桥梁健康监测及养护平台设计

陈平超，丰权章

（北京中交华联科技发展有限公司，北京 100101）

0 引言

桥梁是交通网络中的重要组成部分，是跨河、跨线的关键节点设施。随着桥梁建设数量的增加以及单体建设规模的扩大，相应的运维、管理难度增加，探寻科学可行的健康监测方法具有必要性。为此，应结合行业发展现状，建立智能化桥梁健康监测及养护平台，为日常管理提供数据支持，以便高效进行管理，保证桥梁的安全运营。

1 工程概况

滨海大桥属特大型桥梁，位于天津市津南区葛沽镇西关村与滨海新区于庄子村之间。桥梁为双向4车道公路桥，设计荷载为汽-超20、验算荷载为挂-120，于2003年11月建成通车。

2 桥梁结构数据来源及应用

2.1 桥梁结构数据来源

（1）设计阶段

CAD 图纸、构件尺寸、软件设计模型、强度及刚度等关键指标的验算结果均是重要数据。桥梁的图形化表达，也能给后续的验收实测工作提供重要的参考依据。从桥梁运行维护阶段来看，设计期间的数据能作为桥梁健康评估的参考，以便更准确地判断桥梁的实际使用状况。

（2）施工阶段

施工是建设桥梁结构实体的重要阶段，但施工期间地质、水文、气候等因素错综复杂，可能导致成桥情况与预期不符。可见，加强施工阶段的质量管理具有必要性。施工期间的技术指标实测结果、现场试验数据、地质测量数据等均是施工阶段的重要数据。

（3）运营阶段

在运营阶段以静态数据和动态数据较为关键，其可用于反映桥梁的整体状况[1]。静态数据包括人工巡检数据、健康状况评定信息等；动态数据主要由传感器获得，包含挠度、应变、梁体转角、路基含水量、路面开裂情况等，集多项数据于一体，反映桥梁在结构完整性、力学稳定性等方面的情况。

2.2 桥梁数据的应用

2.2.1 监测指标的设定

立足桥梁结构现状，结合桥结构体系的特点，针对性地建立监测指标体系。明确对桥梁结构安全状况造成影响的各类因素，作为监测工作的基础。桥梁结构的安全性指桥梁在正常使用条件下的承受能力，以及在遇到某些突发事件后仍能保持的承载能力。结构受到的影响发生于外部因素作用的条件下，在围绕结构的状态进行客观评估时，必须考虑结构自身情况及外部影响因素，确保指标体系的完备性。结合监测需要，确定环境类、位移类、变形类、振动类4大类监测指标。

2.2.2 面向事件的监测

桥梁使用中遇到突发事件后，需及时监测实际状况，基于掌握的信息提前预警。挠度传感器属于关键的监测设备，可监测桥梁受力构件在荷载作用下的最大变形量。综合考虑该项监测结果与温度等辅助数据，经系统分析后可判断是否有超载车辆于桥梁上通行。

2.2.3 运维保养

（1）潜在隐患的判断

随着桥梁使用时间的增加，逐步积累了丰富的日常监测数据，可基于数据判断被测部位的发展趋势。桥梁挠度与应变有对应关系，根据此特点，监测所得的数据可用于相互校核，确保监测结果的准确性。不同交通量条件下，桥梁挠度、应变具有周期性变化的特征。以某桥梁为例，监测结果显示其在14：00—16：00时段内挠度、应变有较大幅度变化，通行车辆中以重载车辆居多，挠度呈规律性增加的变化特征。晚高峰时通行车辆以私家车、客运车辆为主，自重较小，桥梁挠度有减小的趋势。纵观全天的监测数据，发现数据具有波动性，但总体上无显著变化，若监测结果显示某时段数据异常波动，需高度重视，必要时采取应对措施。主梁挠度监测的测点布设如图1所示。

图1 主梁挠度测点布设图

（2）潜在性能变化的判断

桥梁健康监测中广泛采用传感器装置，其能高效采集数据，但覆盖范围有限，可能出现局部无法得到有效监测的情况，因此需充分关注结构的潜在性能变化，如混凝土内部的裂缝、钢筋锈蚀等问题。在潜在性能变化的分析中，需考虑结构的自振频率和损伤的内在关系，预测可能存在的风险，并予以有效的防控。

3 桥梁健康监测及养护平台架构设计

3.1 总体架构

以传感器为基础装置，用于采集桥体状况、桥梁环境等信息，实现对结构裂缝、变形、受损等的及时监测，同时基于日常运行状况生成报警信息，由专员及时针对实际情况做出响应；引入大数据技术，作用在于客观评估桥梁健康状况，给桥梁维护管理工作提供决策支持[2]。按照自底向上的顺序，平台架构集4 个层次于一体，包含感知层、网络层、应用层、用户层。

（1）感知层：传感器采集数据并向网络层传输，感知层具有信息的协同处理能力。此外，根据应用层的配置指令，实现对接入传感设备的访问控制。

（2）网络层：获取源自感知层的数据，传递至应用层，以便进行后续处理与分析。

（3）应用层：根据底层采集的数据，由服务支撑子层形成满足业务所需的数据资源库，需用到公共中间件、大数据分析平台及云计算平台，构成的资源数据库具有动态更新的特征。

3.2 应用系统的类别

（1）基础管理系统

集多类子系统于一体，如：①权限管理子系统，面向各用户设置特定的访问权限，予以有效的管理；②配置管理子系统，设定传感设备以及各类关键设施的属性和参数，在平台端搭建虚拟桥梁，在物理世界和虚拟网络间建立起映射关系。

