基于无线网络传输的桥梁健康监测系统设计

马式纪， 牛囿入， 云璋瑜， 龚佳瑶， 卢晓宁

(成都信息工程大学 资源环境学院， 成都 610225)

纵观世界各国桥梁，根据受力特点大致可分为梁式桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥、刚构桥和组合体系桥。中国从1987年建成第一条高架桥至今，短短30余年中国建成的现代桥梁总数已超100万座，且在21世纪人类新建的全球排名前100的大桥中，中国更是高达90座，无愧于世界闻名的“基建狂魔”称号[1]。

在实际运营中，少数桥梁会因结构设计存在缺陷、建筑材料未达到施工要求等内部因素，导致桥梁垮塌事故发生。但更多的是在运营期内由侵蚀、地震、荷载量等环境或非环境因素引起的结构失效，使其工作性能的表征量——桥梁的刚度和强度随时间呈现逐渐减弱的趋势[2]，从而影响桥梁寿命。部分专家认为,发达国家或地区在交通基础设施建设高峰30～50年后出现的养护维修高峰，在中国可能会提前到来[3]。但与发达国家相比，中国长期以来在桥梁检测养护上缺少有效的管理措施、完善的养护管理制度和科研力量[4]，在桥梁监测上还存在桥址环境异常监测不足、有线线路耐久度差、系统定位精度偏低等问题[5]，难以提供可靠、准确的桥梁监测结果，从而无法对桥梁意外垮塌事故做出正确预警，造成人员伤亡和财产损失。表1为2011—2021年部分桥梁事故，从表中可看出，每年中国都有桥梁垮塌事故发生，这足以说明应用桥梁健康监测系统(bridge health monitoring integrated system,BHMS)的重要性。

表1 2011—2021年部分桥梁事故

虽然当前已经有一些针对大跨径桥梁的监测系统，但多局限于监测数据有线传输与单卫星定位技术[6-9]。李战明等[10]在设计桥梁结构健康监测过程中的动态信号采集时，提出可根据桥址环境、桥梁系统功能设计要求、经费数量等因素，视情况采用基于ISA、PCI总线和基于PXI总线两种数据采集系统两者中的一个；罗运海[11]采用数码相机对目标桥梁进行三维量测，将建立的桥梁立体模型与实际桥梁数据相考证，研究结果表明，精度可达厘米级，能够满足桥梁监测的精度要求，但仍较低于同期的RTK测量结果；David等[12]将全球定位系统(GPS)与线性变量差分传感器(LVDT)相结合监测桥梁的结构变形，最终确定了桥在水平方向上一些轻微的位移。上述桥梁健康监测系统，或使用有线通信电缆与信号采集设备构成的联合组网进行信息采集，或使用单一的卫星定位系统如北斗卫星导航系统(BDS)、GPS卫星定位系统等进行精密定位。前者难以解决线缆布设复杂、耐久度低及后期维护困难等问题，后者又导致定位精度不准确，造成桥梁监测存在较大的误差。因此，本文基于BDS/GPS双星高精度定位，应用多源无线网络传输技术对桥梁健康监测系统进行设计，不仅在桥址环境监测方面增加监测参数，同时在传感器节点间与各子系统间的数据传递分别采用ZigBee近距离无线网络传输与第五代移动通信技术(5G)，并基于BDS/GPS双星定位技术监测桥梁水平位移，从监测内容和监测手段上提高该系统对桥梁健康监测的准确性、有效性和及时性。该系统可以解决当前国内部分健康监测系统存在的线缆布设复杂、定位精度较差等问题，为减缓桥梁使用寿命的衰减速率，实现正确、有效的桥梁结构安全预警做出了积极贡献。

1 桥梁健康监测方案的设计目标

桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监测与评估，为桥梁在恶劣天气下的异常运营状况，桥梁的维护、检修和管理决策提供指导与依据。针对各类桥梁结构特点，以桥梁的几何状态和结构响应、桥址环境和交通状况等作为结构健康监测对象。本研究所构建的基于无线网络传输和双星定位技术的桥梁健康监测系统实现目标如下：

