中派河大桥健康监测系统的设计与实现

孙少伟

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

随着我国交通基础设施建设规模的快速发展，桥梁建设数量在不断增多，同时交通流量也在不断增加，多数桥梁超负荷运行，存在巨大的安全隐患。通过桥梁健康监测系统可以长期不间断地监测桥梁结构状态，对桥梁进行有效维护，保障桥梁通行安全和延长桥梁的使用寿命。

为满足中派河大桥健康监测需要，基于结构数据监测获取的信息，在桥梁主墩部位设置一定数量的静力水准仪、位移传感器和应力传感器，24 h不间断地实时采集桥梁结构相关数据；同时利用监测数据建立相应的分析模型，定制开发一套基于Web的桥梁监测平台，实现桥梁结构监测数字化、养护管理信息化和信息展示可视化，为桥梁管理提供科学的决策依据。

1 中派河大桥健康监测系统总体架构

中派河特大桥是京台国家高速公路安徽省方兴大道至马堰段的重要桥梁，全长1 852 m（含桥台长度），采用三跨下承式变高度钢桁架梁桥。为了保证中派河大桥的安全运行，需要对大桥在运营阶段主墩的挠度、相对位移和钢筋应力进行实时监测和实时分析。中派河大桥健康监测系统主要包括桥梁数据采集传输系统和桥梁数据监测平台。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

中派河特大桥在运行过程中，部署在桥梁上的传感器实时采集桥梁的结构数据，在综合采集模块中实现数据汇聚后，统一通过RS 485的通信形式发送给采集系统；采集系统将处理好的信号通过无线的方式发送给服务器，由Web服务器对所有接收到的信号进行预处理、归类、界面显示和存储等一系列操作；桥梁数据监测平台从数据库中读取所需要的数据，并对桥梁结构健康状况进行综合分析和评估，实现关键要素的阈值告警、结构监测、生成历史数据报表和综合评价等功能。

2 桥梁数据采集传输系统

中派河大桥桥梁数据采集传输系统主要包括：前端传感器、监测系统和光伏供电管理系统，主要实现桥梁结构数据的采集、传输和存储。本项目桥梁数据采集传输系统采用有线方式进行通信，并将采集数据传输到桥梁监测平台的服务器中。数据采集传输系统结构如图2所示。

图2 数据采集传输系统结构

2.1 前端传感器

桥梁健康监测系统的设计首先要考虑监测数据参数的确定，数据参数的选择影响桥梁监测系统的健康评估有效性。桥梁健康监测系统设计遵循安全可靠和经济实用原则，同时结合本桥梁结构的实际情况，确定本系统重点监测桥梁结构性能：挠度、位移和应力。

2.1.1 静力水准仪

静力水准仪：桥梁主要截面的挠度是评价桥梁质量及运行状态的重要指标之一。挠度测量最普遍的方法是采用静力水准方式，其基本原理就是利用液体在连通的管道中会由于重力作用，在不同位置的液面高度会相同，通过测量液体水平面位置的变化而测量桥梁的挠度。

位移传感器：将一种固定式双轴倾角传感器安装在桥墩顶端，当桥梁发生变形，可以通过测量桥墩的两个相互垂直方向相对于重力轴线的倾角，监测相对水平位移，防止极端情况落梁。

应力传感器：是一种智能应变计，通过对桥梁主墩钢筋应力的监测，充分了解和监测主墩的受力状态。

2.1.2 测试系统

监测系统主要由综合采集模块和总线采集模块构成，主要用于挠度、位移及应变等参数的采集以及采集数据的传输。综合采集模块实现将采集到的数据转换成RS 485信号输出，总线采集模块实现RS 485数据集中控制并上传到后台管理系统。

综合采集模块：是一种多路数据采集模块，支持多种类型数据输入，如模拟量输入的应力传感器等。

总线控制模块：是一种总线型传感器采集模块，内置微控制系统，具有一定的运算和存储能力，可自动识别传感器采集数据的类型，根据不同的数据类型对传感器传回的数据进行处理、存储以及读取传感器编号等功能。

