基于物聯網的橋隧結構健康監測系統

摘要：據統計，截至2020年年底，我國公路隧道21316處、2199.93萬延米，增加2249處、303.27萬延米，其中特長隧道1394處、623.55萬延米，長隧道5541處、963.32萬延米。公路橋梁數量達到91.28萬座，較2019年增加3.45萬座，2020年公路橋梁長度6628.55萬延米，同比增長9.32%。近年來，我國公路橋梁、隧道建設事業飛速發展，特別是我國大跨徑公路橋梁、長孔距公路隧道的建設進入了一個輝煌的時期，取得了舉世矚目的成就。橋梁、隧道作為公路的重要組成部分，其結構的運行安全直接關系到行車安全及公眾的人身安全，結構損傷如果不能被及時發覺或維修，會縮短結構的使用壽命，甚至發生斷裂、坍塌等嚴重事故，造成重大人員傷亡及經濟損失，產生惡劣的社會影響。因此建立一套科學的橋梁、隧道健康監測系統，加強對橋梁、隧道的安全監測管理，對保障交通安全具有至關重要的作用?；诖?，本文主要對長大橋梁、隧道結構健康監測系統進行分析探討。

關鍵詞：長大橋梁隧；結構；健康監測；系統

一、引言

橋隧結構健康監測系統以高精度的物聯傳感器、實時可靠的通信基礎、先進安全的網絡技術為基礎，以橋梁和隧道的結構及相關設備設施為平臺，組合優化了交通環境、交通設備、橋隧結構、安全預警和網絡綜合分析處理為一體的綜合監測系統。實時報告橋隧結構受力狀況，損傷的發生及其位置、性狀，當工程在特殊氣候、交通條件下或運營狀況嚴重異常時發出預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。系統可以彌補人工監測的不足，在目前的技術條件下二者配合可達到對橋梁結構全面、實時、客觀的監測效果，為橋梁結構安全運營、科學養護提供可靠保障。

二、應用背景

在長大橋隧的運營期間，隨著橋梁、隧道服役時間的遞增和出行車輛快速的增長，加上前期設計、施工材料、建造缺陷及運營、養護維修的各個周期內不可預見的環境、地質災害因素影響，都會產生缺陷或病害。橋梁和隧道工程結構隨著運營時間的增加，結構本身的危險性隨之增加，需要運營期實時監管結構的安全使用狀態，建立一套現代化的智能健康監測及養護管理信息系統，對橋隧結構各種關鍵狀態參數、指標進行長期、適時、系統的監測，并對橋梁的技術狀況和承載能力作出評估，制定緊急狀況應急預案，在結構運營狀態嚴重異常時發出警號，為大橋管養維修決策提供具有針對性的參考和指導，進而確保大橋安全正常運營，合理配置管養資源，降低大橋壽命期內養護維修成本。

三、系統建設目標

①以“橋隧全生命周期的信息化監管養護”為目標，通過橋梁和隧道構件的精準監測，對橋梁、隧道建立信息化生命檔案，實現精細化、信息化養護與管理，保障結構運營安全。②對長大橋隧運營環境及關鍵部位結構進行安全監測并實時預警，把自動化監測與檢測進行結合，對橋隧結構狀況、運營環境、載荷情況等進行安全評估，為長大橋隧的管養決策提供科學依據，提升橋隧管養單位養護措施的經濟性、針對性、高效性和合理性，確實有效延長橋隧的使用壽命。③根據系統平臺的預警信息，核實橋隧結構現場風險，將橋隧結構安全前期的危險消滅于萌芽狀態。根據監測數據定期形成健康監測報告，監測橋隧運營期的使用狀態，對其發展趨勢進行分析研判，對橋隧結構的病害和損傷有針對性地進行養護維修。④為提高橋隧管養工作效率，實現平臺統一管理和調度，管理系統還預留了標準的數據接口，便于后期將橋隧檢測、橋隧綜合評估、橋隧現場養護等信息進行同平臺管理，實現自動化監測與橋隧檢測真正的結合，真正實現橋隧全生命周期管養，保證橋隧結構與行車安全，延長橋梁和隧道結構壽命。

四、系統建設特性

系統的統一性：對系統的監測設備和軟件平臺采用統一規劃、設計和監管的方案，協調和整合各方面資源對系統涉及的監測設備進行統一安裝、測試和聯調，系統平臺搭建完成后進行統一管理和維護。

