金林榮 尤 婷 呂梅蕾 范 杰 包飛翔

（衢州學院 電氣與信息工程學院，浙江 衢州324000）

1 物聯(lián)網及其應用

物聯(lián)網(Internet of Things，簡稱IOT)就是“物物相連的互聯(lián)網”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網的核心和基礎仍然是互聯(lián)網，是在互聯(lián)網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。物聯(lián)網通過智能感知、識別技術與普適計算、泛在網絡的融合應用，被稱為繼計算機、互聯(lián)網之后世界信息產業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網是互聯(lián)網的應用拓展，與其說物聯(lián)網是網絡，不如說物聯(lián)網是業(yè)務和應用。因此，應用創(chuàng)新是物聯(lián)網發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新2.0是物聯(lián)網發(fā)展的靈魂。

從物聯(lián)網技術體系結構角度解讀物聯(lián)網，可以將支持物聯(lián)網的技術分為四個層次：感知技術、傳輸技術、支撐技術與應用技術。感知技術是指能夠用于物聯(lián)網底層感知信息的技術，它包括RFID與RFID讀寫技術、傳感器與傳感器網絡、機器人智能感知技術、遙測遙感技術以及IC卡與條形碼技術等。?傳輸技術是指能夠匯聚感知數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)物聯(lián)網數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g，它包括互聯(lián)網技術、地面無線傳輸技術以及衛(wèi)星通信技術等。支撐技術是指用于物聯(lián)網數(shù)據(jù)處理和利用的技術，它包括云計算與高性能計算技術、智能技術、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘技術、GIS/GPS技術、通信技術以及微電子技術等。應用技術是指用于直接支持物聯(lián)網應用系統(tǒng)運行的技術，它包括物聯(lián)網信息共享交互平臺技術、物聯(lián)網數(shù)據(jù)存儲技術以及各種行業(yè)物聯(lián)網應用系統(tǒng)。

物聯(lián)網在業(yè)界大致被公認為有3個層次，自下而上依次是感知層、傳送層和應用層。如果拿人來比喻的話，感知層就像皮膚和五官，用來識別物體、采集信息；傳送層則是神經系統(tǒng)，將信息傳遞到大腦進行處理；人能從事各種復雜的事情，這就是各種不同的應用，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網分層結構示意

感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯(lián)網識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體、采集信息。

網絡層由各種私有網絡、互聯(lián)網、有線和無線通信網、網絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

應用層是物聯(lián)網和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口，它與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)物聯(lián)網的智能應用。

物聯(lián)網技術充分運用在各行各業(yè)之中，主要把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯(lián)網”與現(xiàn)有的互聯(lián)網整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。從而可以以更加精細和動態(tài)的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。

2 橋梁安全與健康監(jiān)測

2.1 橋梁健康監(jiān)測原因

橋梁的運營環(huán)境非常的復雜，影響橋梁運營安全和健康的不利因素分為外部因素和內部因素兩方面，具體情況如下：

2.1.1 大自然的不可抗力（如滑坡、地震、惡劣天氣等等）的影響；

2.1.2 橋梁結構設計缺陷的影響；

2.1.3 橋梁結構材料腐蝕老化等的影響；

2.1.4 橋梁自身承受重力能力等的影響。

這些因素不僅會影響人們行車安全，更會縮短橋梁使用壽命，因此對橋梁結構的健康狀況進行檢測與監(jiān)測甚至對其安全性能進行評估是維護橋梁正常運營重要內容之一。

2.2 橋梁健康監(jiān)測的概念

橋梁健康監(jiān)測概念是通過對橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，從而為橋梁維護維修與管理決策提供更好、更有效的依據(jù)和指導。

2.3 橋梁健康監(jiān)測的內容

2.3.1 施工階段的健康監(jiān)測內容

由于在施工階段會受到一些不利因素的影響，從而導致結構變形和受力與原先橋梁設計狀態(tài)要求不符。為了避免以上問題的出現(xiàn)，我們在施工中需要進行健康監(jiān)測。其監(jiān)測的主要內容如下：

1）幾何形態(tài)檢測。獲取已經完成的結構的實際幾何形態(tài)參數(shù)，如高程、結構或纜索的線形、結構物的變形和位移等。

2）橋梁截面應力監(jiān)測。主要是對混凝土應力、鋼筋應力和鋼結構應力的監(jiān)測，也是橋梁施工過程的安全預警系統(tǒng)。

3）索力監(jiān)測。近年來大跨徑橋梁采用斜拉橋和懸索橋等纜索承重結構越來越普遍，而斜拉橋的斜拉索懸索橋的主纜索及吊索的索力是設計的重要參數(shù)，也是橋梁安全監(jiān)測的主要監(jiān)測內容。

4）預應力監(jiān)測。主要對預應力筋的張拉真實應力、預應力管道摩擦導致預應力損失以及永久預應力值進行監(jiān)測。

5）溫度監(jiān)測。對大跨徑橋梁，尤其是斜拉橋或懸索橋，其溫度效應十分明顯，斜拉橋的斜拉索隨溫度的升降直接影響主梁的標高；懸索橋主纜索的線形也將隨溫度而變化，此時對溫度進行監(jiān)測十分必要。

