橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)分析與設(shè)計

摘 要：健康監(jiān)測是橋梁安全管理的重要內(nèi)容，其需要進(jìn)行橋梁建設(shè)、運行狀態(tài)等大量數(shù)據(jù)的采集傳輸和應(yīng)用分析。本文在闡述橋梁健康監(jiān)測作用的基礎(chǔ)上，就健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計要點展開分析，并指出監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況，期望能進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用效果，提升橋梁健康監(jiān)測質(zhì)量，進(jìn)而在保證橋梁穩(wěn)定、安全的基礎(chǔ)上，推動橋梁工程的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;健康監(jiān)測;采集傳輸系統(tǒng);應(yīng)用

中圖分類號：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

橋梁工程項目建設(shè)及使用在加強(qiáng)其與聯(lián)系，帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。新時期，人們對于橋梁使用的穩(wěn)定性、安全性提出了較高要求，有必要在使用階段開展起來健康監(jiān)測工作。新時期，規(guī)范設(shè)計并使用橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，能通過全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為橋梁健康監(jiān)測工作開展有效參考和支撐，提升橋梁使用的整體效益。

1 橋梁健康監(jiān)測的作用

橋梁結(jié)構(gòu)安全直接關(guān)系著交通出行的效率和質(zhì)量，對于出行人員安全具有深刻影響?；诖?，在橋梁使用階段，應(yīng)重視橋梁健康監(jiān)測工作的開展。一方面，自橋梁建成通車后，除溫度、濕度、風(fēng)速等自然環(huán)境外，交通荷載、剛硬度物質(zhì)磕碰等都會對橋梁的應(yīng)用效果和使用年限造成影響，引起公路橋梁結(jié)構(gòu)老化和性能退化，這嚴(yán)重地影響了橋梁使用的安全性，有必要及時進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測管理。另一方面，從橋梁健康監(jiān)測過程來看，其不僅需要進(jìn)行橋梁上溫度、濕度、撓度、索力監(jiān)測，而且需要進(jìn)行橋梁傾角、應(yīng)變、位移、振動等參數(shù)的收集，將這些數(shù)據(jù)實時性的傳輸?shù)椒?wù)平臺，然后基于大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行這些海量數(shù)據(jù)的處理，并根據(jù)相應(yīng)的閾值對其進(jìn)行預(yù)警及分析評估，能使得橋梁使用始終處于受控狀態(tài)，這對于提升其的穩(wěn)定性、安全性具有積極作用[1]。

2 橋梁健康監(jiān)測頂層設(shè)計思路

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸中，需重視監(jiān)測內(nèi)容的精準(zhǔn)把控，確保健康監(jiān)測內(nèi)容的全面性?，F(xiàn)階段，公路橋梁健康監(jiān)測包含荷載、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等要素的監(jiān)測。其中在橋梁荷載監(jiān)測中，除風(fēng)荷載、溫度荷載、徐變外，需重視腐蝕、交通荷載的系統(tǒng)監(jiān)控;而在橋梁結(jié)構(gòu)特性監(jiān)測中，靜態(tài)影響系數(shù)、整體動態(tài)特定是兩個主要的監(jiān)測內(nèi)容，此外橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)包含了幾何形狀、索力、應(yīng)變和應(yīng)力分布狀況的監(jiān)測[2]。

2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

一個完整橋梁監(jiān)測系統(tǒng)不僅包含傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，而且涉及數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)、橋梁健康評估系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的采集傳輸具有深刻影響。本研究中，重點分析橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)到數(shù)據(jù)采集傳輸階段的應(yīng)用情況。期望能為后期監(jiān)測數(shù)據(jù)信號調(diào)理、濾波和A/D轉(zhuǎn)換分析提供有效參考。

在橋梁健康監(jiān)測傳感器系統(tǒng)、采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性?；趥鞲衅鲬?yīng)用，在數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計中，首先應(yīng)考慮系統(tǒng)的容錯性，即在系統(tǒng)某個硬件發(fā)生故障后，其與的功能模塊仍能穩(wěn)定運行。其次新設(shè)計的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)用哪個具有自啟動、自恢復(fù)功能，且能實現(xiàn)數(shù)據(jù)過載問題的有效防控。同時在系統(tǒng)斷電時，要求不間斷凈化電源仍然能夠持續(xù)工作，并且工作的時間不少于24 h。最后出于橋梁健康監(jiān)測全面性、準(zhǔn)確性考慮，要求重視健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸及后續(xù)分析系統(tǒng)的分布式布局，在分布式監(jiān)測中提升健康監(jiān)測的整體性能，保證橋梁使用的安全性。