系統的技術先進性：在體現實用性、解決實際工程問題外，要體現項目的先進性，在可能的情況下，盡量選取和研究代表國際發展趨勢的、先進的技術手段。保證設計技術先進、性能優良，總體上達到國際先進水平。

系統的經濟性：即系統選擇具有代表性和示范性的監測設備，監測設備需要盡可能多地涵蓋監測橋隧及隧道的各種結構及運行環境信息；系統供電通信纜線盡量利用交通工程已有的縱、橫橋架和預留孔洞走線。

系統的整合性：本系統采用多種不同信號類型的監測設備，各類傳感器設備、采集傳輸設備、供電通信防雷設備，系統架構和體系需要穩定性和包容性以及明晰的結構層次。

系統的可靠性：由于系統所使用的傳感器中，有的需要承受風吹雨淋、日曬霜凍等的長期考驗，而且所有傳感器、測量儀器、信號傳輸線纜等都需要長期工作，因此系統的長期可靠性是最為重要的因素之一，故采用技術成熟的系統配套產品，保證系統的精確性、穩定性，并設置適度冗余的傳感器及相關設備，保證系統的可靠性，并滿足系統改進、擴展和完善的需求。

系統的實用性：結合交通運輸部、地方交通廳和地方信息化監管養護要求，系統不僅對橋梁、隧道的結構安全實時健康監測的作用，還可對橋梁、隧道進行應急指揮和調度的作用。

系統的安全性：對于一個系統來說，其內外部的操作安全性也非常重要，應具有密碼保護和多級權限控制，并通過對操作人權限的不同劃分設置來對系統使用人員進行管理。各種系統控制、操作、報警時間應具有記錄及共享功能以備管理人員審查。

系統的針對性：有針對性地對橋梁、隧道的結構部位、結構控制部位、結構易損部位和損傷敏感部位進行結構安全風險分析。

系統的可擴展性：充分考慮以后發展，方便以后對系統的設備進行更新、維護，同時系統應具備預備容量的擴充和升級?？深A留一定數量的通道冗余、軟件進行模塊劃分接口統一，便于將來進行功能擴展。

五、系統主體構成

（一）傳感傳輸控制子系統

1.監測項目及傳感器類型

結合每座橋梁和隧道的運營環境、結構受力特性和構造特點，按照系統設計原則進行監測項目的確定，選取實用性、可靠性俱佳，兼顧技術先進性和耐久性的監測儀器對橋隧進行自動化監測。傳感器子系統分為荷載與環境、結構整體響應和結構局部響應三部分監測內容。荷載與環境：環境溫濕度、橋面突發事件、橋下安全狀況、襯砌滲漏水狀況、洞口狀況。結構整體響應：主拱變形、拱座變位、主梁撓度、受迫振動、墩柱傾斜、墩梁相對變位。結構局部響應：動應變、動撓度和裂縫寬度。

2.傳感器模塊

①環境溫濕度計。功能和目的：環境溫濕度是分析結構狀態、結構損傷發展狀態和分析其他監測數據的重要參數指標和依據。監測方法：選用適合類型的溫濕度傳感器進行連續實時監測，為使信號傳輸過程的衰減不會影響系統測量精度，采用全數字化信號傳輸接口。

②高清球形攝像機。功能和目的：高清球形攝像機監測橋面交通狀況、橋下安全狀況、各類突發事件和橋梁結構狀態突變。監測方法：根據橋梁現場及周邊環境，在適當位置安裝360°球形高清攝像機，24 小時不間斷監測橋面交通及周邊環境變化等突發事件。監控視頻自動存儲于前端，監控中心可隨時遠程要求進行視頻流傳輸進行實時監控或回放。

③靜力水準儀。功能和目的：靜力水準儀監測橋梁各關鍵斷面或測點的靜態豎向位移，用于評估橋梁結構在其恒載的豎向變形、基礎沖刷引起的基礎沉降或隧道縱向不均勻沉降。監測方法：根據結構特點及周邊環境，使用多臺靜力水準儀組成一個相對獨立的測量系統。一只靜力水準儀固定安裝在橋梁墩臺或隧道洞內，多只靜力水準儀分別安裝在橋梁主梁截面或隧道洞口截面。

④雙軸傾角計。功能和目的：雙軸傾角計主要監測墩柱傾斜及主拱圈變形。監測方法：在結構表面安裝雙軸傾角計，可測量墩柱傾斜，主拱圈變形。雙軸傾角計采用高精度MEMS式傾角計。