6）下部結構監(jiān)測。對于斜拉橋和懸索橋等特大型橋梁，其購物基礎分部集中，荷載集度通常非常大，因而必須對地基的內外部變形、地錨的應力以及主塔樁基的軸力等進行監(jiān)測。

2.3.2 運營階段的健康監(jiān)測內容及使用的傳感器

1）荷載監(jiān)測。包括風、地震等。所使用的傳感器有：風度儀——記錄風向、風速進程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得到風功率譜；強震儀——記錄地震作用。

2）表面形貌監(jiān)測。監(jiān)測橋梁各部分的靜態(tài)位置、動態(tài)位置、沉降、傾斜、位移等。所使用的傳感器有：位移計、傾角儀、GPS、數(shù)字相機等。

3）結構強度監(jiān)測。監(jiān)測橋梁的應變、應力、索力、動力反應、扭矩等。所使用的傳感器有：應變儀——記錄橋梁靜動力應變、應力，連接數(shù)據(jù)處理后可得構件疲勞應力循環(huán)譜；測力計（力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷）——記錄主纜、錨桿、吊桿的張拉歷史；加速度計——記錄結構及各部分的反應加速度，連接數(shù)據(jù)處理后可得結構的模態(tài)參數(shù)。

4）振動監(jiān)測。監(jiān)測結構的振動、沖擊、機械導納以及模態(tài)參數(shù)等。

5）性能趨向監(jiān)測。監(jiān)測結構的各種主要性能指標等。

6）非結構部件及輔助設施。監(jiān)測支座、振動控制設施等。

根據(jù)監(jiān)測對象的不同，影響其工作性能的控制因素也就不同，從而導致監(jiān)測出的物理參數(shù)也盡不相同。因為同一物理參數(shù)對不同的結構又具有不同的靈敏度，所以效果也不同。因此，橋梁結構健康監(jiān)測對象的選擇是至關重要的一步。

對于大型橋梁結構，我們應以振動監(jiān)測、荷載監(jiān)測、強度監(jiān)測和表面形貌監(jiān)測為主要目標，且選擇靈敏度高的特征參數(shù)或幾種參數(shù)聯(lián)合使用作為監(jiān)測對象。

2.4 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成及監(jiān)測管理方法

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括各類軟硬件系統(tǒng)，其中各類高性能智能傳感元件、信號采集與通訊系統(tǒng)、綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理與動態(tài)管理系統(tǒng)、結構實時損傷識別、定位與模型修正系統(tǒng)、結構健康診斷、安全預警與可靠性預測系統(tǒng)是關鍵部分。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是利用一些傳感器（如光纖傳感器、壓電傳感器、GPS、風速風向儀等）來讀取橋梁各部分結構的傾斜、應力、沉降、位移、風速、風向、溫度等參數(shù)，通過網絡將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐蛄罕O(jiān)控室的數(shù)據(jù)處理設備上，由專業(yè)的數(shù)據(jù)處理設備和處理方法來對信號進行存儲、處理、分析和顯示，最終顯示給用戶的是一段時間內連續(xù)采集的各個數(shù)據(jù)。各方專家會同橋梁設計部門可以對某些數(shù)據(jù)設立警戒值，當某個數(shù)據(jù)超過了相應的警戒值，系統(tǒng)會主動報警，提醒管理人員及時做出反應。

因而對于橋梁運營期間結構安全和健康的監(jiān)測，我們應當將系統(tǒng)工程的理論、方法及實踐有效的結合起來，深入了解橋梁安全和健康的各種因素的特性及相互關系和橋梁表觀病害與結構內部狀態(tài)的關系。隨著科技的迅猛發(fā)展，我們尋求到更有效對橋梁安全和健康狀態(tài)監(jiān)控管理的方法——物聯(lián)網系統(tǒng)技術。

圖2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3 橋梁安全評估

橋梁的安全評估的性能指標內容包括：（1）可靠性評估，橋梁各組成部分在強度、剛度等方面是否滿足現(xiàn)有運輸荷載的要求以及能否適應運輸荷載的進一步發(fā)展；（2）耐久性評估，指建橋材料的耐久性和結構抗疲勞損傷的性能，即迄今為止的疲勞損傷度及剩余壽命；（3）適用性評估，主要指車輛通過橋梁時走行的安全性和舒適度等。

3.1 監(jiān)測參數(shù)與評價指標選取

橋梁在長期的使用過程中不免會發(fā)生各種結構損傷，損傷的原因可以是使用、維護不當、車禍事故等人為因素，也可能是地震、風暴等自然災害。此外某些要道上交通量以大大高于預測流量的速度猛增也加劇了橋梁結構的自然老化，這些因素均導致了橋梁承載能力和耐久性的降低，甚至影響到運營的安全。因此如何合理評估現(xiàn)有橋梁的承載能力，并使之規(guī)范化，便成為橋梁狀態(tài)評估的核心。在此基礎上才能對橋梁的損傷和病害建立一套現(xiàn)實客觀的維修決策系統(tǒng)。

