基于无线传感技术的桥梁结构健康监测研究

谢崇洪，张彦昌，李文

（中建二局土木工程集团有限公司）

1 引言

桥梁是我国交通基础设施的重要组成部分。近年来，交付的桥梁工程越来越多，但很多工程在设计、施工的时候因为各种问题，存在一定隐患，并随着交通压力和运营时间的增加，很多桥梁工程已经不能满足安全性的要求。针对这样的工程现状，桥梁结构健康监测技术发展迅速，从结构安全评估到预警，再到整个监测系统的合理设计，都有完整的解决方案。有别于传统的桥梁养护管理重人工的模式，随着信息技术的不断发展，计算机硬件性能不断优化，可以利用信息技术为桥梁建立管理系统，运用IoT 技术实现对车辆车速、电网用电以及环境气体的监测，从而实现对桥梁结构健康巡检等内容的电子化、数字化。

通过对相关技术文献进行研究梳理得出，当前，基于无线传感技术的桥梁结构健康监测系统主要有同济大学为徐浦大桥和杨浦大桥设计的监测系统、东南大学和香港理工大学的苏通大桥健康监测系统、香港青马大桥先进的监测系统以及全球导航卫星系统的变形监测先进系统。这些系统使用了传感器设备、设计了数据采集渠道，并具有数据传输和存储管理等功能[1]。

2 桥梁监测内容和传感器选择

桥梁健康监测系统融合了计算机科学、物联网技术、通信、结构力学等专业技术。桥梁的周边环境数据、结构形变数据、桥梁受力数据和振动参数通过采集卡收集并经过无线传输系统传递给中心服务器，服务器经过分析后再传输给PC 端和移动设备APP 等。各个传感器发送给服务器的数据统一进行分类存储到数据库中，相关工作人员可以通过各种设备查看信息并把检修后的数据回传到服务器。服务器中心可以查看经过分析后的数据，得到趋势和报警数据。

2.1 桥梁监测种类

桥梁的健康检测项目有很多，如果全部进行监测，需要极大的数据处理能力并且容易出错。本文选择了最有代表性的三个项目进行研究。

1）周边环境数据

环境检测中最主要的参数就是温度和风速。基于混凝土和钢结构的自身物理特性，使用这些材料构成的箱梁结构受到日照和温差的影响会有极大的内力及应力出现，在极端情况下，可能会超过结构的活荷载，威胁到桥梁结构的稳定和安全。同时，检测传感器的数据精准度受温度影响会产生误差，检测时需要剔除误差。目前，桥梁建设更倾向大跨度，高轻柔度的要求，给桥梁结构的设计造成很大困难。桥梁结构轻柔度提高的同时，其结构抗风性的要求也随之提高，对大跨度、高柔性的桥梁来说，结构稳定性受风的影响极大，风速过大对桥梁的振动和结构会造成局部或整体的破坏[2]。

2）应变应力数据

应变应力对桥梁的安全极为重要，当桥梁通过车辆过多、重量过大时，应变过大会损伤桥梁结构，如果没有及时调整，桥梁内部结构会严重破损导致安全事故。在桥梁主梁的重要结构点位布置传感器，收集在各种车辆负载条件下结构的应力数据，根据整体应变的大小可以对桥梁整体的损伤和健康状态进行测评。

3）结构变形数据

桥面主要承受车辆和其他荷载，桥梁整体的工作状态主要通过扰度的大小来判断。弯曲变形时，横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移，形成挠度。桥墩的位移沉降量也是反应桥梁状况的重要指标之一，沉降量越大，桥梁的健康状况越差。挠度值越大，桥梁线形变化越大，桥梁的健康状况可以从位移、挠度的线形变化中看出。

2.2 传感器的合理布置

传感器布置的合理对健康监测十分重要，布置的合理与否直接影响了最终取得数据的精准程度。所以设计一个合理的布置计划是健康监测的关键。出于经济性的考虑，传感器的布置数量不能无限增加，方案需要综合考虑网络、节能和桥梁自身情况等因素。一个合理的传感器布置方案主要有以下几个方面：