⑤位移計。監測目的：用于監測伸縮縫的工作狀態，監測結果用于：作為伸縮縫工作狀態的判別指標；聯合交界墩上的雙軸傾角計監測數據為運營期間橋梁相對位移風險判別提供重要信息。監測方法：位移計通過支架固定在蓋梁和主梁上，測量橋墩和主梁之間的相對位移，采用數字式傳感器。

⑥動應變計。監測目的：動應變計用于監測混凝土梁跨中截面的活載響應。監測方法：監測主梁的活載響應，采用電阻動應變計。經過調理/解調和A/D轉換后通過RS232/485接口傳送至數據采集單元（DAU）。

⑦裂縫計。監測目的：用于監測混凝土結構開裂后裂縫的發展。 監測方法：根據結構裂縫分布情況，選擇構件應力水平較高局部的典型受力裂縫為觀測對象。垂直于裂縫發展方向跨縫布設裂縫測寬計，監測受力裂縫寬度變化。

⑧動撓度儀。功能和目的：用于監測主梁動撓度。監測方法：在主梁底板安裝動撓度儀，通過鋼絲繩在其下方安裝一塊鐵片。以非接觸的方式測量動撓度儀和鐵片之間的距離，用于測量主梁動撓度。

⑨機器視覺靶標。功能和目的：用于監測主梁動撓度。監測方法：在主梁底板安裝機器視覺靶標，在同跨墩臺上安裝機器視覺儀。機器視覺儀內置并行機器視覺算法，可以識別靶標的精準位置坐標，當被測結構物平面位移發生變化時，靶標的坐標就會隨著北側結構物的位移發生變化，從而獲得靶標與被測物水平和垂直的雙向位移數據。

⑩激光測距儀。功能和目的：用于監測隧道襯砌變形。監測方法：通過測量隧道內基準點到監測點的距離變化來監測目標變形體位移。

?密集分布式定點光纜。功能和目的：用于監測隧道襯砌局部變形或開裂。監測方法：選擇地質較差或結構失效風險較高的段落布置變形測量光纖，將襯砌結構變形轉換為光纖信號存儲傳輸。

?GNSS。功能和目的：用于監測橋臺處邊坡的位移情況。監測方法：GNSS位移監測系統由 GNSS 基點和測點組成，基點安裝在穩定地基處，測點安裝在待監測點位，通過測量測點和基點之間的相對空間位置完成對測點空間變位的監測。

?拾振器。功能和目的：結構在交通荷載、地震作用、異常撞擊事件作用下受迫振動的幅值是評估橋梁剛度和承載能力的重要指標。采用拾振器進行橋梁受迫振動特性的監測可用于：作為結構損傷和狀態識別的重要輸入參數；檢驗和修正用于橋梁結構狀態分析預測的有限元模型；受迫振動幅值也是無模型安全預警的重要閾值指標。監測方法：監測主梁在交通、地震、船舶撞擊等作用下的振動響應。

3.數據采集與傳輸模塊

數據采集與傳輸模塊主要由傳感器設備、數據傳輸設備和數據采集軟件組成。數據采集器將獲取到的橋隧監測信息進行調理，轉換為數字信號并完成數據的遠程傳輸，系統數據采集與傳輸模塊是整個傳感傳輸控制子系統的核心中樞，是系統平臺的關鍵節點。由于傳感器及數據采集設備種類多，數據類型復雜，野外環境相對惡劣，所以選用的數據采集設備、傳輸設備均需采用高穩定性能產品，并滿足外場工程環境的監測要求。

（二）結構預警與安全評估

1.基于監測數據的處理分析方案

監測數據的處理分析包括預處理、二次處理、數據的后處理。云平臺實現了數據處理的可視化的圖形配置界面，使工程師可以自由、高效地進行數據分析和預警規則配置。數據分析模塊實現特征值的可視化配置，通過在平臺上創建數據策略配置框，將輸入設備、輸出設備以及算法拖入策略配置框，用箭頭曲線將三個節點連接起來，箭頭方向表示數據流去向，生成一個狀態特征值策略。支持在線驗證策略輸出值正確性。經激活策略后，輸入設備上報的原始采樣數據就會在后臺經過指定的數據分析算法清洗、轉換，輸出具備工程意義的特征值。預警規則鏈模塊實現預警規則的可視化配置。數據分析輸出的特征值作為預警規則鏈的輸入數據，經可靈活定制的預警規則鏈響應，如果特征值觸發預警規則，平臺會及時產生預警，并觸發預警通知和電子流任務。

