桥梁结构状态感知网络及智能预警技术研究

张 萍 张笑尘 贾 杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



桥梁结构状态感知网络及智能预警技术研究

张 萍 张笑尘 贾 杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

根据现有公路网中、小桥梁居多的特点，从实现路网可视、可测、可控的角度出发，研发基于传感器网络和低成本的公路网桥梁结构实用智能监测及安全预警系统，分析总结了可行性的研究方向，为相关领域的研究提供了理论基础。

安全诊断技术，结构长期性能监测，区域公路网

0 引言

现如今我国桥梁建设事业迅猛发展，一般公路和全国8 700 km高等级公路上的中、小桥、立交桥大量修建。据交通部统计，2014年年底，全国共有公路桥梁75.71万座。它们构成了我国国民经济的命脉之一[1]。

近年来，大部分桥梁逐渐进入到老化期，保障桥梁结构的安全性、完整性和适用性无疑是非常重要的。显然，以往无损探伤和人工视察的传统检测已经不能满足桥梁工程的要求。随着传感器技术、数值模拟、损伤识别技术的快速发展，结构健康损伤诊断技术开始广泛应用于持续提供桥梁结构状态和响应的可靠信息；识别桥梁结构中的缺陷、劣化和损伤；评估损伤对桥梁结构承载能力和可靠性的影响；为桥梁结构运营和维修决策提供超载和损伤的警告信息等方面。

1 现有的研究成果综述

桥梁结构长期安全监控的实现对感应器性能要求是非常苛刻的。因此，区域公路网桥梁结构长期安全监控问题亟待解决，但直到光纤智能传感技术，无线传感及射频识别技术取得突破性进展后，传感技术才进入到工程应用阶段。

1.1 无线传感网络与射频识别技术

近年来，微电子机械系统、无线通信和数字电路技术的进步促进了小尺寸无线传感器的发展。加州大学伯克利分校利用传感器和无线通信技术对大型建筑结构进行远程监测，整个系统包括无线扩频通信调制解调器、数据通信软件和传统的应变传感器。

此后，Mitchell对集成有微控制器、传感器和射频(收/发)模块的无线传感器的性能进行了验证。Bennett等人将无线通讯技术应用到高速公路路面的应变和温度监测中来预测路面的剩余疲劳寿命。J.P. Lynch和K. H. Law在组无线传感器中嵌入了简单的信号处理算法，同时利用有线监测系统来校验无线传感组块的各功能[2]。

近年来在国内学者中，欧进萍教授基于海洋平台提出了基于无线传感器网络的结构健康监测系统，并实现了数据的远程无线传输、管理和存储[2]；欧进萍和李宏伟等针对高层建筑结构利用无线传感器网络技术将研制的新型超高层建筑结构动态测试系统测试了深圳地王大厦的环境噪声和加速度响应[3]。

1.2 结构状态安全诊断技术

对于大跨复杂结构监测，如何利用采集的结构信息，确定结构的安全状况并进行预警，是结构健康监测系统的核心和目标。

1)考虑各种不确定性因素影响的结构有限元模型修正技术是有效诊断现役桥梁工程结构安全状态的基础。在桥梁结构的有限元建模及模态试验过程中存在着参数不确定性。因此，研究考虑不确定性因素影响的结构有限元建模方法是精确建立桥梁结构有限元模型的迫切需要。通过模糊理论可以研究不确定性因素对结构建模的影响规律。同时，基于结构优化的有限元模型修正方法可以进行大量的反复试算。因此，基于模糊有限元模型修正的结构建模方法成为该研究的有效途径，该方法分为直接修正方法和迭代修正方法。a.直接修正方法。此类方法计算量少，耗时短，不存在求解发散的情况。但是，修正结果并不具有明确的物理意义，修正后的结构矩阵通常不再具有带状、稀疏的特点。此类方法主要有最优矩阵法、特征结构分配法等。其中，最优矩阵法就是通过直接修正结构的整体刚度、质量矩阵达到修正的目的，但是修正后的结构矩阵通常不再满足结构相联性的要求。特征结构分配法修正结果更加精确，但存在以下缺点：计算量通常较大；实际中结构输入、输出矩阵的完备性要求较高；修正后的刚度矩阵不再满足半正定的要求。b.迭代修正法。迭代修正法修正参数的选择更加灵活，容易保证修正后模型的物理意义。但搜索全局最优解和过程耗时大的问题亟待解决[4]。此类方法主要包括：基于灵敏度的修正方法；基于概率统计的修正算法；基于频响函数的修正方法；基于神经网络的修正方法。现有的修正方法应用于实际的复杂结构时，仍然面临着巨大的挑战。这是由于：在建立复杂结构的有限元模型过程中存在不确定性的误差；结构材料特性参数本身具有的变异性；测试过程中各种噪声及人为因素的干扰和不完备的模态参数。因此，传统的修正方法不能保证结构有限元模型的准确性。

2)基于数据的新型结构损伤识别技术是诊断现役桥梁结构安全状态的有效途径。结构整体损伤识别方法是基于振动的“动态”检测技术基础上发展起来的。20世纪90年代末，美国洛斯阿拉莫斯实验室对大型工程的结构损伤识别技术水平的研究结果表明，基于环境激励输出的大型结构整体损伤识别方法，是获取结构整体劣化状态的重要途径。2001年在第19届IMAC会议上讨论出利用环境激励输出信息识别结构损伤是结构实时监测的重要研究方向的结论。结构整体损伤识别研究经历了三个发展阶段[5]：第一阶段是仅用识别的结构模态参数确定结构的损伤状态；第二阶段是对识别的模态参数与损伤特征用概率模型进行描述，更加符合结构损伤的实际状况；第三阶段是基于模型修正的损伤识别方法，将有限元方法加入损伤识别之中，强调了识别方法的定位能力。

