吳華燈 趙賢任

橋梁強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)的研發(fā)及應用

吳華燈 趙賢任

吳華燈，2008年畢業(yè)于中山大學計算機系，理學學士，高級工程師，主要從事計算機應用技術和強震動監(jiān)測技術系統(tǒng)集成研究，現(xiàn)任廣東省地震監(jiān)測中心技術室副主任。曾主持開發(fā)了一批軟硬件產(chǎn)品，并在系統(tǒng)內(nèi)得到推廣應用。近5年來，作為項目主要成員參與并完成地震行業(yè)科研專項和廣東省科技計劃項目5 項，主持完成地震科技星火計劃項目2項，主持完成廣東省科技廳項目協(xié)作任務1 項，完成中國地震局業(yè)務司“強震動臺網(wǎng)管理軟件”開發(fā)任務1 項，發(fā)表EI 和核心期刊論文10多篇，參編國家標準2 部，獲得國家發(fā)明專利2 項，參加多屆粵港澳地區(qū)地震科技研討會、強震動觀測技術與應用專業(yè)研討會等學術會議。曾獲廣東省防震減災優(yōu)秀成果獎二等獎（排名第三）、中國地震局震害防御司強震動觀測技術革新獎（排名第一）、第十屆全國虛擬儀器技術應用方案有獎征文競賽一等獎（排名第一）。

項目研發(fā)背景

2007年6月15日，廣東省九江大橋23號橋墩被船撞擊，22號和24號橋墩隨后倒塌，200米橋面墜入江中，致使4輛汽車墜入江中，事故導致7人死亡，2人下落不明，成為新中國成立以來最大的坍橋事故。事故發(fā)生后，引起廣東省地震局黨組的高度重視，隨即組織技術人員對事故進行了思考和分析，提出盡快開發(fā)出一套具備橋梁強震動監(jiān)測及碰撞報警功能的軟硬件系統(tǒng)，并與廣東省相關主管部門就“在廣東省內(nèi)有條件的橋梁上設置強震動監(jiān)測設施”事宜開展溝通協(xié)調(diào)。事情經(jīng)過近一年的推進，廣東省交通廳于2008年3月5日，向省地震局、各地市以上市公路局、廣州市建委及省內(nèi)有關路橋公司等部門，發(fā)出了“關于在我省特大橋梁上設置強震動監(jiān)測設施的通知”。通知明確規(guī)定：廣東省公路橋梁主跨150米以上，跨江海、河流的特大橋，按照“統(tǒng)籌實施，分步推進”的原則，設置強震動監(jiān)測設施。先期開展虎門大橋等4座大橋的強震動監(jiān)測工作，在總結經(jīng)驗的基礎上，再在全省特大橋梁全面推廣強震動監(jiān)測工作?！皹蛄簭娬饎颖O(jiān)測與報警系統(tǒng)”的軟硬件開發(fā)工作隨即全面開展。

項目研究內(nèi)容

研制多通道強震動數(shù)據(jù)采集器。

開發(fā)橋梁強震動監(jiān)測報警系統(tǒng)軟件。

項目研究目標

研制出一臺多通道強震動數(shù)據(jù)采集器和一套橋梁強震動監(jiān)測報警系統(tǒng)軟件并進行系統(tǒng)集成，實現(xiàn)橋梁地震反應專用臺陣的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)實時處理和交互分析等功能，達到對橋梁健康監(jiān)測、安全診斷和震動報警的目的。

“6?15”九江大橋坍橋事故現(xiàn)場

系統(tǒng)功能指標

多通道強震動采集器具備以下功能指標：

?單臺設備支持48通道的數(shù)據(jù)信號輸入，可擴容到96通道信號輸入。

?采用了經(jīng)濟型的搭建方式，使用數(shù)字抗混疊濾波器，采集精度達16位分辨率，動態(tài)范圍90 dB，可升級到24位分辨率、120 dB動態(tài)范圍，采樣速率支持到250 SPS。標配單分向、兩分向、3分向DC-80 Hz頻響、120 dB動態(tài)范圍甚至更高的加速度計。

