大跨徑單孔長大斜拉橋結構健康監測系統研究

王雪鵬

（山西省交通開發投資集團有限公司，山西 太原 030006）

1 項目概況

某高速公路特大型橋梁，主橋為雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，跨徑布置為152m+364m+152m，2020年技術狀況評定等級為2級。

2 監測指標確定

該橋梁為單孔跨徑300m以上的斜拉橋，根據公路橋梁健康監測系統建設指南指導意見及建設實施方案要求，需要升級的監測指標分為4個類別共12項，如圖1所示。

圖1 橋梁結構安全監測指標

3 監測系統硬件設計

3.1 系統供電設計

橋梁健康監測系統需要在運營期內實時采集橋梁健康監測指標數據，對供電穩定性要求較高。案例大橋使用市電供電，可有效滿足系統供電穩定性要求[1]。

3.2 數據傳輸系統設計

3.2.1 數據傳輸系統設計要求

數據傳輸系統由外場數據采集站和數據傳輸系統兩部分構成，具體如下。

（1）外場數據采集站由外場控制主機、數據采集模塊、工控機等3個模塊構成。系統通過外場控制主機，控制數據采集模塊；采集模塊完成數據采集后，將數據封包處理，并傳輸給工控機存儲，再將數據通過傳輸系統傳給服務器。

數據采集模塊進行橋梁健康監測數據采集、設備診斷，并將監測數據、設備狀態信息傳輸到數據中心，由以下3個子模塊構成[2]：

①采集模塊：根據系統配置的傳感器地址，控制相應采集傳感器按照系統設定的采樣周期、采集指令采集橋梁結構監測指標數據；

②傳輸模塊：根據系統配置的網絡參數，將橋梁監測指標數據傳輸給中心服務器；

③診斷配置模塊：根據中心服務器指令，診斷數據異常的采集傳感器工作狀態；配置采集周期、傳感器地質等系統參數。

該系統的數據采集模塊在保證技術成熟的基礎上，選擇了具有先進技術性能的產品，有效滿足了系統對監測模塊穩定性、耐久性和精確性的要求[3]。

（2）數據傳輸系統由本地光纖組成，可傳輸采集指令、監控指標數據。數據采集后，先存儲于工控機，實現“本地備份”，再傳輸給系統服務器，滿足了系統對數據傳輸安全性、連續性的要求，有效規避了數據包丟失的問題。

3.2.2 外場采集站的優化布置

不同采集模塊監測的橋梁結構不同，布設位置、采集數據類型差異較大，為保證系統監測采集效率，適應不同監測模塊作業需求，采用“集中控制、分布采集”的采集模式[4]，同時通過布設本地工控機，實現了監測數據“遠程存儲、本地備份”的數據存儲安全需求，優化了外場采集站布置。

系統通過RS485總線傳輸采集數據，通過增設RS485中繼器，避免了光信號在光纖中傳輸距離過長造成光信號色散失真問題。案例橋梁監測系統設備數量見表1。

表1 橋梁監測采集、傳輸設備數量表

3.3 設備選型設計

3.3.1 設備選型原則

（1）穩定性

橋梁工程是“百年工程”，監測系統需長期服役，要求傳感器在復雜運行條件下具有良好的工作穩定性，在額定使用期限內，量程、精度指標保持穩定，保證監測數據精度要求。

（2）可更換性

監測采集設備、采集儀器等多為精密電子器件，使用壽命一般只有數年，隨著未來監測要求的提高，面臨系統升級、設備更新換代的需求，要求設備必須具備可更換性。

（3）適用性

在滿足系統對設備量程、精度等指標要求的前提下，無須苛求監測精度，以節約設備采購成本。

（4）先進性

橋梁橋體結構安全監測是長期的工作，監測設備也應具備先進性。

3.3.2 監測設備參數要求

傳感器信號的采集接口必須支持RS232/RS485/TTL232總線、自組網絡的光纖傳輸及以太網與上位機的平衡發送和差分接收。封裝等級應達到IP67。供電電源DC為-12～12V。

3.3.3 設備安裝要求

全橋設備均按照《建筑電氣工程施工質量驗收規范》（GB 50303—2002）進行安裝和驗收。每個設備均有獨立的設備保護罩進行保護。設備線纜統一穿入PVC管，PVC管懸掛在箱梁內部或外部避光、避風位置，每隔2m設置一個固定卡，將PVC線管固定在混凝土梁上。