3)结构系统可靠度理论是分析现役桥梁结构安全状态的可靠保障。由于长时间多种不利因素的耦合作用，桥梁中受损伤的关键部位的突然破坏会导致重大事故的发生。结构系统可靠度理论是避免桥梁结构发生重大事故的重要理论基础。结构系统可靠性的分析方法可以分为失效模式法和稳定构形法。当前系统可靠度理论主要研究失效模式法，该方法可以分为两大类[6]：一类是确定性极限状态搜索法，主要特征是以构件的受力状态作为依据，不会涉及构件的复杂计算，但也具有主要失效模式容易被遗漏、受人为因素影响等缺点。另一类是概率搜索法，主要特点是以失效概率的大小作为依据，涉及到可靠度和失效概率的计算。概率搜索法具有不易遗漏主要失效模式、适用范围广的优点，缺点是计算量较大且计算复杂。

综上所述，目前传感器和结构健康诊断理论的现状并不能满足桥梁结构监测的需求。因此，如何利用长期监测积累的大量数据，研发适用于区域公路网桥梁结构监测的新型状态感知网络与智能化预警与评价技术，对桥梁结构安全状态进行准确诊断是当前亟待解决的问题。

2 可行的研究方向

通过研发基于传感器网络和低成本的区域公路网桥梁结构状态感知网络和系统，从而实现监测、预警和控制技术为区域公路网桥梁结构的正常运行提供先进的科学技术保障，是发展高新技术、改善我国经济结构的有效途径。本文围绕区域公路网桥梁结构监测的新型状态感知网络及智能化预警与评估技术的关键问题，综合分析目前的研究成果以及技术状况，提炼出可能展开的研究方向如下：

1)基于结构长期性能监测的区域公路网桥梁结构安全诊断感知设备研制。根据我国区域公路网桥梁结构的特点，从实现路网可视、可测、可控的角度出发，研究开发基于结构长期性能监测的区域公路网桥梁结构高性能传感技术，从而为准确诊断区域公路网桥梁结构性能提供可靠的数据来源。

2)基于结构长期性能监测的区域公路网桥梁结构安全诊断感知网络的高性能优化设计。综合考虑区域公路网桥梁结构长期性能监测、运营荷载效应监测以及地震反应监测等的需求，研究基于有限传感器数量诊断区域公路网桥梁结构安全状态的有效方法，从而为区域公路网桥梁结构安全诊断感知网络提供设计方法，为准确诊断桥梁结构状态提供数据保障。

3)基于结构长期性能监测的区域公路网桥梁结构安全诊断的结构荷载效应建模技术。利用结构长期性能监测积累的海量数据，研究运营条件下区域公路网桥梁结构荷载及结构响应的概率分布模型，从而为有效剔除环境因素对区域公路网桥梁结构性能的影响提供基础，为准确诊断桥梁结构状态提供技术保障。

4)基于结构长期性能监测的区域公路网桥梁结构安全评价与预警技术。研究基于统计分析理论、非线性动力学、不确定性理论、数据挖掘技术的区域公路网桥梁结构损伤状态诊断、安全评价、预警技术。利用区域公路网桥梁结构长期监测得到的海量数据，研究区域公路网桥梁结构性能的退化规律，并建立区域公路网桥梁结构预警指标，从而准确诊断实际区域公路网桥梁工程结构的安全状态。

3 结语

针对现有在役的公路桥梁随着使用年限增加而逐渐老化，导致无法实时监测到全桥状态及风险评估数据的现象，文章通过对现有研究成果的总结归纳，提出进一步的研究思路以及可行性分析，具体内容包括：基于结构长期性能监测的区域公路网桥梁结构安全诊断的感知设备研制、感知网络的高性能优化设计、结构荷载效应建模技术和结构安全评价与预警技术,为相关领域的研究提供了理论基础。

[1] 赵 琴，朱玉峰，董博昶.我国公路环境研究进展及发展趋势分析[J].环境与发展，2015,27(6):22-25.

[2] 喻 言，欧进萍.海洋平台结构振动监测的无线传感实验研究[J].哈尔滨工业大学学报，2007,39(2):187-189.

[3] 喻 言，李宏伟，欧进萍.结构监测无线加速度传感器的设计与制作[J].传感技术学报，2004,17(3):463-466.

[4] K.Jones,J.Turcotte.Finite Element Model Updating Using Anti-resonant Frequencies[J].Journal of Sound and Vibration,2002,252(4):717-727.

[5] 郭勒涛，张令弥.以冲击响应为响应特征的有限元模型确认[J].振动与冲击,2005,24(6):32-36.

[6] 刘 洋,段忠东.自适应耦合局部最优法及其在结构模型修正中的应用[J].振动工程学报,2008，21(1):468-475.

On status perception network and intelligent warning technology of bridge structures

Zhang Ping Zhang Xiaochen Jia Jie

(College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

According to the features of existing road networks with many middle and small bridges, from highway net visible, measurable and controllable, the paper researches the practical intelligent supervision and safety warning system for the road network based on the sensor network and low cost, analyzes the feasibility of the technology, so as to provide some theoretic foundation for related fields.

safety diagnosis technology, structural long-term performance supervision, regional road network

1009-6825(2016)12-0177-02

2016-02-15

张 萍(1995- )，女，在读本科生； 张笑尘(1995- )，男，在读本科生； 贾 杰(1980- )，男，博士，副教授

U441

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