基于5G 技术的结构监测评估系统在桥梁监测中的应用探析

卢露

摘要：文章以南宁大冲邕江特大桥为主要研究对象，分析5G技术在特大城市桥梁中应用的意义，科学设计项目方案，研究项目技术的创新成果。同时，将5G技术和结构监测评估系统相互结合，准确识别结构损伤和状态评估，再从环境效益、经济效益、社会效益等方面进行检验，保证项目实施效果达到预期要求。

关键词：5G；桥梁监测；特大桥；前端智能算法

中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2023）29-0106-02

近年来我国交通基础设施建设突飞猛进，各类新型桥梁也层出不穷，不断刷新世界纪录。为加强桥梁监测管理，2019年交通运输部提出在2025年底前建设完整的桥梁结构监督系统，该系统主要包括跨江、跨海、跨峡谷等桥梁结构监督系统。但从目前桥梁应用情况来看，各种外在因素的影响，降低了桥梁整体承载力，影响了桥梁的使用。因此，科学评估桥梁实际使用状态，提高桥梁使用性能，延长桥梁使用年限，是目前交通运输管理部门、桥梁设计企业等单位急需解决的问题。针对该种情况，相关企业要将5G技术应用到结构监测环节，以 5G 网络高带宽、低延迟、大连接等特点为基础，结合BIM三维建模技术，建立桥梁三维时空可视化平台，实现桥梁结构关键点位形变实时监测、自动安全预警、综合项目管理，科学评估桥梁结构的健康状态，提高桥梁管理的信息化水平，从而降低城市桥梁的安全风险，延长城市桥梁使用年限[1]。

1 工程概况

南宁大冲邕江特大桥处于南宁外环，是典型的公路项目工程，整个桥梁长度为888米，是现今广西跨径最高的塔混凝土斜拉桥，主桥共设置三跨，呈现高低塔混凝土斜拉桥风格，北岸塔高度高于南岸塔高度，实际高度为138m。该特大桥主桥为H型，根据上宽下窄原则设计斜拉索面，进一步优化桥梁设计风格。项目在特大桥部署2个塔顶桥梁监测点、1个跨中监测点、1个桥边监测点、4个高清摄像头，通过5G网关进行数据传输，具备高精度定位监控能力和视频监控能力，8月已通过交科集团验收，实测精度达到毫米级，数据传输及时率超过99%，定位精度、监控数据发送及时性和稳定性都达到设计要求。

2 基于5G 技术的结构监测评估系统对城市桥梁的意义

2.1 5G 技术概述

5G技术对比前四代技术来说，其传输速度更快，远超第四代技术，只需要几分钟就能下载大型游戏。5G技术中的关键技术将网络技术和无线技术相互结合，全面提高网络传输效率。其中无线技术最常用多载波技术、大规模MIMO技术、多天线技术等，能有效提升网络的可靠性，加快传输速度。同时，其能设置大量天线，实现一个视频资源多终端客户使用，有效提高空间分辨率，减少外部冲击。而应用全双工技术，能增强频谱应用的灵活性，防止资源浪费，提高5G技术效率。在应用5G网络技术时，能突破4G通信技术限制，使用户得到良好的使用体验，无论终端用户所处位置在何地，均能够做到快速连接。目前，5G 技术能满足用户实际需求，加强网络稳定性，降低网络延时，让终端不局限于手机终端，实现智能手表、手环联网。在研发过程中对于耗电问题会更加重视，5G 网络对于电池的续航能力有一定要求。

2.2 应用意义

在桥梁的使用阶段，由于受到各种外在因素影响，如环境侵蚀、材料老化、维护不当等因素，导致桥梁荷载出现疲劳效应，很容易使桥梁结构稳定性下降，难以抵抗自然灾害影响，无形中增加桥梁结构安全事故的发生概率。而将基于5G技术的结构监测评估系统应用到城市桥梁监测方面，基于5G的Bridge 安全监测技术将以传感器技术、5G通信技术、工业互联网数据分析技术为核心，进一步优化技术内容，促进桥梁监测技术向智能化方向发展。

