客运专线铁路桥梁振动实时监测技术研究

郭建康

(乌鲁木齐铁路局 乌鲁木齐高铁工务段，新疆 乌鲁木齐 830011)

随着我国经济的快速发展，近年来我国客运专线建设突飞猛进。新建客运专线桥梁长度和数量通常都较大，使得既有铁路桥梁检查的工作量大幅度增加，而高速通过的列车对桥梁的稳定性有非常高的要求，因此需要管理单位及时掌握桥梁状态。

最早的桥梁结构损伤检测大多采用以人工作业为主。人工作业主观性较强，作业效果差，不够迅速。随着经济、技术发展，目前已有很多大型桥梁从设计之初就在桥梁关键部位采用有线布网的方式布设振动加速度传感器进行振动监测，如苏通大桥[2]、润扬长江大桥[3]等。

有线网络监测方式相比于传统的人工作业方式，具有信号易于提取，且能够实现对桥梁结构长期实时监测等优点。但同时也存在诸多不足，如测试准备工作繁重、布线繁琐、自动化程度低、配套工程较多等[4]。解决上述问题最有效的方式是采用无线传感器网络[5]，其具有结构尺寸小、成本低廉、布置灵活、测试精度高等特点。在桥梁结构检测中使用无线传输已经开始受到广泛关注[6]。因此，开展铁路桥梁振动无线实时监测监控工作具有现实意义。

本文对桥梁振动无线监测效果进行论述，选取兰新客专红燕南路立交特大桥4孔梁作为试验对象进行测试，通过对检测数据的对比分析，掌握桥梁振动无线监测系统的优缺点，从而对现场桥梁检查作业起到良好的指导作用。

1 实时监测系统组成和工作方法

客运专线桥梁振动无线监测系统由位移传感器、基于GPRS的无线数据传输模块的远程通信子系统、监测控制中心、供电系统、前端数据采集子系统、中心数据处理子系统组成。系统工作原理：由数据采集仪采集存储位移传感器发送的振动模拟信号，数据传输器通过无线通信网络将存储的数据发送至监控中心，监控中心自动对数据进行初步分析备份，对监测数据进行筛选，标识出异常数据，同时监控中心也可以向桥梁现场位移传感器发送各种指令来控制监测点的运行[7]。

数据采集模块将位于桥梁不同部位传感器测到的振动或者加速度信号后经信号调理后，再经过A/D 转换后送入单片机，单片机将数据通过GPRS模块发送至远程监控中心。同时，各个采集子单元的主板都带有USB接口，可以在测试现场对采集的数据保存到相应的U盘中，并将数据同时发送到移动的GPRS网络。GPRS传输网络的终端部分是GPRS DTU。GPRS DTU的4个核心功能是：内部集成 TCP/IP协议栈，提供串口数据双向转换功能，支持永久在线，支持参数配置和永久保存。通过有线的数据采集中心,可以同时与很多个 GPRS DTU进行双向通信。

监控中心站程序设计采用VC++ 6.0作为开发工具，其软件包括监测中心控制界面及初始化程序，数据包的收发程序、数据处理和保存程序。其中最重要的是监控中心计算机与 GPRS无线通信模块之间的通信，它是实现数据包接收和发送的关键。VC++6.0 提供了网络端口通信控件WINSOCK，能够方便地实现计算机网络端口的扫描和侦听。通过设置一个固定不被计算机占用的端口作为通信端口，然后不断地侦听这个端口的状态。一旦发现端口中有数据包接收，那么开始把数据放入数据缓冲区，然后接收，并且调用相关的中断处理程序处理相应的数据。监控软件的功能分为2大部分：①远程管理现场采集单元和远程实时显示当前极值数据;②当列车通过后查看波形数据，并可以进行显示和分析。监控软件的工作状态相应分为远程和本地2种，远程指的是通过GPRS网络与现场采集单元进行通信，具体的包括远程配置、远程查询、远程实时调用数据等。本地指的是软件处理现场采集单元中U盘上的数据或者实时上传数据文件，具体包括时域波形显示、缩放、频谱分析、打印、统计报表等功能。

现场采集单元可单独使用，一个采集单元就是一个测试点即通常所说的测试通道。采集单元包括：桥梁横向振动监测单元、桥梁竖向振动监测单元和桥梁振动加速度监测单元。现场采集单元内部附带电源，能够自动识别所监测信号，在对信号进行放大、滤波及其他一些操作后并将信号自动保存下来。保存的方式有2种：内部RAM及外插U盘上。内部RAM中的数据可以无线传送到后台监控以便现场查看、分析，U盘的数据可以作为存档以备事后分析处理。

