小型结构监测系统的构架与实现

麻竹倩（上海市建筑科学研究院，上海 200032)

现有桥梁体系中，中小型桥梁占所有桥梁的 90% 以上，因此中小型桥梁是城市运营安全监控的重点，但将大而全的桥梁健康监测系统简单地移植应用于中小型桥梁并不现实。

针对上述背景，基于一般中小型桥梁的结构特点和病害发展规律，定制一套针对中小型桥梁的监测管理系统，对中小型桥梁的重点参数进行实时监测；基于 BIM 技术，实现桥梁结构 BIM 模型构架的信息标准和框架设计，实现系统的小型化、经济化和智能化。

1 传统健康监测系统与小型监测系统

1.1 传统桥梁健康监测系统的特点

传统桥梁健康监测强调测量数据的完整性、数据采集的实时性和连续性、数据传输及通讯的高效性和可靠性以及数据分析处理能力的有效性，通过对桥梁的系统分析和安全评估，为桥梁的维护、维修和决策提供可靠的依据，同时也为桥梁设计理论和设计方法的改进提供最直接的信息。表 1 列出了部分桥梁健康监测系统成功应用的工程案例。

表1 部分桥梁健康监测系统建设投资汇总 万元

上面数据表明目前的桥梁健康监测系统多针对特大型桥梁或特殊结构桥梁，技术要求高，设计复杂，建造费用大。

1.2 小型监测系统研发的必要性及可行性

与特大型桥梁不同，城市中小型桥梁结构相对简单，构件形式单一，多采用标准构件。目前上海市建筑科学研究院分别在桥梁和隧道领域主导设计和实施了几个健康监测系统，基本具备了健康监测技术的成套实施能力。但在技术的进一步推广和应用于中小型桥梁的过程中，遇到了几个问题：小型监测系统中单点成本过高；线缆铺设工作量大、效率低、成本高；缺少系统配套，如电力供给、网络。简单地移植大而全的桥梁健康监测系统并不现实。

随着半导体、硬件网络和无线通信等技术的飞速发展，传感器在微小体积内能够集信息采集、数据处理和无线通信等功能于一体。无线传感网络技术的应用可以大大简化系统构架，规避传统传感器所需要的大量线缆铺设工作。无线传感器网络具有自适应和自动组网功能，具有良好的可扩展性，以实现监测系统的完整性和有效性。同时，无线采集模块具有低功耗特性和良好的电源管理机制，可以通过局部电池供电实现较长时间的在线监测工作，从而摆脱整个监测系统对于传统电力供给的过度依赖。

2 小型监测系统的构架与实现

2.1 系统设计

利用无线传感器技术，实现系统的无线自动组网和数据传输，降低整个系统的整体能耗，实现系统的小型化、经济化和智能化。同时尝试使用太阳能电池供电技术，摆脱监测系统对传统电力供给的依赖，对中小型桥梁的重点参数进行“实时监测和有效预警”。

2.1.1 系统构架

整个系统包括如下几个部分：振弦式传感器；数据采集器；网络控制器；基于 C/S 构架的客户端采集软件；基于B/S 构架的网络发布软件和数据库。

2.1.2 硬件系统

每个采集器可以采集 4 个通道的应变计传感器数据，传感器之间进行内部 Zigbee Mesh 组网，传感器将数据发送到网络控制器模块，网络控制器模块内部有 SIM 卡，将数据通过 3 G 网络传输到 Internet 上。服务器端运行的客户端采集软件从对应的端口读取数据，并将数据保存到数据库中。

2.2 传感器及数据采集模块的选型

2.2.1 传感器类型选型

相较于桥梁检测，桥梁健康监测对所采用的传感器在稳定性和可靠性、体积大小、埋置安装便捷性、传输线路和保护构架等方面提出了更高的要求。目前的主要传感器类型有电阻电流式、振弦式和光纤光栅式。

振弦式传感器的振弦是钢弦，通过激振产生振动。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。在长期监测领域中，采用振弦式传感器实现数据的采集、无线传输、处理和存储，是一种相对较优的选择。

2.2.2 采集模块选型

小型无线监测系统要求整个系统尽可能地简化，采集模块能够实现数据的采集和解析即可，需尽可能地控制体积，以便现场安装和保护；同时把能耗控制在最低，以实现系统的较长时间监测功能。

经多个产品比对分析，本系统最终采用莫尼特采集模块，它不仅能采集、存储、分析数据，还能够通过互联网的数据库，实现多用户、多现场、多终端管理等。现场采用无线组网技术，采集器之间采用 Zigbee Mesh 网自组网、自恢复网络。网络可布置成线状、云状以及任何三维结构，大大提高系统的稳定性和有效性。同时该局域网容量大，合理的电源管理模式可以减小功耗，延长系统的有效工作时间。

2.3 客户端数据采集模块的开发

网络控制器的信号通过 GPRS 传输到服务器，在服务器上开发一个客户端软件，该软件的主要功能是从服务器的固定端口读取数据，并将数据保存到数据库内。该软件的开发主要用了 C/S 结构。

2.4 数据管理系统开发

管理系统的构架模式目前主要有两种：C/S 结构即客户机/服务器结构（Client/Server）；B/S 结构即浏览器和服务器结构（Browser/Server）。由于本系统面对诸多未知的潜在客户，而且客户类型各异，很难要求客户都具有相同的操作系统，同时随着适用对象和客户需求的不断变化，对于整个系统的更新和维护呈现多样化，在这样的背景下，采用B/S 结构系统具有更多的优势。客户端只需要具备上网功能即可，具有良好的普适性，且所有的数据都保存在中心数据库服务器，可以有效确保数据的安全性、完整性和一致性。

2.5 太阳能电池的选型和测试

本系统主要采用干电池供电，为了进一步延长系统的监测时间，减少电池的更换频率，采用太阳能电池技术作为绿色能源供给的新尝试。本系统网络控制器的峰值功率为 2 W，太阳能电池板的功率为 50 W，蓄电池的容量为 100 AH，持续光照 24 h 可以将蓄电池充满电，考虑到阴雨天气，即使没有光照的情况下，太阳能电池板提供的电量可以供系统使用 21 d，可以满足系统的需求。

3 监测系统在某中小型桥梁的应用

该连续弯箱梁位于中环线浦东段（上中路越江隧道-申江路）施工 6 标 NE 匝道 U 3 联，共两跨，箱梁墩号为：NE 6～NE 8。匝道箱梁宽度位于 12.6 ～15.0m之间，底板宽度位于 5.7 ～8.1m之间，采用一次性浇筑成型。

针对弯箱梁的结构特点和典型病害特征，在该箱梁布设一套安全监控预警系统，对该连续弯箱梁的侧向位移、扭转进行实时监测。

系统在 2017 年 2 月份调试运营，采集频率为 1 次/h，截至目前共积累了超过 12 个月的数据。

测试表明该系统具有良好的长期稳定性和可靠性，整个系统的长期数据丢包率＜1%，基于目前的工况和采样频率，系统的整体有效工作时间≥12 个月。

4 结 语

基于中小型桥梁的结构特点和病害发展规律，构架了一套小型化、经济化和智能化的无线监测管理系统，实现了对重点参数的实时监测和有效预警，有效简化了运营维护管理平台构架，摆脱了监测系统对传统电力供给的依赖，提高了系统的实施效率和项目适用性。