2.1.3 光伏供电管理系统

为保证传感器、控制模块和路由器等元器件长期稳定工作，以及保证系统能达到较长的续航时间，本文采用了太阳能电池板和大容量锂电池组相结合的模式作为电源设计方案。

2.2 传感器布置

为了实时了解桥梁结构的数据，分析主体结构功能参数的变化规律，需要重点对桥梁关键部位进行结构参数的测量。

通过对桥梁结构设计方案的整体研究，确定结构性能的监测内容包括挠度、位移、应力等参数，结合桥梁结构有限元分析进行相应计算，选取在关键截面进行传感器布置。因此，选择在中派河大桥三个主墩处布置3个静力水准仪、3个位移传感器和12个应力传感器（每个主墩上对称布置4个），具体位置如图3所示。

图3 传感器布置

3 桥梁数据监测平台

桥梁数据监测平台系统采用B/S架构将核心业务功能集中在服务器中实现，仅有少量的业务放在前端。系统采用此种架构，简化了开发、应用和维护成本。Web浏览器是客户端最主要的应用软件，客户机上只要安装Web浏览器，建立一个可视化界面，即可对各项业务功能进行展示和操作。在服务器安装数据管理系统，Web浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互。桥梁监测平台主要有数据管理系统和用户界面系统组成，具体架构如图4所示。

图4 监测平台架构

3.1 数据管理系统

数据管理系统主要通过简历中心数据库和数据存储仓库，将所有数据分类归档、查询和存储。数据管理系统将从桥梁数据采集传输系统中接收的数据按照一定的数据格式和规则归类储存于数据存储和管理子系统中，并通过数据分析子系统进行深入的计算分析，获得结构的相关参数；再结合各特征参数预设的安全阈值，实现系统的综合报警和状态评估功能，最终实现通过用户界面系统以表单和图标的形式完成可视化展示。

3.2 用户界面系统

Web浏览器是用户界面系统最主要的应用软件，只用于显示，核心业务在Web应用服务器中。用户界面系统根据不同的用户设定不同用户权限，设置普通用户和管理员2种登录方式，登录后系统根据用户类型显示相应的功能界面。管理员登录后，可自由设置用户登录中的功能系统权限，每个用户的功能由用户所属权限来决定。普通用户登录后，仅能够查看到当前桥梁健康监测相关数据及结构分析结果，并可以输出相关数据报表。管理员登录后，除了能够实现普通用户的权限外，还能查看和修改传感器预设的警戒阈值，也可以对传感器进行添加、删除和修改等操作。中派河特大桥健康监测系统可视化界面如图5所示。

图5 可视化界面

中派河特大桥健康监测系统主要用于对桥梁结构的健康状况进行24 h不间断地监测，将监测的数据分类进行存储和整理分析，得到桥梁结构信息的实时参数、实时监测分析结果和阈值告警情况，并出具阶段性的桥梁健康评估等级报告。

用户界面系统的首页中包含子系统入口、设备在线情况和监测信息显示等。桥梁数据传输采集系统实时采集传输数据，用户界面系统实时显示并进行阈值预警，当监测数据超过设定阈值时，在相应页面进行实时警示，并提供告警数据发生的时间、位置和数据值等具体信息，根据实际情况实时划分出预警等级情况，为桥梁的科学管理和养护提供依据。

4 结 语

本文根据中派河大桥结构特点，设计了一种基于Web的桥梁健康监测系统；并借助于物联网技术，实现了桥梁结构长期健康监测。桥梁安全运管人员可以很方便地通过浏览器访问用户界面系统进行24 h不间断的数据监测和预警。作为桥梁结构人工检查的延伸和补充，系统能够有效地解决人工巡检不及时、数据分析时效性差等问题。整个系统在投入使用后，经过了一系列的实验验证，均表现出了良好的稳定性和可靠性，同时完善了监测功能，也为桥梁安全运管提供有力支撑。

本系统目前是基于网络浏览器开发的用户系统，下一步可考虑基于手机APP或微信小程序开发用户系统，方便管理人员通过手机实时监测桥梁的结构数据信息，确保健康监测信息的实效性及智能性。