基于物联网的桥隧结构健康监测系统

摘要：据统计，截至2020年年底，我国公路隧道21316处、2199.93万延米，增加2249处、303.27万延米，其中特长隧道1394处、623.55万延米，长隧道5541处、963.32万延米。公路桥梁数量达到91.28万座，较2019年增加3.45万座，2020年公路桥梁长度6628.55万延米，同比增长9.32%。近年来，我国公路桥梁、隧道建设事业飞速发展，特别是我国大跨径公路桥梁、长孔距公路隧道的建设进入了一个辉煌的时期，取得了举世瞩目的成就。桥梁、隧道作为公路的重要组成部分，其结构的运行安全直接关系到行车安全及公众的人身安全，结构损伤如果不能被及时发觉或维修，会缩短结构的使用寿命，甚至发生断裂、坍塌等严重事故，造成重大人员伤亡及经济损失，产生恶劣的社会影响。因此建立一套科学的桥梁、隧道健康监测系统，加强对桥梁、隧道的安全监测管理，对保障交通安全具有至关重要的作用。基于此，本文主要对长大桥梁、隧道结构健康监测系统进行分析探讨。

关键词：长大桥梁隧；结构；健康监测；系统

一、引言

桥隧结构健康监测系统以高精度的物联传感器、实时可靠的通信基础、先进安全的网络技术为基础，以桥梁和隧道的结构及相关设备设施为平台，组合优化了交通环境、交通设备、桥隧结构、安全预警和网络综合分析处理为一体的综合监测系统。实时报告桥隧结构受力状况，损伤的发生及其位置、性状，当工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。系统可以弥补人工监测的不足，在目前的技术条件下二者配合可达到对桥梁结构全面、实时、客观的监测效果，为桥梁结构安全运营、科学养护提供可靠保障。

二、应用背景

在长大桥隧的运营期间，随着桥梁、隧道服役时间的递增和出行车辆快速的增长，加上前期设计、施工材料、建造缺陷及运营、养护维修的各个周期内不可预见的环境、地质灾害因素影响，都会产生缺陷或病害。桥梁和隧道工程结构随着运营时间的增加，结构本身的危险性随之增加，需要运营期实时监管结构的安全使用状态，建立一套现代化的智能健康监测及养护管理信息系统，对桥隧结构各种关键状态参数、指标进行长期、适时、系统的监测，并对桥梁的技术状况和承载能力作出评估，制定紧急状况应急预案，在结构运营状态严重异常时发出警号，为大桥管养维修决策提供具有针对性的参考和指导，进而确保大桥安全正常运营，合理配置管养资源，降低大桥寿命期内养护维修成本。

三、系统建设目标

①以“桥隧全生命周期的信息化监管养护”为目标，通过桥梁和隧道构件的精准监测，对桥梁、隧道建立信息化生命档案，实现精细化、信息化养护與管理，保障结构运营安全。②对长大桥隧运营环境及关键部位结构进行安全监测并实时预警，把自动化监测与检测进行结合，对桥隧结构状况、运营环境、载荷情况等进行安全评估，为长大桥隧的管养决策提供科学依据，提升桥隧管养单位养护措施的经济性、针对性、高效性和合理性，确实有效延长桥隧的使用寿命。③根据系统平台的预警信息，核实桥隧结构现场风险，将桥隧结构安全前期的危险消灭于萌芽状态。根据监测数据定期形成健康监测报告，监测桥隧运营期的使用状态，对其发展趋势进行分析研判，对桥隧结构的病害和损伤有针对性地进行养护维修。④为提高桥隧管养工作效率，实现平台统一管理和调度，管理系统还预留了标准的数据接口，便于后期将桥隧检测、桥隧综合评估、桥隧现场养护等信息进行同平台管理，实现自动化监测与桥隧检测真正的结合，真正实现桥隧全生命周期管养，保证桥隧结构与行车安全，延长桥梁和隧道结构寿命。

四、系统建设特性

系统的统一性：对系统的监测设备和软件平台采用统一规划、设计和监管的方案，协调和整合各方面资源对系统涉及的监测设备进行统一安装、测试和联调，系统平台搭建完成后进行统一管理和维护。