目前國內外對橋梁健康狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的綜合性指標，對橋梁進行安全性評估，首先建立系統(tǒng)評價指標體系，除需驗算其承載能力外，尚需通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的實測，評估其承載狀態(tài)（構造、不適于繼續(xù)承載的位移或變形、裂縫等）的安全性，才能全面地做出評定結論。指標體系是決策過程中對某一問題進行決策的判據(jù)，評價指標的制定要盡可能地做到科學、合理、實用。對于不同結構的橋梁，其評價指標體系亦應有所差異和側重。

橋梁監(jiān)測參數(shù)指標有動力參數(shù)指標和靜力參數(shù)指標，對橋梁的遠程動態(tài)監(jiān)測，以使用最少的監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測成本為宜，靜力參數(shù)指標比較適合。而且，橋梁結構的靜力參數(shù)指標測量要比動力參數(shù)指標的提取更直接，并且在測量精度上前者優(yōu)于后者。橋梁結構的撓度和應變是反映橋梁安全性的重要指標。橋梁撓度監(jiān)測主要是測量活荷載引起結構的變化，應變監(jiān)測反映了橋梁結構在荷載作用下構件的局部受力狀況。

3.2 評估方法與流程

20世紀80年代中期以來，國內外學者針對橋梁結構的安全性評價進行了廣泛深入的研究，提出了層次分析、灰色關聯(lián)分析與變權綜合等多種方法。但現(xiàn)有的評價方法存在評價模型簡單、指標體系不完整以及評價結果較為粗糙等缺點，而且往往集中于對橋梁各部分構件的檢測與單獨評價，缺乏對橋梁整體安全性的綜合評價?，F(xiàn)有的評估方法各有優(yōu)缺點及適用條件，在橋梁的實際評估過程中，可以結合橋梁結構的具體特點和受力機理，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎的結構安全評價體系，開發(fā)不同原理、相互補充的安全評價方法，建立橋梁安全性評估模型，對橋梁的安全性進行綜合評定。近年來人們提出了許許多多的結構整體檢測方法，從研究和應用的角度看,這些方法大致可分為模型修正法和指紋分析法兩大類：

模型修正法在橋梁健康監(jiān)測中主要用于把試驗結構的振動反應記錄與原先的模型計算結果進行綜合比較，利用直接或間接測知的模態(tài)參數(shù)、加速度時程記錄、頻率響應函數(shù)等，通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度分布，從而得到結構剛度變化的信息，實現(xiàn)結構的損傷判別與定位。這種方法在劃分和處理子結構上具有很多優(yōu)點，但由于測試模態(tài)集不完備、測試自由度不足以及測量噪信比高的原因，很少能給出修正所需的足夠信息，導致了解的不唯一。同時采用傳統(tǒng)方法進行參數(shù)估計時易產生病態(tài)方程。針對這些問題，一方面，可以考慮利用動邊界條件進行子結構模型修正以減少未知數(shù)的方法；另一方面，可以通過良態(tài)建模、合理劃分子結構以及最優(yōu)測點布置來獲取最大信息量進行解決。目前這些方法都在研究之中。

結構整體監(jiān)測的另一類方法就是尋找與結構動力特性相關的動力指紋，通過這種指紋的變化來判斷結構的真實狀況.通常用到的動力指紋有頻率、振型、振型曲率/應變模態(tài)、功率譜、MAC(模態(tài)保證標準)、COMAC(坐標模態(tài)保證標準)指標等。大量的模型和實際結構試驗表明結構損傷導致的固有頻率變化很小，而振型雖然對局部剛度變化比較敏感，但精確量測比較困難。MAC，COMAC等依賴于振型的動力指紋都遇到同樣的問題。振型曲率應變模態(tài)則在傳統(tǒng)的低幅值振動測試中變化量量級過小，難以起到有效的判別作用。這類方法的成功應用將有待于尋找新的動力指紋。

在監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的基礎上，根據(jù)評價及決策分析所關注的問題和目標，結合橋梁數(shù)據(jù)庫、專家知識庫、橋梁運營現(xiàn)狀條件等確定相關判據(jù)及評價指標體系和邊界條件，建立評價及決策系統(tǒng)數(shù)學模型，在最優(yōu)化分析的基礎上進行科學的評價和決策。橋梁安全評估流程如圖3所示。

4結語

隨著我國公路交通業(yè)的高速發(fā)展。各類已建橋梁結構滿負荷甚至超負荷運營的情況十分普遍，加之各種自然災害的影響及周邊環(huán)境的人為改變，橋梁的安全運營問題日益引起人們的重視?；谖锫?lián)網技術構建橋梁安全監(jiān)測評估系統(tǒng)，目的在于能夠充分利用先進的物聯(lián)網技術構建更為科學和完善的橋梁安全與健康監(jiān)測體系。以提高橋梁運營管理的水平和效率。希望得到業(yè)內專業(yè)人士的關注、支持和指導，使該體系得到完善和改進。并能夠在橋梁安全運營管理工作中得到實際的應用和推廣。

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