3 基于橋梁健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計

3.1 傳感器系統(tǒng)

傳感器的布置及使用是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)幕A(chǔ)前提，在傳感器布置設(shè)計中，應(yīng)深刻認(rèn)識傳感器的功能，合理使用傳感器監(jiān)測方法，并進(jìn)行傳感器布置形態(tài)的設(shè)計。

3.1.1 傳感器作用及監(jiān)測方法

傳感器在橋梁各部分荷載、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測中起到至關(guān)重要的作用。基于傳感器的使用，能實現(xiàn)前使用中多元性能指標(biāo)的有效監(jiān)控。現(xiàn)階段，橋梁健康監(jiān)測中傳感器的使用形態(tài)多樣，除超風(fēng)速監(jiān)測儀、溫濕度監(jiān)測傳感器外，傾斜儀、位移傳感器、水準(zhǔn)儀等都是較為常見的傳感器類型。各種類型傳感器作用及監(jiān)測方法有一定差異。以溫濕度監(jiān)測傳感器而言，其旨在了解橋梁使用區(qū)域的溫濕度變化情況，并掌握橋梁主要構(gòu)件溫度及溫度梯度情況。在具體監(jiān)測中，應(yīng)使用連續(xù)監(jiān)測方法，按照0.02 Hz的頻率進(jìn)行監(jiān)測，并且應(yīng)將該傳感器就近接入串口服務(wù)器，實現(xiàn)RS485/232信號的有效輸出。而在位移傳感器監(jiān)測中，應(yīng)通知實時連續(xù)監(jiān)測點處的位移情況，實現(xiàn)主梁、橋塔縱橫向位移的準(zhǔn)確把控，位移傳感器的采樣頻率需保持在10 Hz。此外應(yīng)通過水準(zhǔn)儀連續(xù)性地進(jìn)行梁體與大地相對位移的監(jiān)測[3]。

3.1.2 傳感器布置形態(tài)

使用傳感器的目的在于精準(zhǔn)化的獲取橋梁使用過程中的狀態(tài)信息，確保橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性、安全性。但是結(jié)合實際情況可知，在橋梁使用監(jiān)測中，于所有自由度上安裝傳感器是不現(xiàn)實的，這主要是受到了傳感器應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益的影響?；诖?，在橋梁健康監(jiān)測中，應(yīng)注重傳感器布置方式的優(yōu)化。其一，在荷載監(jiān)測中，要求將傳感器設(shè)置在有利于掌握交通荷載強(qiáng)度極限狀態(tài)的區(qū)域，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力等指標(biāo)參數(shù)的有效監(jiān)測。其二，針對特殊部位實施監(jiān)測時，要求布置得傳感器便于計算、分析構(gòu)件的工作狀態(tài)。其三，應(yīng)在橋梁危險及易損構(gòu)件區(qū)域布置傳感器，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)損傷情況的有效分析。其四，在傳感器布置中，應(yīng)確保所布置的傳感器處于橋梁各性能參數(shù)變化的敏感區(qū)域，并且監(jiān)測的數(shù)據(jù)能為后期橋梁狀態(tài)分析提供有效支撐，有利于數(shù)據(jù)分析模型的建設(shè)和應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)分類

為實現(xiàn)橋梁健康狀況的有效監(jiān)測，在數(shù)據(jù)采集傳輸階段，首要任務(wù)就是設(shè)計與橋梁使用及健康監(jiān)測相匹配的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?，F(xiàn)階段，集中式、分布式是橋梁健康監(jiān)測中數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膬煞N基本形態(tài)。