系统的技术先进性：在体现实用性、解决实际工程问题外，要体现项目的先进性，在可能的情况下，尽量选取和研究代表国际发展趋势的、先进的技术手段。保证设计技术先进、性能优良，总体上达到国际先进水平。

系统的经济性：即系统选择具有代表性和示范性的监测设备，监测设备需要尽可能多地涵盖监测桥隧及隧道的各种结构及运行环境信息；系统供电通信缆线尽量利用交通工程已有的纵、横桥架和预留孔洞走线。

系统的整合性：本系统采用多种不同信号类型的监测设备，各类传感器设备、采集传输设备、供电通信防雷设备，系统架构和体系需要稳定性和包容性以及明晰的结构层次。

系统的可靠性：由于系统所使用的传感器中，有的需要承受风吹雨淋、日晒霜冻等的长期考验，而且所有传感器、测量仪器、信号传输线缆等都需要长期工作，因此系统的长期可靠性是最为重要的因素之一，故采用技术成熟的系统配套产品，保证系统的精确性、稳定性，并设置适度冗余的传感器及相关设备，保证系统的可靠性，并满足系统改进、扩展和完善的需求。

系统的实用性：结合交通运输部、地方交通厅和地方信息化监管养护要求，系统不仅对桥梁、隧道的结构安全实时健康监测的作用，还可对桥梁、隧道进行应急指挥和调度的作用。

系统的安全性：对于一个系统来说，其内外部的操作安全性也非常重要，应具有密码保护和多级权限控制，并通过对操作人权限的不同划分设置来对系统使用人员进行管理。各种系统控制、操作、报警时间应具有记录及共享功能以备管理人员审查。

系统的针对性：有针对性地对桥梁、隧道的结构部位、结构控制部位、结构易损部位和损伤敏感部位进行结构安全风险分析。

系统的可扩展性：充分考虑以后发展，方便以后对系统的设备进行更新、维护，同时系统应具备预备容量的扩充和升级。可预留一定数量的通道冗余、软件进行模块划分接口统一，便于将来进行功能扩展。

五、系统主体构成

（一）传感传输控制子系统

1.监测项目及传感器类型

结合每座桥梁和隧道的运营环境、结构受力特性和构造特点，按照系统设计原则进行监测项目的确定，选取实用性、可靠性俱佳，兼顾技术先进性和耐久性的监测仪器对桥隧进行自动化监测。传感器子系统分为荷载与环境、结构整体响应和结构局部响应三部分监测内容。荷载与环境：环境温湿度、桥面突发事件、桥下安全状况、衬砌渗漏水状况、洞口状况。结构整体响应：主拱变形、拱座变位、主梁挠度、受迫振动、墩柱倾斜、墩梁相对变位。结构局部响应：动应变、动挠度和裂缝宽度。

2.传感器模块

①环境温湿度计。功能和目的：环境温湿度是分析结构状态、结构损伤发展状态和分析其他监测数据的重要参数指标和依据。监测方法：选用适合类型的温湿度传感器进行连续实时监测，为使信号传输过程的衰减不会影响系统测量精度，采用全数字化信号传输接口。

②高清球形摄像机。功能和目的：高清球形摄像机监测桥面交通状况、桥下安全状况、各类突发事件和桥梁结构状态突变。监测方法：根据桥梁现场及周边环境，在适当位置安装360°球形高清摄像机，24 小时不间断监测桥面交通及周边环境变化等突发事件。监控视频自动存储于前端，监控中心可随时远程要求进行视频流传输进行实时监控或回放。

③静力水准仪。功能和目的：静力水准仪监测桥梁各关键断面或测点的静态竖向位移，用于评估桥梁结构在其恒载的竖向变形、基础冲刷引起的基础沉降或隧道纵向不均匀沉降。监测方法：根据结构特点及周边环境，使用多台静力水准仪组成一个相对独立的测量系统。一只静力水准仪固定安装在桥梁墩台或隧道洞内，多只静力水准仪分别安装在桥梁主梁截面或隧道洞口截面。

④双轴倾角计。功能和目的：双轴倾角计主要监测墩柱倾斜及主拱圈变形。监测方法：在结构表面安装双轴倾角计，可测量墩柱倾斜，主拱圈变形。双轴倾角计采用高精度MEMS式倾角计。

