庄志凯 陈勇 谢琪

摘 要：目前我国公路桥梁正在普及桥梁健康监测系统的建设，本文将从健康监测方案设计及系统设计两个方面，介绍桥梁健康监测系统中的设计内容，阐述各类桥梁监测的重点内容，规划监测系统总体构架，为桥梁监测的设计提供参考。

关键词：健康监测;系统设计;总体构架 ;参数

1 引言

随着我国公路桥梁建设技术的发展和日益完善的公路系统，桥梁建设技术也得到长足的进步，相继建成了各类桥型的世界级跨径桥梁。但是，桥梁的管养水平却仍处于初级阶段。

从上世纪八十年代起，我国许多特大型桥梁陆续安装了健康监测系统，对维护桥梁安全起到了一定作用，但由于技术、系统等多方面原因，始终未发挥出最大的作用。经调查研究和近年来工程实际验证，对于桥梁结构安全状态的评估，不仅需要结构的各种外荷载作用下的静动力响应的分析数据，还需要对桥梁构件及其附属设施的外观检查、外部环境的记录，对检测、监测、检查的所有数据和视频、图像甄别分析，而这些是早期从国外引进健康监测系统无法达到的。

总结现已建设桥梁管理系统或管养系统建设的特点，我国桥梁管养系统的建设将会形成信息化、大数据、专业化的发展趋势，将由有限参数、单个的结构主体、单一的监测功能，向全结构参数、多维度的管理体系发展，最终形成城市级、省级桥梁管理平台;桥梁基础和实施监测数据的采集、保存由单一专项数据后期集中处理和分析，最终升入类似物联网“云端数据中心”进行行业级的专业化管理和分析利用;系统未来技术上将更加先进、可靠，并具有更好的开放性、友好性和实用性，更能适应我国桥梁“建、管分家”的特殊特色，符合国内桥梁养护管理人员结构专业技能相对较薄弱和习惯性操作特征。

2 监测方案设计

2.1 监测的总体目标

桥梁由于受到气候、腐蚀、材料性能退化等因素的影响，以及在长期静动载作用下不可避免出现的各类损伤，使得桥梁工作性能的表征量——强度和刚度将随时间的增加而呈现降低的趋势。这一现象不仅会影响行车的安全，亦會缩短桥梁的使用寿命。为掌握桥梁运营期间的结构及行车状态，实时或准实时地获取桥址环境、车辆载荷对桥梁结构整体或局部所产生的效应，设置有效的安全预警机制，定期或突发事件后对桥梁的结构状态和交通状态作出评估，掌握大桥工作状态的变化规律，为桥梁养护管理单位提供主动式管养建议。

桥梁健康监测系统基于结构监测获取的信息，实现桥梁结构监测数字化、养护管理信息化，为大桥管理提供科学的决策依据，并在桥梁出现病害时有效地开展养护、维修与加固工作，提高桥梁养护管理水平，系统总体功能要求如下：

（1）系统能够准确获取反映结构响应、构件状况与环境参数等信息;

（2）通过对于自动化获取监测数据的评估结论，以及长期监测数据的统计分析得到的各项特征参数发展规律及其变化趋势，实现对桥梁结构进行分级预警和结构状态评估，为养护管理提供决策支持;

（3）提供桥梁监测数据的管理平台，实现桥梁动态、静态数据的归档、查询、存储管理等功能;

（4）系统采用主流框架、模块化结构，各子系统以及子模块之间相对独立，并通过合理的集成手段进行有序融合，便于系统的检查、维护、更换、升级;

（5）系统具有自检、校准、控制功能，通过具体的措施和量化指标，包括硬件设备的在线诊断、更换以及软件的升级修复;

（6）系统设计时通过有效的储存方案，在合理的经济范围内，确保所存储监测数据的代表性和全面性;

（7）通过适当的算法，实现数据分析结果的准确性、分析过程的简便性，提高监测数据的使用效果和应用效率;