就集中式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)而言，其主要是通過一臺計算機(jī)來完成數(shù)據(jù)采集和傳輸，但是這種方式的可靠性較差，即當(dāng)計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障后，橋梁健康監(jiān)測整體系統(tǒng)將停止工作，并且在同一臺計算機(jī)中，難以實現(xiàn)多個物理量的系統(tǒng)處理?；诖?，集中式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用較少。現(xiàn)階段，分布式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測中應(yīng)用廣泛，其不僅包含數(shù)據(jù)采集單元、遠(yuǎn)程計算機(jī)系統(tǒng)，而且涉及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用等單元。借助分布式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，能在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支撐下，形成單元獨立、整體關(guān)聯(lián)的資源共享系統(tǒng)，這對于橋梁健康數(shù)據(jù)的采集傳輸具有積極作用，有效地保證了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)男省Ｍ瑫r基于分散式的數(shù)據(jù)采集和傳輸，能在系統(tǒng)功能分散的基礎(chǔ)上，降低系統(tǒng)的負(fù)載，這對于降低數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)危險性、保證橋梁健康監(jiān)測安全可靠性具有積極作用。此外從長遠(yuǎn)發(fā)展角度來看，分布式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)能基于較高的操作系統(tǒng)和統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行信息的交換管理，滿足橋梁健康監(jiān)測實際需要。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)性能設(shè)計

新時期，要進(jìn)一步提升橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸效果，還應(yīng)注重該系統(tǒng)性能指標(biāo)的系統(tǒng)優(yōu)化。即在完成健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計后，應(yīng)確保該系統(tǒng)能滿足橋梁健康監(jiān)測的具體要求，同時數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)本身應(yīng)具有操作性更好的特點，即系統(tǒng)本身應(yīng)具有便于使用和維護(hù)的特征。此外，在分散式數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)設(shè)計中，還應(yīng)注重系統(tǒng)通用性和可擴(kuò)充性能力的設(shè)計，最大限度地提升數(shù)據(jù)采集的靈活性。值得注意的是，在保證數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)注重該系統(tǒng)設(shè)計周期、經(jīng)濟(jì)效益等因素的控制，確保橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)具有最佳的性價比。

3.2.3 采集傳輸系統(tǒng)總線設(shè)計

規(guī)范化地進(jìn)行采集傳輸系統(tǒng)總線設(shè)計，能實現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器、采集傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、健康評估系統(tǒng)的有效銜接;這對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸和應(yīng)用具有積極作用。現(xiàn)階段，PXI總線系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，從應(yīng)用效果來看，在32位機(jī)中，PXI總線的帶寬可達(dá)到132 Mb/s，而在64位機(jī)中，其帶寬可達(dá)到264 Mb/s?；谠摽偩€形成全新的虛擬儀器體系，能有效滿足健康監(jiān)測系統(tǒng)各種復(fù)雜的觸發(fā)協(xié)議，這對于觸發(fā)信號的傳遞具有積極作用。

3.2.4 數(shù)據(jù)采集傳輸

橋梁健康監(jiān)測中，數(shù)據(jù)采集傳輸包含了模擬信號、非模擬信號的采集和傳輸。在模擬信號采集傳輸中，首先應(yīng)注重數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)范選擇，優(yōu)選具有較高分辨率和采集效率的數(shù)據(jù)采集卡，然后進(jìn)行定時同步模塊的選擇，為橋梁荷載、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等參數(shù)的采集傳輸?shù)於己脳l件。最后在PXI控制器應(yīng)用的基礎(chǔ)上，應(yīng)重視信號調(diào)理模塊的選擇，采用不同的調(diào)理設(shè)備對信號進(jìn)行調(diào)理，確保采集的信號滿足數(shù)據(jù)傳輸需要。而在非模擬信號闡述中，光纖光柵傳感器、錨索計信號采集是兩種主要的信號采集方式，針對這兩種數(shù)據(jù)采集方式，應(yīng)基于PXI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為后期數(shù)據(jù)分析應(yīng)用和橋梁健康狀況評估奠定良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用對于橋梁健康監(jiān)測整體效益具有深刻影響。新時期，人們只有充分認(rèn)識到橋梁健康監(jiān)測的作用，在健康監(jiān)測系統(tǒng)頂層設(shè)計的基礎(chǔ)上，深化數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用，這樣才能準(zhǔn)確掌握橋梁使用荷載、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，實現(xiàn)橋梁健康的有效評估，進(jìn)而推動橋梁工程的持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展。

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作者簡介：楊立新（1990—），女，吉林長春人，碩士研究生，研究方向：橋梁隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析。