⑤位移计。监测目的：用于监测伸缩缝的工作状态，监测结果用于：作为伸缩缝工作状态的判别指标；联合交界墩上的双轴倾角计监测数据为运营期间桥梁相对位移风险判别提供重要信息。监测方法：位移计通过支架固定在盖梁和主梁上，测量桥墩和主梁之间的相对位移，采用数字式传感器。

⑥动应变计。监测目的：动应变计用于监测混凝土梁跨中截面的活载响应。监测方法：监测主梁的活载响应，采用电阻动应变计。经过调理/解调和A/D转换后通过RS232/485接口传送至数据采集单元（DAU）。

⑦裂缝计。监测目的：用于监测混凝土结构开裂后裂缝的发展。 监测方法：根据结构裂缝分布情况，选择构件应力水平较高局部的典型受力裂缝为观测对象。垂直于裂縫发展方向跨缝布设裂缝测宽计，监测受力裂缝宽度变化。

⑧动挠度仪。功能和目的：用于监测主梁动挠度。监测方法：在主梁底板安装动挠度仪，通过钢丝绳在其下方安装一块铁片。以非接触的方式测量动挠度仪和铁片之间的距离，用于测量主梁动挠度。

⑨机器视觉靶标。功能和目的：用于监测主梁动挠度。监测方法：在主梁底板安装机器视觉靶标，在同跨墩台上安装机器视觉仪。机器视觉仪内置并行机器视觉算法，可以识别靶标的精准位置坐标，当被测结构物平面位移发生变化时，靶标的坐标就会随着北侧结构物的位移发生变化，从而获得靶标与被测物水平和垂直的双向位移数据。

⑩激光测距仪。功能和目的：用于监测隧道衬砌变形。监测方法：通过测量隧道内基准点到监测点的距离变化来监测目标变形体位移。

?密集分布式定点光缆。功能和目的：用于监测隧道衬砌局部变形或开裂。监测方法：选择地质较差或结构失效风险较高的段落布置变形测量光纤，将衬砌结构变形转换为光纤信号存储传输。

?GNSS。功能和目的：用于监测桥台处边坡的位移情况。监测方法：GNSS位移监测系统由 GNSS 基点和测点组成，基点安装在稳定地基处，测点安装在待监测点位，通过测量测点和基点之间的相对空间位置完成对测点空间变位的监测。

?拾振器。功能和目的：结构在交通荷载、地震作用、异常撞击事件作用下受迫振动的幅值是评估桥梁刚度和承载能力的重要指标。采用拾振器进行桥梁受迫振动特性的监测可用于：作为结构损伤和状态识别的重要输入参数；检验和修正用于桥梁结构状态分析预测的有限元模型；受迫振动幅值也是无模型安全预警的重要阈值指标。监测方法：监测主梁在交通、地震、船舶撞击等作用下的振动响应。

3.数据采集与传输模块

数据采集与传输模块主要由传感器设备、数据传输设备和数据采集软件组成。数据采集器将获取到的桥隧监测信息进行调理，转换为数字信号并完成数据的远程传输，系统数据采集与传输模块是整个传感传输控制子系统的核心中枢，是系统平台的关键节点。由于传感器及数据采集设备种类多，数据类型复杂，野外环境相对恶劣，所以选用的数据采集设备、传输设备均需采用高稳定性能产品，并满足外场工程环境的监测要求。

（二）结构预警与安全评估

1.基于监测数据的处理分析方案

监测数据的处理分析包括预处理、二次处理、数据的后处理。云平台实现了数据处理的可视化的图形配置界面，使工程师可以自由、高效地进行数据分析和预警规则配置。数据分析模块实现特征值的可视化配置，通过在平台上创建数据策略配置框，将输入设备、输出设备以及算法拖入策略配置框，用箭头曲线将三个节点连接起来，箭头方向表示数据流去向，生成一个状态特征值策略。支持在线验证策略输出值正确性。经激活策略后，输入设备上报的原始采样数据就会在后台经过指定的数据分析算法清洗、转换，输出具备工程意义的特征值。预警规则链模块实现预警规则的可视化配置。数据分析输出的特征值作为预警规则链的输入数据，经可灵活定制的预警规则链响应，如果特征值触发预警规则，平台会及时产生预警，并触发预警通知和电子流任务。