?在實時RT設計上，具備IIR-A、CLASSIC STRONG MOTION、IIR-C三種觸發(fā)濾波器和多種采集觸發(fā)策略。結合FPGA設計，具備標定信號的多路轉換控制。

?具備實時數(shù)據(jù)的MiniSEED格式壓縮封裝，并能夠按照NetSeis/ IP協(xié)議，無縫接入國內(nèi)地震行業(yè)“區(qū)域地震臺網(wǎng)常規(guī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)JOPENS”的地震數(shù)據(jù)流服務器。

?多通道數(shù)據(jù)采集器的上位機軟件，具備遠程波形數(shù)據(jù)實時計算（包括最大加速度、最小加速度、均值加速度、峰值加速度、均方根、sigma等）、強震動報警、遠程參數(shù)設置、本地記錄、遠程記錄、遠程標定、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)的FFT分析、STFT分析等功能。

?支持數(shù)據(jù)非壓縮傳輸。

?能顯示設備的系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS狀態(tài)、秒脈沖狀態(tài)、報警狀態(tài)、硬盤和內(nèi)存空間使用情況等。

?支持大容量的存儲空間，可外掛1T容量的硬盤、10/100 BaseT以太網(wǎng)口、設備防塵防雨等級IP65、設備適應-40～70℃溫度及5%～95%工作濕度、適合9～18V供電等。

橋梁強震動監(jiān)測報警系統(tǒng)軟件具備以下功能：

?能對多座橋梁地震臺陣數(shù)據(jù)進行匯集。

?能對多座橋梁地震臺陣進行后臺數(shù)據(jù)實時處理（峰值加速度計算、CoC矩陣計算、反應譜分析等）、前臺數(shù)據(jù)交互分析。

?能對多座橋梁地震臺陣進行數(shù)據(jù)存儲。

?能對多座橋梁地震臺陣進行準實時震動狀況監(jiān)測、安全診斷及報警。

多通道強震動數(shù)據(jù)采集器

成果應用情況

目前，項目成果已經(jīng)在廣東省佛開高速公路有限公司的“佛開高速九江大橋強震動監(jiān)測和警報系統(tǒng)”工程項目、廣東虎門大橋有限公司的“虎門大橋強震動監(jiān)測和警報系統(tǒng)”工程項目、廣州珠江黃埔大橋建設有限公司的“黃埔大橋強震動監(jiān)測和警報系統(tǒng)”工程項目、新豐江大壩地震反應專用臺陣升級改造項目、湖北省地震局地震工程研究院水庫大壩監(jiān)測等項目中得到應用。還擬定了下一步在汕頭礐石大橋地震反應專用臺陣和汕頭國際隔震試驗樓臺陣等項目中的應用方案。

橋梁強震動監(jiān)測報警系統(tǒng)軟件報警界面

自從2012年11月本項目成果在河源新豐江水庫大壩地震反應專用臺陣上使用以來，記錄了大量震級在M 1.5到M 2.5的地震，其中記錄最大的地震事件是2013年2月22日11時34分發(fā)生在河源的M 4.8地震，取得了新豐江大壩強震動觀測史上最有價值的數(shù)據(jù)?！笆晃濉币詠恚撆_陣使用的是國外進口設備，由于設備的不穩(wěn)定和故障原因，漏記了多次有價值的地震事件，而本項目研制出的設備，在試運行時便采集到了很多有價值的數(shù)據(jù)。項目成果在佛開高速九江大橋、虎門大橋、廣州珠江黃埔大橋等橋梁臺陣上部署以來，也記錄了大量的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行峰值加速度分析、快速傅立葉變換、窗口傅立葉變換、反應譜的計算和繪圖，得出了這些橋梁關鍵部位的峰值加速度、頻率分布情況、橋面地震響應及傳遞函數(shù)和橋梁的振動周期等，效果明顯。