1)系统应能够准确获取桥址环境参数、结构响应参数、桥面荷载参数、构件状况等信息。

2)传感器布设应充分考虑可施工性及高效性，达到位置便于安装和更换，且模态参数获取敏感的目的，以获取全面准确的结构参数信息。

3)测点间通信方案具有可实施性，能够降低后期维护成本，提高传输效率与定位精度。

4)系统耐久度高，数据采集连续、稳定，监测数据具有良好的鲁棒性和可视性。

5)提供数字可视化数据管理平台，实现整合、归档、存储、查询、数据可视化的功能，便于操作人员直观监测、管护人员简便操作，实现友好的人机交互。

2 系统总体架构

桥梁健康监测体系架构自下而上分为4层，分别为数据采集层、网络传输层、危险预警层、人机交互层，各层对应着不同的功能和技术手段。数据采集层为在ZigBee无线网络传输技术支持下，由各种传感器构建的数据采集网络，实时监测桥体钢结构各项物理参数和响应客户端的控制命令；网络传输层为5G和ZigBee近距离无线通信的融合组网，用于数据采集终端与数据管理中心、数据管理中心与客户端之间的双向信息传递；安全预警层主体为数据管理中心，是桥梁健康监测系统中所有信息处理和反馈的场所，也是传感器采集数据的储存中心；人机交互层即为采用HTML、JAVA语言设计的BHMS用户端部分，是操作人员通过Web界面管理桥梁的重要方式。系统总体功能架构如图1所示。

桥梁健康监测系统具体工作流程为：布设在桥体各节点的传感器构成桥梁结构状态采集/监测网络，在桥梁运营期间利用网络传输组网中的ZigBee无线通信传输将实时或准实时采集的桥梁状态信息发送到协调器节点，再通过5G网络无线传输至数据管理中心。数据管理中心对数据进行预处理后，以特定的数据格式进行冷备份，同时对数据进行二次处理与挖掘，获取桥体结构响应参数的安全阈值，评估桥梁结构健康状态，通过客户端展现监测信息与可视化后的桥体受损区域。人机交互层即为桥梁监测客户端，工作人员通过客户端实现人机交互工作，包括传感器响应参数的调整、审查桥梁结构状态、联系维护人员进行人工检修等。

3 数据采集子系统

各节点的传感器既是桥梁结构响应参数的监测单元，又是桥梁健康监测系统的组成部分。具体传感器种类及监测内容见表2。相较于传统监测内容，本系统在设计时做出如下更新：在环境监测方面，针对可能出现的地震、洪水等自然灾害，增设了地震仪和水位计传感器；在桥梁结构参数监测方面，分别对水平和垂直方向的位移分别采用不同传感器，即表2中的三频BDS+GPS水平位移传感器与线性变量差分传感器(LVDT)，解决了传统监测中GPS不能很好地监测桥面以下桥墩位移(由船舶碰撞、沉降等引起)的问题。在桥梁结构应变测定上，并未采用常规BHMS中的振弦式、电阻应变式传感器，因其在常温下的疲劳寿命仅有105～106次，而采用光纤光栅传感技术的应变计，具有比传统传感器更出色的抗电磁干扰能力、抗零漂能力及可重复性[3]。

布设位置合理的传感器网络是监测桥梁健康状况、记录桥体结构动态参数的基础，能够及时掌握在役桥梁桥体刚性结构状态和载荷条件，实时或准实时记录桥址环境参数，监测桥面车辆行驶状态。本系统内各主要传感器的安放位置见表2。

结合各类传感器的工作环境与工作方式，以大跨度悬索桥或斜拉桥为例，传感器布设如图2所示。

图2 悬索桥传感器布设

4 网络传输子系统

桥体上大量布设的传感器间的数据传输及其与数据管理中心间的数据传输，传统BHMS中常采用有线传输方式，即布设大量线缆，这不仅增加了系统造价和现场施工难度，同时增加了后期维护和管理上的工作量，因为复杂的管线与线路布置记录若稍有误差和缺失，都会给系统故障的排查带来巨大的困难。且线路长时间暴露在外，对其耐久度又是一个巨大考验。而随着ZigBee近距离无线传输与5G通信技术的迅猛发展，给更新BHMS的数据传输带来契机。

ZigBee近距离无线传输网络是数据采集子系统内各传感器用于数据传递的网络。该网络由协调器自动建立无线局域网，各类传感器作为终端采集节点自动加入无线局域网并周期性地采集桥梁状态的各类数据，通过构建的无线局域网将采集的状态信息发送给ZigBee协调器节点。汇聚节点协调器与数据监测中心之间则通过5G通信网络进行数据传输。在BHMS数据网络传输层面，各传感器节点间通过构建的ZigBee组网进行数据传递与命令接收，传感器以设定的采集间隔为一周期记录监测数据，并将采集的数据通过ZigBee通信模块传给汇聚节点协调器。经协议转换后，借助大桥附近的5G通信基站通过因特网将数据传输到数据监测中心。这一ZigBee近距离无线网络传输技术与5G移动通信技术相结合的数据传输手段，避免了大量管线铺设，降低了维护成本，从而提高了系统的稳定性。

