际采集值的偏差，分析桥梁结构工作状态，根据理论值与实际值偏差大小，确定报警等级。根据指南要求，将该桥梁健康监测系统的报警等级划分为3级：蓝色、黄色和红色。报警等级和处理机制见表2。

表2 桥梁报警等级及各级报警下的处理机制

表2 （续）

6 结语

桥梁结构健康监测系统本身不直接产生经济效益，但系统建成后，可有效监测桥梁安全状态，避免桥梁服役状态持续恶化，保证桥梁运营安全。本文所依托的桥梁健康监测系统，采用智能仪器进行数据采集与控制，有效保证了数据监测的准确性，提升了系统的智能性；同时，通过设置本地工控机，实现了采集数据的本地化存储，保证了数据传输的安全性、连续性，避免了因数据传输系统故障造成数据丢失的问题。