（8）通过人性化设计，将系统复杂的监测运行、监测内容和监测分析流程，简化为易于大桥管理人员掌握和管理的操作程序，便于直观性监测结论的获取，实现系统人机交互界面的友好性，便于养护管理人员操作，简化直观性监测结果的获取过程，并确保系统具有远程数据共享及监测的功能。

2.2 监测的重点

桥梁监测系统设计首先要解决监测参数的确定，参数的选择是否正确关系到监测系统正确的评估，即关系到监测系统是否能正常发挥其作用。结合桥梁的结构特点及健康监测系统的功能要求，综合监测系统的监测内容确定主要考虑以下几个方面的因素：

（1）环境参数监测：桥梁处于大气环境中，长期受到桥区气候条件和水文地质作用，结构的安全性和耐久性将会受到影响。因此，需要对桥区的主要环境参数进行重点监测。

（2）结构性能监测：为了解桥梁结构的整体工作状态，从宏观上分析结构工作性能的变化规律，需要重点监测桥梁整体变形参数。同时考虑局部应力、挠度等参数的监测。

2.3 监测内容

结合桥梁结构实际情况，考虑经济、实用、紧凑的原则，对各健康监测常规的桥型监测内容建议如下表。

2.4 测点的布置

测点的布置应结合结构的桥梁实际结构形式和特点来布置。

环境参数监测测点布置：本涉及到环境风、温湿度的监测，其中环境风的监测需考虑所布置测点一定范围内不受结构的遮挡;对于温湿度测点布置，重点考虑结构封闭空间温湿度的监测。

结构性能监测测点布置：结构性能的监测内容中，包括应力、挠度、动力特性等参数的监测测点，其布置应结合结构有限元分析，在关键截面进行测点布置。

3 监测系统设计

3.1系统总体架构

健康监测系统由4个基本子系统组成，分别是自动化监测子系统、数据管理子系统、安全预警子系统和用户界面子系统。其中自动化监测子系统用于荷载源及结构响应数据信息、桥梁现场及特殊隐蔽位置状况信息的采集，经过数据预处理后，将采集的数据按照设定的数据格式储存在数据存储与管理子系统中，并对数据进行深入的分析，获得结构的相关参数。然后通过安全预警与评估子系统进行相应的统计分析，结合各特征参数设定的安全阈值实现系统的综合报警和状态评估功能，并由用户界面子系统完成人机交互工作。

3.2 自动化监测子系统

根据结构分析得出有关该子系统的工作内容、工作范围和工作目的，针对如何实现预期功能，将自动化监测子系统的组成架构作如下设定：子系统由采集单元模块、数据参数模块和数据控制与处理三个部分组成，各模块的描述如下。

传感器模块：传感器模块由各类传感器组成，是整个健康监测系统数据的来源。按照检测参数对传感器进行分类，通常有结构状态监测传感器、环境监测传感器和行车安全特征监传感器，按照信号类型分类又可以分成模拟信号传感器，例如加速度传感器;电信号传感器，例如温度计、位移计等;光信号传感器，例如光纤光栅应变传感器等。

数据采集与传输模块：该模块由通信线缆、信号采集设备组成。负责信号的采集、传输与信号的初步处理。通过该模块，由传感器模块所采集的信号将被采集并传输至采集现场的存储设备。

数据处理与控制模块：由监测系统中的服务器、工作站和相关的软件组成。实时接收并处理加测数据，并向数据管理子系统提供可靠、真实的监测数据。

3.3存储管理子系统

该子系统主要管理系统运营后的所有数据，并完成数据的归档、查询、存储。建立本桥综合监测系统的中心数据库及数据存储仓库，向其它子系统提供有效的信息源，其具体功能要求如下：

