基于物联网的桥梁健康监测技术在山区桥梁运营中的应用

杜茂周

（贵州黔程弘景工程咨询有限责任公司，贵州 贵阳 550018）

0 引言

桥梁工程是交通运输体系的重要部分，在当前桥梁工程的发展下，山区桥梁设计理论和工程技术不断发展、成熟，促使山区桥梁跨度进一步扩大，结构形式越来越复杂。但是因为山区环境恶劣、气候环境复杂多变，山区桥梁在建设和运营的过程中受到气候环境、外力因素的影响，尤其是车辆、风力、地震、疲劳等因素的影响，导致材料性能退化，结构和部件因为设计年限问题，出现不同程度的损伤和破坏。如果不对这些问题进行监测和分析，不及时修补和维护，会影响车辆通行的安全和稳定。考虑到山区桥梁结构的复杂性和特殊性，需要采用先进、可靠的桥梁健康监测技术。

基于物联网技术，创建物联网健康监测系统和平台进行常态化的监测，及时发现问题，确保监测结果的准确性。通过结果评估和分析，掌握桥梁的状态和损伤情况，据此制定相关对策，及时修补，确保车辆通行安全。

1 相关概述

1.1 物联网

物联网是指应用信息传感器和射频识别、全球定位系统、红外感应器、激光扫描等技术，实时采集物体的监控数据信息、节点和部位连接数据信息、物体互动过程信息等，具体包括声、光、热、电、力学、化学、生物、位置、时间等各种信息。在获取信息后，进行分析和重组，通过专门的网络接入设置和端口，将物和物、人和物有效连接，最终对物品进行智能化感知和识别、管理等。

1.2 桥梁健康监测概述

当前的健康监测系统具体包括：传感系统，可以将监测的物理信息转换成为电信号；信息采集和处理系统，可以对安装在监测结构处的信息采集传感系统内的数据信息进行预处理；通信系统，可以将采集、处理后的数据信息传输到监控中心；监控中心和报警设施，可以对接收到的数据信息进行自动诊断、分析和处理，明确病害的位置、原因、程度等，评估桥梁的健康状况，如果存在异常会自动报警。

桥梁健康监测是指根据桥梁工程结构相关的性能指标，如可靠性、耐久性、稳固性、耐腐蚀性等，通过无损检测技术和结构特点分析等方法对桥梁工程运营过程中存在的结构异常状态进行观察和分析，得出相关数据信息。

通过这种常态化、日常化的监测，有效发现桥梁结构的损伤情况、损伤部位、损伤危害性问题，对结构状态和性能进行评估、分析，监测桥梁工程在异常气候环境、交通条件、运营状态下的最大荷载承受力和预警信号，为后期检修和维护、保养、管理等工作提供信息依据。

当前的桥梁健康监测内容主要包括桥梁结构的安全性、适用性、耐久性、稳定性、可靠性的分析和管理，决策部门的信息获取。

在监测时，需要根据当前国内经济发展情况、交通条件、桥梁工程现场监测条件等，采用物联网技术构建在线监测平台，明确监测项目和重难点，制订相关计划和方案，并考虑经济性、技术性、可行性条件，最终明确具体的监测项目[1]。

2 基于物联网的桥梁健康监测技术应用的必要性

调查发现，我国现有的桥梁工程运营里程逐渐延长，数量多，是城市发展的基础设施。在桥梁建设的过程中，还没有完整、先进的健康监测系统，但是在桥梁工程数量增多的情况下，对于桥梁健康监测系统的需求和市场也逐渐扩大。在我国一些地区的桥梁工程中，物联网技术已经被应用到了桥梁工程结构健康监测中。当前，基于物联网的桥梁健康监测系统具体包括数据采集、传输、中转和应用处理等各个模块。其中，数据采集模块具体包括传感器、传感网和巡检设备等，传输模块具体包括各种软件，中转模块具体包括数据分析和处理、数据管理、数据可视化平台等，应用处理模块具体包括通行和荷载等。桥梁是现代交通网络体系的重要组成部分，在投入运营的过程中，会受到各种因素的影响，出现老化、疲劳、受损的问题。调查发现，桥梁因为质量病害等问题，诱发了许多坍塌和交通安全事故，需要相关部门加强重视，定期对桥梁结构的性能、使用寿命、安全性等健康状态进行监测和评估，把握其健康状况，为后期桥梁结构安全养护和管理提供指导。当前的桥梁健康监测主要依靠人力进行，方法落后、单一，无法满足要求，且成本高和效率低下，对此需要采用物联网技术进行在线动态化监测，及时发现其中存在的问题，有效进行远程监测[2]。

