基于物联网技术的梁桥远程安全监测系统研究

张胜卓 杜子超 岳皎洁

（宁波良和路桥科技有限公司 宁波 315042）

1 概述

对桥梁结构进行健康监测具有极大的科研价值和现实意义，近年来随着光纤光栅传感器的大量工程化应用，已经形成了采集多种桥梁结构参数的成套光纤光栅传感技术，取得了很好的测试数据和监测效果。基于物联网技术的梁桥远程安全监测系统，是在传统光纤光栅安全监测系统上的进一步创新。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，其用户端延伸和扩展到了物品与物品之间进行信息交换和通信。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，主要是对业务和应用的创新。因此，应用创新是物联网发展的核心，用户体验是物联网发展的灵魂。梁桥安全监测系统便是基于物联网而建立的对应用管理和用户体验得到很大提升的创新系统，它是在传统梁桥安全监测系统的基础上搭建综合应用平台，融合光纤光栅传感、无线传输、智能管理、先进的用户体验于一体，从而实现创新的梁桥安全监测系统。

2 基于物联网的梁桥远程安全监测系统结构

2.1 系统结构

本系统的网络部署结构见图1，前端的光纤光栅传感器采集到的数据通过无线数据传输从前端传输到监控服务器，并通过服务器实现整个网络的数据共享和存储，业主可以方便地通过网络、手机等终端设备实时监控，从而实现物物相连的安全监测。

图1 网络部署结构图

2.2 监测内容

安全监测系统由硬件系统和软件系统构成。硬件系统由传感器、测试二次仪表、无线网络通信设备和计算机等构成；软件系统由各种硬件设备的驱动、控制及通信软件构成，同时还包含对所测量的数据进行处理的数据库管理、专家系统评估软件等［1］。由软件和硬件系统密切配合，实现长期健康监测及状况评估的功能。

简单的监测方式主要监测的对象为裂缝、温度、应变及振动，需要通过相应的光纤传感器和光纤光栅解调仪将现场物理量进行采集，并通过以太网或者3 G网络将数据传输到远端监控中心数据库，通过上位机的结构健康监测系统软件进行数据处理、分析和风险评估控制。

光纤光栅解调仪带有无线数据发送和接收功能，并能够将数据存储在数据库，通过远程 WEB或手持终端登陆到系统，并设置管理员权限，即可实现与现场视频监控和其他震动、气象信息的联动管理。监测内容如下：

（1）桥梁裂缝实时监测。混凝土裂缝超过0.2～0.4 mm，就可能由于混凝土内部钢筋的腐蚀导致结构的使用寿命缩短。大到1～2 mm宽的裂缝则可能由于长期过载直接导致结构严重损坏。对于混凝土结构的裂缝需要及时修复和加固，因此实时监测裂缝就显得非常重要［2］。传统测量裂缝法包括直接观察法、敲击回波法、声发射探伤法及红外热成像法等。这些方法不能直接测量出裂缝的宽度，也不能测量出垂直于结构表面的裂缝，只能单点测量，不能实时监测。此项目采用先进的光纤光栅裂缝传感器，可以实时监控裂缝的发展走向，判断裂缝的安全级别。

（2）结构应变监测（混凝土梁跨中关键部位等）。桥梁结构破坏的主要原因是结构局部开裂和失稳，应力是最直接与安全有关的因素，桥梁结构关键位置的应力是结构安全的重要标志，因此应力监测对结构安全性及健康状况的把握至关重要。但是一般无法直接测量得到材料的应力，通过应变测试来反映应力。主要监测关键截面正应力在运营阶段是否在设计要求范围内，并与理论计算值作对比分析。

（3）桥梁结构关键截面的温度分布。因为结构的变形、应变变化与温度有关，通过监测混凝土梁的温度分布等，对不同温度状态下桥梁的工作状态变化，如变形、应力变化等进行比较，为定量分析主梁内力及变形提供依据。

（4）动力特性监测。桥梁结构在承受车辆、人群、风力和地震等动荷载作用下产生振动，桥梁在动荷载作用下的受力分析是桥梁结构分析的一项重要任务。

结构的振动信号容易采集和处理，且蕴含了大量反映结构损伤的信息。桥梁结构的振动特性包括结构的固有频率、振型、阻尼比以及相关的模态刚度、模态质量、模态阻尼等［3］。沿主梁上、下游方向分别安装光纤光栅加速度传感器，与光纤光栅解调仪等组成高精度加速度测试系统。

2.3 测点布置

本研究针对梁桥其中一跨，选取其应力最大的跨中位置作为监测截面。梁桥测试截面示意图见图2。

图2 梁桥测试截面布置示意图

在每片梁横截面的下缘安装2个光纤光栅应变传感器，1个光纤光栅温度传感器，1个光纤光栅振动传感器。3个截面共需24个光纤光栅应变传感器，12个光纤光栅振动传感器和12个光纤光栅温度传感器。在伸缩缝位置每幅安装2个位移传感器，共需4个位移传感器。具体位置见图3。

图3 梁桥安全监测传感器布点示意图

3 结语

目前，基于物联网技术的梁桥远程安全监测系统已经在吊水岩大桥上安装并得到成功应用。系统采用无线传感技术，将现场数据解调和数据压缩后，通过无线网络，上传到云端服务器，数据在云服务器上经过分析处理及加工，可远程实时监测桥梁的温度、应力应变、伸缩缝位移及振动响应等传感器数据，并建立了桥梁损伤识别和安全评估模型，实现桥梁健康状况的在线安全评估和分级预警，并可以为前端计算机、手持设备、智能终端、车载计算机等终端设备提供业务支持，实现了物联网技术的良好应用。

本系统采用先进的物联网概念，提高了数据采集及传输的便捷性及先进性，实现了远程监控，且经济易维护。物联网的概念使得光纤光栅监测系统在桥梁健康监测方面具有广阔的应用前景。

［1］ 刘胜春，郝义昶，南秋明.基于光纤光栅传感测试技术的桥梁健康监测系统［J］.中国科技信息，2006（2）：124-126.

［2］ 张 巍，吕志涛.光纤传感技术用于桥梁监测［J］.公路交通科技，2003（6）：54-58.

［3］ 章关永.光纤传感器技术在桥梁状态监测中的应用［J］.世界桥梁，2002（2）：49-53.