2.结构安全监测预警

监测系统在试运行前设置初始阈值及其相应的预警触发专业规则，在监测系统试运行期间及后期运维过程中根据桥梁周边环境、运行条件、结构性能的变化以及对结构状态认知的深入，持续进行阈值和预警触发专业规则的补充、修正和优化，并定期检验其有效性。监测系统支持对预警触发、快讯/快报发布、应急响应措施、预警调整（包括自动升级和人工干预）等全过程事件的自动记录和归档。

阈值设置：对应于每项状态特征指标应设置阈值以实现自动预警功能，阈值及其超限判据设置采用以下两种形式：第一，容许阈值。判断状态特征指标是否处于正常范围的单向阈值。状态特征指标超出容许阈值的级别可表征该项状态的风险程度；状态特征指标未超出容许阈值时，其间距也可大致表征该项状态的安全富余度。第二，区间阈值。判断状态特征指标是否处于正常范围的双向阈值，对监测数据是否在设定的合理数据范围内做出正确的分析和判断。

预警管理：监测系统支持自动判识各项状态特征指标超阈值情况，并根据预设的预警触发专业规则自动触发相应的预警级别。预警触发专业规则根据桥隧结构安全风险分析结果、结构理论计算分析结果、前期预警记录及应急响应情况，并结合系统管理人员的专业技术经验进行设定和调整。

桥隧结构安全预警机制设蓝色、黄色、橙色和红色四个预警级别，加上无预警状态，总共代表桥隧结构安全风险的五种状态：①绿色安全状态：判断桥隧结构荷载、运营环境、关键结构等健康监测数据均在正常范围，满足交通规范要求，桥隧使用功能正常，结构安全；②蓝色预警状态：个别结构状态特征指标超出1级阈值，对桥隧正常使用功能有轻度影响；③黄色预警状态：多项结构状态特征指标超出1级阈值，或个别结构状态特征指标超出2级阈值，影响桥隧正常使用功能；③橙色预警状态：多项结构状态特征指标超出2级阈值，或个别与结构安全密切相关的状态特征指标超过3级阈值，已经严重影响桥隧的正常使用，若不及时治理会增加桥隧结构安全风险；④红色预警状态：对监测数据和专项检查结果进行技术评估或专家会审后确认，桥隧已出现危及结构安全的严重缺陷，如果桥隧载荷、外部环境风险明显加剧，桥隧结构无法正常使用，随时可能造成桥隧结构安全事故，需进行应急处治。

3.结构安全评估

桥隧结构安全评估从技术层面可分为一级评估和二级评估。一级评估：针对特定安全风险，基于监测数据、人工检查成果或结构计算分析结果等进行的专项安全风险评估。二级评估：面向桥隧结构总体风险，基于监测数据、人工检查成果、结构正向计算分析结果、基于损伤识别和模型修正等逆向算法的结构承载能力分析评估结果，以及其他安全一级评估结果进行的综合性结构安全风险评估。安全二级评估应在一级评估的基础上进行，宜采用模型修正或损伤识别等逆向算法对桥隧结构有限元模型進行修正后，再进行极限承载力分析，综合评估确定桥隧结构的整体安全状态。

4.全流程动态跟踪管理

有效地对结构的安全进行预警及评估离不开完善的流程机制，通过电子流子系统，实现了贯穿风险事件触发、预警状态管理、实时信息推送、报告报表发布、运管应急响应、养护决策支持的建养全流程动态跟踪管理。

六、结束语

利用现代传感测试技术、计算机科学技术、光电子信息技术、桥梁结构计算分析技术、结构安全风险管理技术等最新成果，构建公路长大桥隧结构健康监测系统。通过安全、可靠、实时的监测预警和应急响应，对桥隧结构安全进行评估，最终形成科学的决策，切实提高公路长大桥隧的安全运营和养护管理水平，展现结构真实的安全健康状态。

作者单位：魏友志    四川九洲北斗导航与位置服务有限公司

参  考  文  献

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