桥梁结构安全实时监控预警技术体系应用探讨

杨建南

浙江沧海建设有限公司 浙江 宁波 315105

1 桥梁结构安全实时监控预警技术体系应用的作用和意义

桥梁结构在桥梁使用过程中受到设计标准、施工材料质量与工艺技术、交通超载负荷及偶然事故等各种内外因素的影响，其结构安全性能会发生变化，严重的话会危险到人们生命财产和国家交通设施安全。

长期以来，由于技术水平及环境等因素的影响，人们对桥梁的典型、重要、复杂结构安全性一直采用人工方法在现场进行检测，将检测数据带回实验室进行分析。这种方法不能及时、有效的掌握桥梁结构实时安全状况。

随着科学技术的发展，特别在传感器技术、数据通讯与传输技术及网络计算机技术的发展，对桥梁结构安全实施实时远程监控检测成为现实。通过桥梁结构实时安全信息数据采集、传送收集及分析评估技术，结合传统人工现场检测方式，能够使我们正确的掌握桥梁使用过程中结构安全性能的变化规律、趋势，为判定结构安全等级提供依据，并对出现预警的结构安全问题及时采取有效措施进行整改、调整，确保桥梁使用安全。

2 桥梁结构安全实时监控预警技术体系的组成

桥梁结构安全实时监控预警技术的应用需要一个完整的体系组成。该体系包括结构安全数据实时采集系统、无线数据通信与传输系统、数据收集分析与处理系统、安全评估与预警系统、安全决策系统。

桥梁结构安全实时监控预警技术体系是在物联网技术的支持下，实时采集桥梁的健康状态数据，根据设定的流程进行数据的管理和组织，在此基础上通过信号调理和传输模块进行数据集成存储，结合数据智能识别、融合和分析诊断，完成桥梁结构安全的实时监测及预警分析，有效杜绝桥梁结构各种安全事故的发生。

2.1 结构安全数据实时采集系统

在桥梁各个重要部位安装不同类型的传感器设备，利用先进的传感器技术来实时采集桥梁运行过程中的各种形态变化和运行数据。使用的传感器类型有沉降、应变、位移、压力、振动、倾角、加速度、温度及湿度等。传感器在桥梁中的安装部位根据性能及采集的数据不同而不同，比如可以将振动传感器安装在桥梁面层、箱梁底部、盖梁与立柱连接处等部位，压力传感器和位移传感器可以安装在支座及箱梁梁板之间位置。

各种数据采集系统必须安装正确、牢固可靠，能够确保及时准确的收集各种数据。该数据收集系统的工作形式有检测数据全天候实时采集、定期周期性采集和监控中心指令数据采集三种模式。

2.2 无线数据通信与传输系统

采用无线数字化通信系统来实现监测数据的通信与传输，具有经济、实用、实用方便的优点。它既可以实现人与人之间的数据通信，又可以实现人与仪器设备、仪器设备与仪器设备之间的数据通信。

将通过传感器收集到的数据，输入到转换器完成数据信号模式转换为电信号模式（即基带信号）过程。设置加密器，能够起到信息保密的效果。对基带信号经过调制以后将其频谱转移到较高的频率范围进行频带传输，完成检测数据无线通信与传输到远程监控中心接收设备的功能。

2.3 数据收集分析与处理系统

由于各种传感器采集传输的数据表示的意义不同，存储和处理的方式大不相同，因此需要对不同类型的数据进行分类收集和处理。

数据信号通过各种不同的信道传输发出，会出现信号的失真及噪音混杂现象。数据收集系统的作用就是在受噪音影响的信号中区分噪声和有用的信号，取出有用信号并通过输入转换器将信号还原成数据。

数据的分析与处理利用计算机系统来完成，利用各种通讯、数据处理及应用处理软件通过对有用数据进行加工、整理、计算，分析得到各种指标数据，并将处理后的所有数据（包括不同监测时间、不同桥梁结构部位及不同类型的桥梁）进行归类，形成数据库。

2.4 安全评估与预警系统

根据桥梁工程结构安全技术标准规范要求，建立健康监测模型。

利用远程监控系统及计算机程序软件，将分析得到的各种指标数据与健康监测模型进行比较，确定结构安全参数是否处于正常范围以内。对超过标准安全警示值数据的项目（变形、振动、位移、应力应变等）启动预警模块，为桥梁安全决策提供相关信息数据。

2.5 安全决策系统

通过安全决策系统，对预警模块项目采取的技术措施进行安全评估和对比，选择科学合理的方案对出现的桥梁结构安全问题进行维修加固处理，避免桥梁在非健康状态下使用而导致出现结构安全问题。

3 桥梁结构安全实时监控预警技术实施应用的技术条件

目前，随着技术的不断发展和进步，作为传统产业的建筑业，在工程设计、施工过程中质量与安全控制、运营管理等各方面，已经融入许多新型技术，如BIM、大数据、物联网、5G+移动通讯、3D打印、云计算等,这些创新技术的应用，为建筑业智能化与信息化管理提供强有力的支撑。