5 危险预警子系统

基于待监测桥梁的实际业务需求与各子系统间的相互联系，对危险预警系统进行整体功能设计，主要包括气象灾害预警模块、网络稳定监测模块、桥梁状态警示模块、断电自动报警模块。

1)气象灾害预警模块。该模块的数据支持为传感器监测的环境参数与本市气象台发布的气象灾害预警信息。当环境参数超出阈值或接收到来自气象台发布的不同等级预警信息，将以黄色预警(低风险)、橙色预警(中风险)以及红色预警(高风险)的方式通知桥梁管护人员做好防灾减灾工作。

2)网络稳定监测模块。包含网络通信状态监测、主备线路自主切换、断网自动提示等功能，为确保网络稳定、数据连续提供三重保障。

3)桥梁状态警示模块。系统内设桥梁健康结构状态初始值，通过设置各项状态参数的安全阈值，通常采用以5%、1%超越概率的极值或均方根值为通常值及限值的分级方式[13]。一旦某项或多项参数超出设定阈值，将会发出紧急警报。

4)断电自动报警模块。当系统处于异常断电状态时，将启用备用蓄电池为系统持续供电。同时通过提取预存的值班手机号码，拨打电话和发送报警短信，通知值班人员及时检修停电故障。

系统在每种预警模块上采用了告警响声、界面告警提示、短信发布等不同方式，并单独连接了短信网关用于预警短信发送。

6 人机交互子系统

人机交互子系统即用户端。整个BHMS用户端部分使用HTML语言(超文本标记语言)、JAVA语言，Web技术、SQLServer数据库等开发，以HTML形式将可视化的数字信息展现给用户实现人机交互操作。用户可通过桥梁健康监测系统的页面端实现用户登录、个人信息管理、实时监测结构状态、浏览桥梁数据库、远程校正结构参数、联络维护人员6大功能。

1)用户登录。图3为本系统的客户端登录页面。用户在网页中进入桥梁健康监测系统登录界面，输入正确的用户名和密码，即可进入系统。若需注册账号，在所在工作单位核实信息后，方能注册成功。一旦人员离职，其所使用的工作账号将会自动注销。

图3 监测系统登录页面

2)个人信息管理。图4页面显示已登录账号的个人信息，包括用户名、邮箱联系电话等及所拥权限。用户可修改除姓名、性别、职工号、所属单位、手机号码、个人权限等基本信息之外的其他信息。

图4 监测系统用户管理页面

3)实时监测结构状态。通过数据采集终端收集的环境参数和结构相应参数在数据管理中心二次处理后，以数字或图表的形式直观地向用户显示。用户不仅可以查看实时数据，还可对历史数据、实时视频进行查看与导出。用户通过查找预设时间段条件，查询数据管理中心数据库，返回符合时间节点的采集数据，还可以EXCEL或PDF格式导出。实时视频来源于设定在桥梁周围和钢结构各节点的4K高清红外摄像仪，全方位动态显示桥梁信息，并支持选定时间段视频以MP4格式导出。

4)浏览桥梁数据库。存储着所有依赖于该监测系统的桥梁的信息，用户可通过在搜索栏输入大桥名称对数据库进行检索，并可在图5所示的日志页面查看自己的操作记录。

图5 监测系统访问日志管理页面

5)远程校正结构参数。随着桥梁运营时间的增加，桥体部分结构响应参数会逐渐偏离初始值，从而导致预警报警阈值与最初设定值存在偏差。操作人员通过将每次大型人工排查检修后测定的新的结构响应参数输入系统，对应的安全阈值将随之更新，从而保证了系统预警报警的准确性。

6)联络维护人员。系统内存储了维护人员的联络方式，可直接发送文字指令至维护人员的手机，大大减少了以往监测人员与维护人员联络时层层传递警报的步骤。

7 结语

桥梁健康监测系统作为自动化监测桥梁状态的产物，不受时间和空间的限制，既是对桥梁结构人工排查的延伸和补充，同时又为检修人员及时准确掌握桥梁结构状态、减少桥梁意外垮塌事故的发生提出了解决方案。本文在前人研究的基础上，以BDS/GPS双星定位和无线网络通信为主要技术手段，充分考虑桥梁自身结构特性及环境影响，构建了一个由数据采集、网络传输、危险预警和人机交互4层体系架构组成的桥梁健康监测系统。对传统桥梁监测方案的薄弱点进行突破和创新，多样性监测内容、无线网络数据传输与双星高精度定位技术在桥梁健康监测系统上的应用，为桥梁的设计、养护提供准确的数据支持， 为未来桥梁健康监测系统的设计与研究提供有效可靠的帮助。