首先，工作人员要全面分析被监测桥梁的实际运行状态，选择对应的传感器，将传感器监测和人工定期检测相互结合，动态监督桥梁运行状况，一旦桥梁出现异常问题，会自动触发预警信号，实时监督桥梁结构参数，优化监测内容。

其次，对于桥梁安全监督系统布线难度较高的问题，工作人员要优化传统电缆光纤敷设方式，结合5G 技术特征，全面采集各种数据，将其传输到云平台，有利于工作人员实时查询数据内容。同时，要使用5G 技术高带宽、低时延、连接速度快等特征优势，缩短日常桥梁数据传输时延，进一步拓展传感器扩容需求。

最后，要将数据传输到工业互联网平台，利用各种IT技术全面分析数据内容，全方位监督桥梁健康性能指标。同时，要加强产业互联网的开放属性，有效解决桥梁监督信息孤岛问题，实時监督系统信息各方面数据，如气象预报、地质灾害、交通管制、桥梁运行数据等数据，将其和IT数据、OT数据相互连接，构建健全的桥梁一体化监管平台，进一步完善桥梁健康模型，促进桥梁安全监控向数字化方向发展，从而实现提前预警和分析的作用，帮助制定合理的解决措施，避免安全风险。

3 项目方案设计

3.1 基于有限元模型分析

在模拟边界条件时，要真实模拟双向活动支座和单向活动支座，通过C50混凝土建设桥塔和主梁，车道设置为双向6 车道，斜拉索的标准强度控制在1670MPa，与设计图纸基本一致。同时，选择斜拉桥损伤的关键部位进行监测，根据有限元模型分析，发现主跨中、四分点和边跨中竖向位移距离较大，在活载和恒载作用下安装扰度测点，因此在主跨中、四分点和边跨中桥塔塔顶和主梁末端位置由于温度因素变形幅度较大，通过主梁两端进行纵向移位监测。

3.2 监测指标设计

根据大桥结构特征，与工程实际监控标准相结合[2]。

3.3 测点布置方案

在仪器设备的设置上，应遵循以下原则：1） 根据大桥构造监测要求，对桥梁构造型式、传感器特征、监测指标等进行综合分析；2） 结合监测目的和功能要求，如所要记录响应数量、监测信息数据，预估结构响应；3） 通过结构对称性原则，控制冗余度；4） 优化测点分析结果；5） 综合分析采集通信方案，合理控制网关设置数量（如图1所示）；6） 全面分析大桥结构，合理降低施工给桥梁结构造成的影响程度，且不能改变结构实际受力状态；7） 在选择监测位置时，要综合考虑设备更新便捷性，延长设备使用时间。

4 项目技术成果的先进性和创新性

4.1 提出传感器前端智能算法

创新振动数据功率谱算法，准确计算出振动频点和阶数，利用云平台直接优化索力计算结构，构建健全的有限元参数化模型。并对精确计算模型进行优化，得到了精确索力计算公式。该方法可以将前端智能算法与传感器实时分析相结合，对服务器进行传输，有效提升计算准确性，降低传感器能量消耗[3]。

4.2 构建桥梁结构损伤成因智能识别方法

1） 科学分析大桥结构监控计划，合理利用挠度、转角变形等数据，优化结构反应输出值，全面分析服役性能退化因素，如结构刚度退化、构件节点损伤等数据，将单一结构损伤数据转变为预期输入值。建立特殊桥梁结构的数值分析模型，形成基于桥梁结构损伤的X纹样本数据库；2） 利用无线智能传感器，可以在主要位置上观察到结构响应；3） 应用深度学习神经网络方法，学习桥梁结构样本数据库，以实际桥梁响应为载体，计算出桥梁结构各种损伤参数权重，从而得到桥梁结构损伤关键影响因素，准确判断其对桥梁运营性能带来的影响程度[5]，

4.3 实现跨铁路桥梁的混合监测技术应用

本文通过分析上述大桥设计结构图纸，建立有限元模型，取得动力和静力控制方程。但因受到外在因素影响，要计算出高阶欠定偏微分成本，必须选择合适位置安装传感器，找到适合跨铁路桥梁施工的欠定方程计算方法，得到结构全局响应。