成果主要效益

“橋梁強震動監(jiān)測報警系統(tǒng)”的研制成功，可以實時監(jiān)測橋梁結構受震動狀況并進行地震事件或碰撞事件的實時報警；可以獲得橋梁結構模態(tài)變化數(shù)據(jù)，為判斷橋梁健康狀態(tài)提供依據(jù)；可以捕獲寶貴的強震時程數(shù)據(jù)，服務于橋梁工程抗震設計。該系統(tǒng)在國內(nèi)多通道強震監(jiān)測應用上處于領先水平，其中數(shù)據(jù)采集器在性能和功能上，已經(jīng)超越了進口設備，總體上使我們擺脫對進口設備昂貴的費用負擔和技術牽制，將開創(chuàng)科學儀器技術創(chuàng)新格局，并向產(chǎn)業(yè)化方向邁進，力促經(jīng)濟指標上一個臺階。

廣東省交通廳粵交基函〔2008〕407號文件要求，對我省公路橋梁主跨150米以上，跨海、河流的特大橋，按照“統(tǒng)籌實施，分步推進”的原則，設置強震動監(jiān)測設施。當前，已經(jīng)在廣東省4座特大型橋梁上設置的強震動監(jiān)測設施，使用了本項目的研究成果。據(jù)2007年的統(tǒng)計結果顯示，僅廣東橋梁（縣道以上）就達3.6萬余座。其中一類橋（完好、良好狀態(tài)）5935座，占40.89%，特大橋梁上百座，其他省份知名的特大橋梁數(shù)目也非常多。本項目研究成果的應用數(shù)量按保守估計每年10套計算，預計投入成本300萬元人民幣，可實現(xiàn)銷售收入600萬元人民幣，具有非常好的市場前景。

根據(jù)國務院2004年第409號令的要求，重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結構均要設置強震動監(jiān)測設施。本項目的研究成果，可進一步應用到其他重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結構上，將獲取豐富的結構抗震性能信息、提高結構分析和設計水平，將能實時地對工程建筑結構物的健康進行診斷。特別是在遇到突發(fā)性震動破壞事件時，能對重大工程、生命線工程實行監(jiān)測報警，及時采取應急措施，進而減輕突發(fā)性破壞事件造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡。

后續(xù)發(fā)展

項目的后期，依托中國地震局地震監(jiān)測與減災技術重點實驗室和廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室的平臺資源，重點實驗室的其他科研小組在早期項目成果的基礎上，開展了后續(xù)開發(fā)，重點是基于B/S框架開發(fā)了大型橋梁振動數(shù)據(jù)分析信息系統(tǒng)軟件，冠名“大型橋梁地震安全性在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)”。

建設的主要內(nèi)容如下：

1.基于瀏覽器端開發(fā)符合用戶需求的大橋振動數(shù)據(jù)監(jiān)測與評估系統(tǒng)應用，主要功能包括監(jiān)測系統(tǒng)介紹與參數(shù)設置、報警模塊、數(shù)據(jù)瀏覽、多指標融合分析及仿真五部分；

2.開發(fā)與瀏覽器端系統(tǒng)相匹配的WEB后臺管理系統(tǒng)，主要功能包括數(shù)據(jù)自動處理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理三部分。

基于B/S架構的報警模塊

未來展望

項目在立項時，重點的服務對象是“大型橋梁”，因此軟件的很多功能指標是針對橋梁而開發(fā)，缺乏普適性。但項目在總體設計規(guī)劃時，其頂層設計是考慮了能采集并匯集生命線工程（機場、港口、燃氣樞紐、供水管道、海洋平臺等）、超高層建筑（電視塔、商務中心等）和特殊結構（地鐵、新型橋梁、大壩、核電站等）等強震動監(jiān)測設施的數(shù)據(jù)的，后期尚需針對不同的觀測對象，開發(fā)出相應的數(shù)據(jù)處理功能模塊，使得強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)具有更好的通用性，以滿足防震減災和社會經(jīng)濟發(fā)展的需求。