2 前期准备

系统可靠性是衡量系统稳定性、数据准确性的重要指标。在研究开发过程中，项目组选取横向振幅、竖向振幅、竖向加速度3个指标评价兰新客运专线铁路桥梁设备运行特点，对无线采集单元的电路、机械结构、安装方式，采集数据的微功率大范围(2 000 m)传输，数据集中器的可靠远程通信、设备的安装固定，中心处理系统数据库结构、图形显示界面、数据快速查询等技术和装置进行了深入研究和不断改进[8-10]。

为了确保监测数据的可靠性，课题组在无线实时监测系统完成后在振动台上进行了标定，同时用有线监测设备和无线监测系统进行测试。横向振动值无线实时监测系统与有线监测系统误差为6.6‰，竖向振动值无线实时监测系统与有线监测系统误差为5.2‰，测试结果如图1所示[11-12]。

3 现场检测效果

选用TG/GW 209—2014《高速铁路桥梁运营性能检定规定(试行)》规定的常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁梁体跨中横向振幅通常值、常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁梁体跨中竖向振动加速度通常值、常用跨度预应力混凝土双线简支箱梁梁体跨中竖向振幅通常值3项指标作为主要测试对象。在兰新客专红燕南路立交特大桥选取4孔梁进行监测，为了验证无线振动实时监测系统可靠性，使用乌鲁木齐铁路局工务检测所用的仪器对红燕南路立交特大桥1孔至4孔梁进行监测，与无线振动实时监测项目同步进行，以复核监测结果，其中主要对桥跨结构的横向振动、竖向振动、竖向加速度3项指标监测数据进行对比，对比结果如图2所示。

由图2可见3次监测图形波形走势高度一致，证明系统可靠性和重复性很好。经过一段时间的现场运用，无线实时监测系统运行稳定，测量数据准确，系统功能完善，经现场应用，能够满足工务部门桥梁振动实时监测需求。

图2 第1孔跨中振动参数对比

4 结语

随着铁路运输朝着高速、重载的方向不断发展，对桥梁经常性检查观测工作日益重要，需要桥梁维护人员能够及时、方便地了解桥梁状态，方便养护维护。无线实时监测技术能够及时发现铁路桥梁桥跨结构在横向和竖向刚度存在的问题，有针对性地进行桥梁检查工作。无线监测技术不但适用于高速铁路桥梁实时监测，且只需要对个别参数进行调整，即可运用于普速铁路桥梁的监测。无线监测技术具有造价低、适用范围广的特点，特别适用大跨度桥梁、日常检查困难地区桥梁和立交桥梁，具有极高的推广价值。

[1]吉林,丁华平,沈庆宏.基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测[J].南京大学学报(自然科学),2011,47(1):19-24.

[2]余波,邱洪兴,王浩，等.苏通大桥结构健康监测系统设计[J].地震工程与工程振动,2009,29(4):170-177.

[3]李爱群,缪长青,李兆霞，等.润扬长江大桥结构健康监测系统研究[J].东南大学学报(自然科学),2003,33(5):544-548.

[4]王海新.智能型无线数传桥梁振动检测分析系统研究与应用[J].上海铁道科技,2007(1):16-17.

[5] POTTIE G,KAISER W.Wireless Sensor Networks[J].Communications of the ACM,2000,43(5):551-558.

[6] LYNCH J P,KENNETH J L.A Summary Review of Wireless Sensors and Sensor Networks for Structural Health Monitoring[J].The Shock and Vibration Digest,2006,38(2):91-128.

[7]蔡建军,刘芳,杨连军,等.基于结构实时响应的钱塘江大桥安全监测系统[J].铁道建筑，2014,54(5):21-26.

[8]中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120号 铁路桥梁检定规范[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[9]中国铁路总公司.[2014]232号 高速铁路桥梁运营性能检定规定(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[10]中国铁路总公司.TG/01—2014 铁路技术管理规程(高速铁路部分)[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[11]中华人民共和国化学工业部，全国电子测量仪器标准化技术委员会.GB 6587.7—1986 电子测量仪器基本安全试验[S].北京：中国标准出版社，1987.

[12]中华人民共和国机械电子工业部，全国电子测量仪器标准化技术委员会.GB 11463—1989 电子测量仪器可靠性试验[S].北京：中国标准出版社，1989.