3 基于物联网的桥梁健康监测技术在山区桥梁运营中的应用

3.1 在车辆超载监测中的应用

调查发现，在桥梁工程运营中，车辆超载会对桥梁结构造成无法修补的损伤，尤其是一些货车。在监测时，可以在桥梁两端安装路面压力传感器，基于物联网获取车辆载重的数据信息，识别车辆类型，获取违规车辆的车牌数据信息等。对数据信息分析后，可以进行分级警告，并自动统计路面的总荷载量。在物联网技术的应用下，创建智能化管理平台，将其应用到交通设施管理中，可以对桥梁工程的运营情况进行监测。当超载货车通过桥梁时，桥端埋深的智能感知线圈会自动感知桥梁路面的受力变化情况，将感知的数据信息传递给智能平台，启动自动报警功能，最终全方位监测桥梁的荷载和运行异常情况。工作人员可以根据报警提示，及时通过工作平台处理违规车辆。

3.2 在桥梁健康状况监测中的应用

为了把握不同桥梁工程的使用寿命、结构耐久性等健康状态，可以在桥梁的两端埋设不同类型的传感设备，并创建信息搜集和实时监测平台，利用无线传输技术等物联网技术，将监测到的数据信息实时传递到平台节点中。通过数据传输通道将数据信息存入平台应用层，进行存储、管理、分析，为后期制订相关方案提供依据和指导，便于工作人员制定防范和控制对策。当桥梁工程损伤严重时，则可以拆除传感设备，比如，在某个桥梁中，安装了不同类型的传感器等硬件设备，通过这些传感器可以对桥梁结构的状态和变化情况，如应力变化、裂缝、位移、变形、挠度、倾斜角、温度等进行监测；对车辆荷载信息进行获取，尤其车型、车速、车重等信息都可以全面获取；对墩柱砸到的倾斜和颠覆情况、滑动等信息进行感知；对桥梁结构的沉降和桥面线形等参数进行监测和分析[3]。通过在线监测技术，可以准确获取桥梁结构状况和基础沉降、车辆运行等数据信息。获取后，通过网络平台传输到数据中心，最终进行电子化的管理，提高管理水平，有效掌握桥梁的健康状况。

另外，技术人员也可以进入现场，详细检查，对桥梁的外观进行分析。可以通过测量、手机拍摄、扫描的方法，获取数据信息，由管理人员通过计算机分析数据信息，有效掌握桥梁的健康情况，为后期处理各种突发情况、修复病害、运营管理等提供依据。总之，基于物联网，创建智慧桥梁运营监测系统，在该系统中，可以自动绘制图像，自动生成相关建议和措施。通过智慧桥梁运营监测系统，获取现场监控视频，获取监测数据信息，为后期责任追究和事故索赔提供依据和指导。

3.3 在桥梁结构病害监测中的应用

当前，物联网技术也可以应用在桥梁工程结构病害监测中，可以对桥梁受到的外力影响和破坏情况进行监测，及时发现桥梁结构存在的疲劳和受损情况，及时预防和控制。一般在桥梁工程前期规划、设计、施工中，无法及时发现结构的异常情况和质量等级。更需要在后期运营过程中，加强监测和分析，可以通过一种信息化的方法，对桥梁的整体运营状态进行常态化、精细化的监测和控制，尤其是使用时间久的桥梁工程[4]。