在桥梁结构安全实时监控预警技术应用到的科技创新技术方面有：

3.1 大数据技术

建立适合于桥梁结构安全实时监控预警大数据应用框架。通过汇聚整合和分析相关大数据，建立安全保障体系，规范大数据采集、传输、存储、应用等各环节安全保障措施。

3.2 云计算

利用云计算中的虚拟化、分布式数据存储、大规模数据管理、信息安全、绿色节能等多项ICT技术，能够为桥梁结构安全实时监控预警提供强有力的数据处理技术服务支持。

3.3 物联网技术

结合桥梁结构安全实时监控预警需求，利用低成本、低功耗、智能化传感器及相关设备的研发，实现物联网高速移动通讯、无线射频、近场通讯、二维码识别、核心芯片、仪器仪表、配套软件等在桥梁结构安全实时监控预警的集成应用。

3.4 智能化技术

在桥梁结构安全实时监控预警实施过程中，采用智能机器人及设备、手持智能终端设备、智能监测设备等，是一种智能化技术应用发展趋势。它的应用可以提升监控预警准确性和效率，降低安全风险。

3.5 5G+移动通讯

随着5G+技术的出现，会助推桥梁结构安全实时监控预警体系的使用。首先，5G技术高带宽数据传输网，适合于桥梁结构安全实时监测数据传输。其次，基于智能终端的桥梁结构安全实时监测设备在5G的支撑下，实现可视化操作和智慧化管理。

4 桥梁结构安全实时监控预警技术存在的问题及未来发展方向

4.1 存在的问题

目前，道路桥梁结构实时安全监控预警技术在研究及使用过程中还需要以下几个方面的问题

（一）传感器的优化合理布置

桥梁在使用过程中，结构所受到的影响安全的因素较多，也比较复杂，而各种传感器的数据采集性能又有一定的局限。因此如何对传感器进行选择和合理布置，直接影响到桥梁结构安全实时监控预警技术能不能顺利开展的关键。

（二）监测数据无线通信与传输模式的选择

目前各种数据信息传输技术非常先进。但我们也应该考虑到目前部分道路桥梁分布在城市外围传输信号薄弱的地方且部分数据采集设备安装部位比较隐秘。这些部位如何顺利进行数据通信与传输，也是我们在进行桥梁结构安全实时监控预警技术应用时应该解决的问题之一。

（三）监控预警数据采集设备的更换与维修

数据采集设备也有一定的使用寿命和周期。由于数据采集设备（如传感器）数量多，一般安转部位隐秘，对设备的日常维护及保养十分困难，而且更换时还会影响到数据的正常采集与传输发送。这就需要我们在设计结构安全实时监控预警系统时，一要根据数据不同采集要求需要选择合适的采集设备，保证其采购和安装质量，提高其使用寿命和周期。二要在安装位置设计时，既要考虑到满足数据采集要求，又要考虑到日常数据采集设备的维修保养与更换要求。

4.2 未来的技术发展方向

（一）通过微波、太赫兹及红外成像等技术的应用，实现桥梁结构安全实时探伤、灾害监控预警。包括对桥梁上部结构、下部结构裂纹探伤、缺陷演变过程监控及预警，对桥跨结构、支座体系、盖梁立柱及桥梁桩基的位移、演变过程监控及预警。

（二）通过基于光纤光栅、电阻敏感纤维的应力和温度传感器预警系统的设置，在桥梁结构工程施工过程中安全生产监控领域方面得到应用，与建筑业推广的工程建设信息化与智能化管理有效结合。

（三）结构安全实施监控预警体系技术先进，不仅能够对桥梁使用过程中结构安全实时监控预警中应用，而且还能够应用于房屋内外结构、综合管廊、特殊地质条件、水库大坝等方面的实时监控预警，具有较广泛的应用前途。

5 结束语

保证已投入使用桥梁的结构安全至关重要，传统的桥梁结构安全监测采用人工地毯式方式进行，配备简单的测量仪器，测得的数据不准确，只能以模糊分级的方式描述桥梁结构安全状况，不能及时正确反映桥梁工作实时状态信息。而采用桥梁结构安全实时监控预警技术体系，采用专用设备仪器实时监测桥梁的安全状态参数，用专用设备和软件对数据进行识别、分析和加工，就能够得到桥梁的正确工作状态信息，再通过特定的分析方式确定桥梁的健康状况与安全预警参数，利用决策系统对桥梁的结构安全问题进行处理，确保桥梁使用安全。可以肯定使用桥梁结构安全实时监控预警技术体系，对保证桥梁的结构安全使用具有非常重要的作用。

随着桥梁结构安全实时监控预警技术体系不断完善和进步，不仅可以实现对已投入使用的桥梁工程结构安全全方位进行实时监控，而且还可以结合桥梁施工过程中质量与安全监控管理，应用到施工过程当中去。