4.4 面向跨铁路桥梁建模和修正

通过数字孪生建设新型混合监测技术，要积极建设健全的有限元模型，全面采集各种结构数据。但值得注意的是，在建设模型时，要注意多样化因素，如结构边界、条件、跨尺度处连接方式、单元划分形式等因素。本文以南宁大冲邕江特大桥为主要研究对象，计算跨铁路桥梁模型修正数据，进一步优化建模流程，全面提高数据精确度，有效简化多尺度有限元模型，全面提高计算效率和准确度。

4.5 准确评估结构损伤状态

在监控桥梁结构时，损伤识别难度系数较高，主要原因为传感器数量较少，很难掌握局部损伤所产生的微小结构变化。而通过应用混合监测技术，能进一步拓展数据内容，有效解决上述问题，深度挖掘数据内容，创新结构损伤识别方法。同时，能丰富信息内容，进行状态识别工作和损伤识别，给桥梁运维工作打下坚实的基础。

5 项目实施效果

5.1 项目成果影响

该项目的成果主要包括：1） 通过大桥运营安全预警技术系统，实时监督全国大跨径跨铁路桥结构，确保桥梁结构安全；2） 为功能部门采取相应的措施提供决策基础，防止发生严重安全事故，具有较强的社会效益；3） 有效提升大桥耐受力，延长其使用寿命，防止拆旧建新，降低对环境的影响。

5.2 经济效益

该系统利用有限元模型分析机制，从大桥监控数据中快速形成信息分析评价结果，通过日报、季报、年报、自定义等方式向有关部门进行报备，帮助有关部门及时了解大桥情况，有效解决人工巡视、经验判断等方面的局限性。不仅能够满足长期监测和评价的需要，又不需要增加专业机构评估次数和成本，就能得到各种数据资源，提前识别风险类型，触发安全报警功能，提高工作人员风险防控的便捷性，实时监测风险目标，及时控制各种紧急情况[6]。

5.3 环境效益

和传统人工巡检方式相比，在利用无线智能传感器进行数据采集时，具有较强的时效性，能进一步降低外线布设时间，合理控制施工对桥梁附近环境的影响。同时，应用结构体表面安装模式，不会影响到结构本体安全性能，能有效降低其对市容市貌的影响程度[7]。

6 总结

综上所述，基于5G技术的大桥结构监控系统不仅能满足桥梁监控要求，还可以在不同区域对大桥结构进行监控，为国家公共基础设施安全管理提供各种数据，有效支持事故和灾害应急，延长公共基础设施使用寿命，实现全生命周期管理，全面提高公共基础设施行业经济效益。

参考文献：

[1] 罗金标，张桓靖，钟长裕.薄壁墩桥梁临时支护体系的施工监

测及安全性分析：以高增大桥为例[J]. 科学技术与工程，

2022，22（34）：15284-15290.

[2] 張立奎.弄清“健康手环”佩戴效果：安徽公路桥梁结构健康

监测系统建设实践[J].中国公路，2022（10）：34-37.

[3] 彭渝舒，韦元学，章粒.基于磁通量法的大跨度斜拉桥索力监

测系统设计：以埃及某斜拉桥项目为例[J].中国新技术新产

品，2022（9）：101-105.

[4] 郑国和.基于物联网的拱桥动静力分析与实时监测技术研

究：以福建金溪大桥为例[J].北部湾大学学报，2022，37（6）：31-

38.

[5] 赵超峰，张伟，田建涛，等.基于微地震监测技术的油田开发

方案调整及效果：以辽河探区J2块为例[J].地球物理学进展，

2022，37（1）：320-327.

[6] 李方旭，张晓栋，张彦，等.市政桥梁承台基坑开挖施工技术

及安全保障措施：以南通市江海大道东延工程为例[J].工程

技术研究，2022，7（1）：49-51.

[7] 李辉.桥梁桩基邻近既有地铁施工安全控制技术应用分析

[J].工程与建设，2022，36（1）：205-207.

【通联编辑：张薇】