①尽量降低传感器监测数据受到外界环境的影响，最大程度采集既精准又全面的数据；

②选取桥梁结构中最重要的位置进行监测，监测的结果要能最大程度上反映桥梁整体的健康程度；

③合理筛选采集的监测数据，选取最能代表桥梁内部结构特点的数据。

3 桥梁结构安全评估与预警

桥梁结构安全评估与预警系统是整个桥梁健康监测系统的基础，也是系统服务桥梁养护管理的纽带，能够综合桥梁自动化监测数据，进行统一处理分析、特征信息挖掘及以趋势预测；同时，根据结构预警系统来诊断和分级预警结构异常状态，按照结构的评估模型综合评估桥梁结构的安全状态，并据此给出桥梁结构的管养建议。结构安全评估与预警系统通常具备几点功能。

①对监测数据进行统计分析、数据挖掘，提取特征参数，进行趋势、模型对比分析，评估结构损伤程度，诊断结构运行状态[3]。

②利用监测数据修正结构分析、建立结构有限元模型，进行桥梁运营状态分析和行车安全评定。

③预警指标及分级预警体系明确，通过设置预警阈值，判断和分级预警实时监测结构状态参数信号，并利用预警情况记录监测数据完善报警阈值。

④通过监测数据分析和分级预警，对结构异常状态进行识别、报警；记录异常事件（如冲撞护栏事件）信息，生成预警记录和报告。

⑤以图表等形式直观展现监测数据分析结果，并给出明确的评估结果；自动生成桥梁不同时期运营分析报告，服务各级管理人员。

⑥根据桥梁运营异常状况和安全评估结果，给出应对措施和维修管理建议。

4 基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测设计

4.1 总体设计

为完成桥梁现场监测传感器节点间的通信，无线传感器技术通常采用ZigBee技术。ZigBee作为一种无线传输标准，具有短距离、自组织、低功耗、低据传输率的特点，非常适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。他的组网结构通常有星型、树型、网络等形式。在无线传感器网络中包含数据采集节点、路由节点和控制节点。当所有无线传感器节点布置完成后，系统会对无线网络进行路由创建，保证传感器获取的数据完整地传输到服务器中心。同时，传感器采集到的数据也可以通过互联网传输到远程服务器，这样更方便相关管理部门实时监控和分析处理。根据桥梁自身的结构特点，无线传输网络以树形网络结构为最佳选择，可以在桥梁的中心区域布置数据路由根节点，在桥梁两边分别依次布置数据采集结点。位于整个树状网络最底层的数据采集节点可以分簇取得每个传感器采集的数据，在每一簇内，需要一个节点对簇内其他数据采集节点进行调度控制。[1]

4.2 硬件设计

1）数据采集部分

在系统数据采集部分硬件设计上，包含了各类传感器的布置和数据采集。数据采集节点除包含各种传感器外，还集成了具有无线传输功能的微处理器，将传感器采集到的各项数据发送给路由节点。

2）数据分析部分

服务器需要进行系统各类数据的分析和处理，对监测系统网络进行配置管理，并提供人机交互界面，实现各类通信系统集成，保证系统收集的数据能够得到可视化展示。针对桥梁结构各类监测数据，监控中心需要存储在数据库中，便于用户进行实时数据和历史数据查询。通过对数据进行智能化分析与处理，能够获取其中的关键信息，及时发现桥梁结构异常信息，确保能够应对突发情况。

4.3 软件设计

在监测系统设计中，需要完成相应工具软件的开发，以便使系统能够自动进行数据采集、传输和分析处理，并且能够实现桥梁结构健康状况评价。在数据采集程序设计上，系统需要确保各设备拥有一致的开启方式，并完成采样速率的设定，以便实现各个网络节点的自动连接。在系统数据传输程序设计上，通信模块需要在设定时间内完成数据发送，并对接收到的数据进行简单处理后传至监控中心。在数据处理上，处理器可以实现相关算法调用，按照算法程序进行数据分析，并生成结果，进行存储。

5 结语

综上所述，基于无线传感技术的桥梁结构健康监测系统可以克服传统桥梁养护难题，能够对多种复杂条件下的桥梁状态进行实时监测，并能在监测过程中发出告警，确保桥梁的安全得到有效维护。自动化的监测系统也为桥梁的长久运营提供了合理化指导和依据。