（2）安全监控系统

集多类子系统于一体，如：①桥梁结构安全子系统，传感设备为关键的硬件设施，可用于监控桥梁主体结构、构件等的实际情况，判断是否满足安全要求；②运维条件监控子系统，监控是其主要功能，重点监控对象包含桥上车辆通行、桥下船舶通航情况，监控的数据能作为判断桥梁使用情况的关键依据，联合应用到自动监控、人工监控的方式，以保证监控的全面性和监测结果的可靠性。

（3）应急保通系统

桥梁使用期间可能会遇到突发事件，严重威胁到桥梁的安全性和稳定性，为此建立应急保通机制，提供安全保障。在技术实现层面，研究与应急保通工作相关的数据收集与录入方法，涉及对象包含工程资料、环境要素、机械调配等；建立多部门协同工作机制，调动各岗位员工协同作业；探寻清晰明确的规章制度，确保在遇到突发异常状况后可及时响应，采取有效的应对措施。

（4）工程定损与检修系统

专业桥梁检测为此系统的重要功能，即在发生风险事件后，客观评估桥梁结构的损伤情况，给维修提供重要的参考。在桥梁使用阶段，按特定的周期定期开展结构安全检测工作，判断结构是否有安全隐患。

（5）中心信息管理系统

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全面协调与桥梁安全运维有关的各项工作，进行合理的指挥、调度，也可针对系统信息进行深度处理。

4 桥梁健康监测及养护平台的实现

以满足桥梁运维管理要求为基本前提，搭建桥梁健康监测及养护平台，采用Java 语言编码，应用Struts2+Spring 框架，在MyEclipse 下开发，数据分析及并行处理由Hadoop 数据实现。建成的平台具有稳定可靠的性能优势和扩展性较好的功能优势。

4.1 数据采集系统

根据桥梁监测要求适配传感设备，用于采集反映被测结构实际状态的数据。以监测项目为准，适配合适的传感器，控制测点数量，按特定的频率定期采样，具体如表1所示。

表1 传感器监测布点信息

为采集传感器数据，现场需设采集工作机柜。传感器信号有常规模拟信号、光纤光栅信号、485 信号等。系统提供如下两种采集模式：

（1）常规传感器采集模式：由PXI采集计算机进行采集，采集对象有风速风向传感器、应变计、加速度计等的指标。

（2）专用传感器采集模式：采集内容包含动态称重仪、光纤传感器、路面状况传感器及GPS信号，诸如此类信号均由配套的专用采集器完成。

4.2 数据传输系统

以1 台监测中心交换机和2 台工业以太网交换机为核心，共同构成数据传输系统。现场数据采集机柜上传的数据由工业以太网交换机接收，进而向监测中心交换机传输，由服务器集群执行数据的存储和处理操作，见图2。

图2 数据传输结构框图

通信光缆起于监控中心，由该处引出，沿引桥铺设至主桥，最终连接至工作机柜。数据接收服务器读取到采集的原始数据，整个数据的读取过程便捷高效，可避免因过多连接而导致数据传输安全性不足、稳定性不足的问题。

4.3 数据监测平台

平台管理采取云端管理模式，涉及的具体模块如下：

（1）监测模块：实时监控数据，也可根据工作人员的需求提供历史查询功能。依托图形化的界面呈现数据，具有直观性；各传感器的时间序列数据具有同步性，可同时呈现设备状态信息、告警信息，供工作人员查阅、分析。

（2）告警管理模块：以数据分析结果为准，建立告警模型，实现对设备和结构的告警，并基于监测数据发出桥梁管养建议[3]。

（3）数据分析模块：建立数据关联，进行结构性能分析和载荷分析，从数据中提取具有参考价值的内容，为运维管理工作提供重要的参考。

（4）报表管理模块：具备数据导入、查询统计、评估报告打印等多种功能，在多功能的联动下，工作人员能便捷提取满足自身工作所需的信息。

（5）配置管理模块：建立桥梁在云端的虚拟模型，形成实体与虚拟一一对应的关系，便捷性较好，页面及功能开发工作量减少，经简单的开发后即可达到桥梁快速接入的目标。

（6）权限管理模块：以各用户的日常使用习惯为准，设定相应的角色，在此基础上赋予各自特定的权限，如数据权限、功能权限，使用户在特定的权限内操作，一方面满足用户的日常工作要求，另一方面避免越权作业问题。

（7）巡检模块：核心内容为日常巡检和点检，以日常巡检为例，生成适用于桥梁监测及养护要求的巡检计划，组建专业的巡检队伍，由专员依据计划开展工作，用手持终端采集特定部位的信息，并完整汇总巡检数据，予以记录。

5 结语

本文以桥梁监测及养护为背景，探寻工作平台的设计要点，提出桥梁健康监测及养护平台架构，并围绕桥梁损伤预测等相关数据应用进行研究，经过技术的选取与应用后，有效发挥出平台在监测及养护方面的推动作用，促进其信息化水平的提高，为桥梁的安全使用提供了保障。在后续的桥梁工程中，建议技术人员持续加强探索，遵循因地制宜的原则，设计具有适应性的桥梁健康监测及养护平台，促进桥梁行业的发展。