（1）能够实现数据采集、控制、筛选、管理和二次处理等功能。

（2）提供各类数据存储的工具和场所，建立分布式数据存储结构，建立数据交换模式，形成系统数据库。

（3）支持特殊事件数据单独存储及分析与处理。

（4）提供数据安全及用户管理的工具。

（5）提供数据分布式快速查询的工具。

（6）提供保障数据一致性与同步性的工具。

（7）提供数据备份和恢复的策略与工具。

（8）提供与异构数据库接口的工具。

（9）提供数据分析处理的服务。

（10）具有相应的软硬件安全机制和自诊断功能，当数据无法传输时能够向大桥管理人员报警，及时采取措施加以处理。

（11）具有對数据及设备异常报警功能，如系统网络通讯失败时，数据可以暂时存储在采集站计算机内，当网络正常后再传输至数据库服务器。

子系统架构整个系统的数据由结构监测数据、数据组成，以不同存储方式存储在不同服务器。

3.4 预警评估子系统

该子系统对数据存储于管理模块中所存储的数据进行分析处理，再按照设定对的报警评估模型，得到桥梁结构安全状态的评估和报警报告，据此给出桥梁结构的管养建议。桥梁养护单位根据评估报警报告给出的管养建议，可以制定经济合理的巡检养护计划。该子系统主要包括数据统计分析、综合报警和评估三个模块。

数据分析模块：该模块的主要目的是对实测数据作预处理及分析，包含数据处理和数据分析两个部分。其中，数据处理侧重于数据的实时信息提取，接收来自于自动化监测子系统的数据。数据处理首先对原始数据进行清洗、整理，并且针对数据的异常现象诊断仪器设备工作状态，根据报警和结构评估的需要，对监测数据进行预处理并计算目标检测量，统计特征参数，并将处理结果存储在系统数据库中。数据的统计分析应重点对长期监测数据，从系统数据库获取处理后的监测数据后进行数据分析，采用统计分析、数据拟合和挖掘的手段，在有条件的情况下，结合智能算法、深度学习的等方法，获取监测数据中隐含的结构参数。

安全报警模块：该模块的主要目的是及时发现桥梁结构存在的问题。包含设备状态报警、结构状态报警，其中设备状态报警是指桥梁监测设备工作状态的报警，由数据异常识别来诊断仪器异常;结构状态报警是指桥梁关键构件部位在荷载等作用下结构响应报警、正常使用极限状态报警以及承载能力极限状态报警，通过对结构变形等监测参数建立报警指标，对监测结果进行分析预测，并分级报警。

安全评估模块：该模块是通过处理后的监测数据，采取基于可靠度理论、结合层次分析法对桥梁的技术状况进行评价。评估的方法包括桥梁整体安全性评估和专项评估，专项评估主要针对特殊事件，如地震、强风等事件后对桥梁结构使用安全的评估。评估时，将结构按照功能和体系细分为相对独立的部分，如按照结构分部划分为上部结构、下部结构、桥面系等，然后按照检测的参数，对比相应的技术指标进行评估，再用权重系数的方式对桥梁整体结构进行整体评价。

3.5 用户界面子系统

系统针对不同用户提供不同的功能，每个用户使用自己的用户名和密码登录系统，登录后系统根据用户类型显示相应的功能界面，隐藏登陆用户没有权限使用的功能。每个用户的功能由用户所属组来决定，一个用户可以属于多个用户组，每个用户组的功能可以由系统管理员自由设定，系统支持多设立用户组，通常我们建立好常用的几个用户组，并分配好每个组的功能，系统管理员可以在此基础上修改。

4 结语

桥梁结构健康监测系统是桥梁结构人工检查的延伸和补充，同时也解决了人工巡检不及时、数据离散等问题，在未来的发展中，城市中小桥梁、公路长大桥梁将是结构监测的重点，通过长期的监测数据，桥梁健康监测系统将为管养、设计单位提供可靠的数据支持，为更好地制定桥梁运营养护决策提供强有力的依据。

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