2.結構安全監測預警

監測系統在試運行前設置初始閾值及其相應的預警觸發專業規則，在監測系統試運行期間及后期運維過程中根據橋梁周邊環境、運行條件、結構性能的變化以及對結構狀態認知的深入，持續進行閾值和預警觸發專業規則的補充、修正和優化，并定期檢驗其有效性。監測系統支持對預警觸發、快訊/快報發布、應急響應措施、預警調整（包括自動升級和人工干預）等全過程事件的自動記錄和歸檔。

閾值設置：對應于每項狀態特征指標應設置閾值以實現自動預警功能，閾值及其超限判據設置采用以下兩種形式：第一，容許閾值。判斷狀態特征指標是否處于正常范圍的單向閾值。狀態特征指標超出容許閾值的級別可表征該項狀態的風險程度；狀態特征指標未超出容許閾值時，其間距也可大致表征該項狀態的安全富余度。第二，區間閾值。判斷狀態特征指標是否處于正常范圍的雙向閾值，對監測數據是否在設定的合理數據范圍內做出正確的分析和判斷。

預警管理：監測系統支持自動判識各項狀態特征指標超閾值情況，并根據預設的預警觸發專業規則自動觸發相應的預警級別。預警觸發專業規則根據橋隧結構安全風險分析結果、結構理論計算分析結果、前期預警記錄及應急響應情況，并結合系統管理人員的專業技術經驗進行設定和調整。

橋隧結構安全預警機制設藍色、黃色、橙色和紅色四個預警級別，加上無預警狀態，總共代表橋隧結構安全風險的五種狀態：①綠色安全狀態：判斷橋隧結構荷載、運營環境、關鍵結構等健康監測數據均在正常范圍，滿足交通規范要求，橋隧使用功能正常，結構安全；②藍色預警狀態：個別結構狀態特征指標超出1級閾值，對橋隧正常使用功能有輕度影響；③黃色預警狀態：多項結構狀態特征指標超出1級閾值，或個別結構狀態特征指標超出2級閾值，影響橋隧正常使用功能；③橙色預警狀態：多項結構狀態特征指標超出2級閾值，或個別與結構安全密切相關的狀態特征指標超過3級閾值，已經嚴重影響橋隧的正常使用，若不及時治理會增加橋隧結構安全風險；④紅色預警狀態：對監測數據和專項檢查結果進行技術評估或專家會審后確認，橋隧已出現危及結構安全的嚴重缺陷，如果橋隧載荷、外部環境風險明顯加劇，橋隧結構無法正常使用，隨時可能造成橋隧結構安全事故，需進行應急處治。

3.結構安全評估

橋隧結構安全評估從技術層面可分為一級評估和二級評估。一級評估：針對特定安全風險，基于監測數據、人工檢查成果或結構計算分析結果等進行的專項安全風險評估。二級評估：面向橋隧結構總體風險，基于監測數據、人工檢查成果、結構正向計算分析結果、基于損傷識別和模型修正等逆向算法的結構承載能力分析評估結果，以及其他安全一級評估結果進行的綜合性結構安全風險評估。安全二級評估應在一級評估的基礎上進行，宜采用模型修正或損傷識別等逆向算法對橋隧結構有限元模型進行修正后，再進行極限承載力分析，綜合評估確定橋隧結構的整體安全狀態。

4.全流程動態跟蹤管理

有效地對結構的安全進行預警及評估離不開完善的流程機制，通過電子流子系統，實現了貫穿風險事件觸發、預警狀態管理、實時信息推送、報告報表發布、運管應急響應、養護決策支持的建養全流程動態跟蹤管理。

六、結束語

利用現代傳感測試技術、計算機科學技術、光電子信息技術、橋梁結構計算分析技術、結構安全風險管理技術等最新成果，構建公路長大橋隧結構健康監測系統。通過安全、可靠、實時的監測預警和應急響應，對橋隧結構安全進行評估，最終形成科學的決策，切實提高公路長大橋隧的安全運營和養護管理水平，展現結構真實的安全健康狀態。

作者單位：魏友志? ? 四川九洲北斗導航與位置服務有限公司

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