4 基于物联网的桥梁健康监测技术在山区桥梁运营中的应用技术

4.1 光纤光传播传感技术

采用光纤光传播传感技术可以将不同类型的传感器有效串接在相同的光纤中，提高系统的集成性；在进行单根光纤串接时，需要科学控制传感器的距离，有效提高远程信息数据传输的测量精度和分辨率；光纤传感器可以确保光纤传播数据的稳定性，将其作为最终的测量数值，确保系统运行的稳定性；光纤传感器的环境适应性强，可以应用在一些高温、高湿、化学腐蚀性强的环境中，其质量轻、体积小、安装操作便捷，优势显著。在具体使用时，可以准确测量其中的光信号波的长度，不受光强波动和传输光纤弯曲损耗影响。光纤传感器具有自动修复功能，一般在桥梁工程结构的健康监测时，需要将传感器的一端串接光纤网络分析仪器的一端，实时获取传感器接收的信号。如果在操作使用中，发生了串接线路断裂的情况，可以中断一端，将另外一端进行连接，确保分析仪器可以自动恢复运行。

总之，光纤传感系统下的桥梁健康监测系统是一个应用平台，以桥梁结构监测为核心，采用光纤光传播传感技术及时、准确地对桥梁关键部分的结构变形情况、环境温度和湿度变化、地下水位变化、结构振动等参数进行实时监测。因此，该系统也是一种综合性系统，可以监测桥梁结构在不同环境、不同荷载、不同条件下的结构变化情况，为后期制定修复和保护措施提供依据和指导，进一步提高桥梁运营管理水平，确保桥梁运营的安全和稳定，有效预防各种病害的发生，提高桥梁的使用寿命。

4.2 全球卫星定位系统

在当前的桥梁工程技术的发展下，大跨度桥梁设计促使桥梁结构更加多样、灵活，可以抵抗外界温度、风力、地震等因素的荷载和冲击，尤其是在有限元模型升级、结构异常响应预测、安全状况评估中，发挥重要的作用。当前，在桥梁工程变形、挠度、沉降等位移性测量中，需要有先进技术的支撑。比如，可以采用全球卫星定位系统，通过在桥梁中安装定位传感器，监测健康状况，如图1 所示。

该系统主要对桥梁的绝对位移进行监测，通过接收导航卫星载波相位数据信息，监测桥梁的位移情况，是一种差分系统。该系统具体包括定位基准站和监测站、通信系统等。其中，基准站可以获取卫星差分信息系统接收到的光纤信号，后将其传递到监测站内，监测站主要接收卫星信号和基准站数据信息，通过实时差分得出基准站的三维空间坐标，并将最终的结果传递到监控中心中。通过监控中心对接收机的定位差分结果进行分析，以此把握桥面和桥墩的位移程度、计算转角，为管理部门进行安全监管和控制提供依据。当前，该系统已经得到了较快的发展，推动了桥梁健康监测应用技术的进步，但是还存在一定的技术性限制问题，导致应用范围小。对此在未来还需要加强研究和分析，做好以下几个方面工作：第一，提高定位测量质量，确保卫星定位能见距离适中，科学应用几何学，保证信号传输质量，注意定位系统光波通过电离层和对流层时的时间；第二，解决卫星设备在不同空间位置上的定位精准度差异，对不同城市的地质条件和通信条件进行分析；第三，尽量将测量精准度控制在厘米和毫米之内，有效提高其精准度。

4.3 无线网络传感技术

当前，在桥梁健康监测中，需要在被监测区域内安装传感器，将传感器节点采集到的数据信息传输到处理中心；在处理完成后，对数据进行分析、存储；通过无线通信技术，再次传输到网关节点；最终，通过相关网络平台将监测数据信息传送到监控中心，确保系统在发现异常后自动报警，便于掌握桥梁的具体运行情况。

5 结语

总之，我国桥梁健康监测还处于起步阶段，基于物联网可以获得较快的发展，市场前景好，且在桥梁逐步老化的情况下，市场需求会进一步增加。对传感器设备的使用寿命进行分析，桥梁健康监测市场是循环、可持续发展的。如果在桥梁工程规划和设计、施工等阶段，制订基于物联网的桥梁健康监测方案，则会进一步扩大市场。当前自然环境复杂多变，地质灾害频繁发生，桥梁健康监测是一个有前景的市场，在一些地区的需求会持续高涨。因此需要加强重视，不断完善现有的基于物联网的桥梁健康监测系统，充分发挥系统的安全监管职责和作用。