3.4 系統防雷設計

（1）測點主機均安裝于防雷保護箱內，采用預放電避雷針+接地線做好防直擊雷設計，并將同一斷面上的接地線集中布置，形成防雷網。

（2）將電路、信號線路穿入PVC管，安裝電源防雷器和信號防雷器，做好防感應雷設計。

4 監測系統軟件設計

4.1 軟件架構設計

系統軟件為感知層、網絡層和應用層組成的3層架構。

（1）感知層：根據服務中心指令及系統設置的感應頻率，感知監測指標狀態、設備工作狀態，將數據反饋至網絡層。

（2）網絡層：將指標狀態、儀器工作狀態傳輸至服務中心，并對異常儀器進行報告。

（3）應用層：分為數據處理層、應用服務層和展示層。①數據處理層，對數據進行預處理，消除信號數據中雜糅的噪聲數據，剔除異常數據，保證信號數據純度、平滑性，再存儲于系統數據庫；②應用服務層，根據系統監測的橋梁構件溫變數據、應變數據、撓變數據等，修正橋梁有限元數值模型，模擬橋梁在各種荷載下的受力狀態；③展示層，向安全監測人員展示橋梁監測數據、分析報告、預警信息等。

4.2 系統集成設計

系統集成設計包括數據感知、數據傳輸、數據分析等3個系統的集成設計。數據感知系統負責采集監測數據；數據傳輸系統為系統數據傳輸提供通道；數據分析系統負責分析監測數據，輸出橋梁實時服役狀態信息、預警信息等。

4.3 系統功能設計

系統具有異常報警、監測指標展示等多種功能。單橋監控狀態下，系統主窗口主要展示監測橋梁指標數據、預警信息等；多橋監控狀態下，可滾動展示多座橋梁狀態信息，優先展示異常報警信息。

5 監測數據分析和報警處理機制

5.1 監測數據異常處理

5.1.1 數據噪聲處理

數據采集、處理、傳輸過程中，受儀器自身電磁作用、環境電磁場影響，不可避免會對信號產生電磁干擾。系統所接收的數據是真實監測值與各種數據噪聲雜糅的結果，應對數據進行平滑處理[5]，消除信號中的噪聲數據。

5.1.2 異常數據處理

異常數據是指明顯不符合橋梁受力狀態的監測值。在進行異常數據識別時，需采用長時間段的樣本點，通常有3d、7d、15d、30d等時間段。異常數據特征與隨機噪聲類似，也采用平滑處理的方式消除[6]。

異常數據是指監測過程中收集到的與橋梁受力狀態存在明顯偏差的監測指標數據值。異常數據特征與隨機噪聲類似，也采用平滑處理的方式消除[6]。通常需要觀察一定時間段（如3d、7d、15d、30d）的樣本點數據特征，對比異常數據特征與常態數據特征的偏差，確定數據是否為異常數據。

對這些時間段的數據進行平滑處理后，采用統計學方法，剔除監測值與平滑后的數值的粗差，進行異常數據識別和處理。

5.2 動態監測數據的時頻域分析

動態監測數據時域分析，是采用數理統計方法，分析信號時間域內的穩態特征，用數據極值、平均值等表征監測結構的穩定性、穩態性能、瞬態性能。

動態監測信號的頻域分析，是通過對數據信號進行時-頻轉換，揭露信號頻率特性，得到信號頻譜特征，評估橋梁結構整體工作性能[7]。

5.3 監測數據報警值的確定

根據該橋梁設計圖紙，采用MIDAS/Civil軟件建立橋梁有限元分析模型，確定橋梁各項結構指標的理論值。系統通過比對橋梁結構指標理論值與實際采集值的偏差，分析橋梁結構工作狀態，根據理論值與實際值偏差大小，確定報警等級。根據指南要求，將該橋梁健康監測系統的報警等級劃分為3級：藍色、黃色和紅色。報警等級和處理機制見表2。

表2 橋梁報警等級及各級報警下的處理機制

表2 （續）

6 結語

橋梁結構健康監測系統本身不直接產生經濟效益，但系統建成后，可有效監測橋梁安全狀態，避免橋梁服役狀態持續惡化，保證橋梁運營安全。本文所依托的橋梁健康監測系統，采用智能儀器進行數據采集與控制，有效保證了數據監測的準確性，提升了系統的智能性；同時，通過設置本地工控機，實現了采集數據的本地化存儲，保證了數據傳輸的安全性、連續性，避免了因數據傳輸系統故障造成數據丟失的問題。