王 艷

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 719300)

0 引言

隨著經(jīng)濟和社會的迅速發(fā)展，我國對大跨度橋梁的需求逐漸增加。大型橋梁往往會受到重量超載、自然環(huán)境的破壞、重大交通事故等威脅，當前的橋梁管理常常涉及建筑物表面的定期檢查與維護，橋梁內(nèi)部構(gòu)造的損傷與臨界反應(yīng)通常發(fā)生在難以觸及或隱秘的角落。所以，監(jiān)控大型橋梁的整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)是當前最為重要的工作。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與逐漸成熟，我國對橋梁的綜合實時監(jiān)測已成為當下研究的熱點。

1 萬物互聯(lián)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是利用先進的感應(yīng)技術(shù)、無線傳播技術(shù)、云操作以及人工智能技術(shù)將物體連接到互聯(lián)網(wǎng)上。在物聯(lián)網(wǎng)中，建筑物可以在沒有人為控制的狀態(tài)下順利開展通信工作，全面實現(xiàn)建筑物之間的自動識別與信息共享等目的。即使以往的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)已歸屬到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容中，但是受到傳統(tǒng)的無線通信、感應(yīng)監(jiān)測、人工智能等技術(shù)的發(fā)展制約，該系統(tǒng)仍有很多方面與如今的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)存在著不同之處，例如在橋梁架構(gòu)初期設(shè)計、感應(yīng)采集、數(shù)據(jù)傳輸與處理等方面存在較大差異[1]?；谛滦臀锫?lián)網(wǎng)技術(shù)全方位的迅速發(fā)展，當前的物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)控系統(tǒng)正在不斷完善與優(yōu)化。

支撐物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的背后其實是一整套成熟的技術(shù)，而這一技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)軟件需要感應(yīng)器、數(shù)據(jù)傳送與加工、數(shù)據(jù)收集、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及數(shù)據(jù)分析來實現(xiàn)，以往復雜的開發(fā)過程被最大程度地優(yōu)化減少，大大降低了設(shè)備收集信息以及設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)的要求，為建筑互聯(lián)提供強有力的技術(shù)支撐。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計橋梁監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 初步設(shè)計

根據(jù)某市重要大型橋梁安全監(jiān)控的使用需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點上安裝專用傳感器，以此掌握橋梁應(yīng)用狀態(tài)情況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、高靈活性、高效率等優(yōu)勢特征，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場景的監(jiān)控。所以，低成本的傳感節(jié)點可以廣泛部署在大型橋梁上，確保收集到的數(shù)據(jù)有足夠的深度和準確性，為后期研究橋梁安全性能提供基本數(shù)據(jù)支持。鑒于傳感器節(jié)點部署分散，需要不斷移動變化，研究決定采用無線多跳的方法完成數(shù)據(jù)采集的工作，此方式相對而言更加靈活。將數(shù)據(jù)匯總到某一節(jié)點之后，利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送到健康監(jiān)測云平臺中心，對橋梁安全性能進行風險評估與預判。

2.2 測量橋梁重要參數(shù)

結(jié)合橋梁實際交通荷載和結(jié)構(gòu)劣化狀況，首要對橋梁交通過往情況、橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變、橋梁荷載、橋梁腐蝕、橋梁裂紋擴展、溫度等性能和橋梁損耗程度進行實時監(jiān)控與測量。如圖1所示，控制識別的監(jiān)控測量標準分為環(huán)境、形變以及構(gòu)造3大類。環(huán)境類主要是指橋梁當下的實時溫度與濕度情況；形變類是指橋梁伸縮縫、橋梁支架、主體框架和橋墩的變化；構(gòu)造類是指橋梁應(yīng)變、裂紋以及振動反應(yīng)。在評價橋梁構(gòu)造狀態(tài)時，需要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)外部環(huán)境條件和信號反應(yīng)情況綜合分析，以便精準地呈現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的實際使用情況。在對橋梁安全監(jiān)測指標確定后，需依據(jù)不同種類的橋梁應(yīng)力特性，選擇最佳的測量方法、傳感器節(jié)點的布置方案和數(shù)量以及符合有關(guān)監(jiān)測標準的無線網(wǎng)絡(luò)獲取裝備。

圖1 橋梁具體監(jiān)控測量標準

2.3 核心系統(tǒng)框架

先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)智能化數(shù)字感應(yīng)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)進行初期設(shè)計。橋梁監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)在邏輯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上被分為4層：底層為傳感器網(wǎng)絡(luò)層，由溫度傳感器、濕度傳感器等和數(shù)據(jù)傳感采集節(jié)點組成，定期測量和采集各種監(jiān)測參數(shù)；第二層定義為傳輸匯集層，由擴散式無線收集點、中繼輸送節(jié)點和匯集傳輸節(jié)點組成，完成收集的數(shù)據(jù)導入遠程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作；第三層為中心數(shù)據(jù)層，由橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)保存庫構(gòu)成，能夠為橋梁健康狀態(tài)分析和橋梁危險預警提供核心數(shù)據(jù)支持；第四層為業(yè)務(wù)應(yīng)用層，以高度可視化的頁面和清晰簡單的輸出指令，完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析與研究工作[2]。利用危險預警、呈現(xiàn)和報告表等方式向管理客戶端提供橋梁運行狀況監(jiān)控信息。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

2.4 實現(xiàn)各模塊應(yīng)用

2.4.1 控制數(shù)據(jù)收集

將數(shù)據(jù)采集模塊劃分為數(shù)據(jù)收集節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點和數(shù)據(jù)匯集節(jié)點3個子模塊，其中數(shù)據(jù)收集節(jié)點由感應(yīng)器模塊和通信模塊構(gòu)成，如圖2所示。感應(yīng)器模塊作為整個橋梁監(jiān)測體系的核心環(huán)節(jié)，主要是對需要改善橋梁使用狀態(tài)進行監(jiān)測。感應(yīng)器模塊利用感知監(jiān)控對象的關(guān)聯(lián)性能的變化，將測量信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號，進而中斷相關(guān)處理器，在對上述收集信息完成預處理的過程中進行有效終止。系統(tǒng)上電后，芯片將對硬件和系統(tǒng)完成初始化任務(wù)，并申請?zhí)砑拥骄W(wǎng)絡(luò)中，依據(jù)掃描結(jié)果挑選適宜的通道、網(wǎng)絡(luò)信號與網(wǎng)址；下一步，啟動定時器，如果收到來自該節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)訪問請求，為該節(jié)點分配一個網(wǎng)絡(luò)號并請求答復，如果沒有則將繼續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。當定位器超時時，對接收到的有關(guān)信息進行預處理，處理后通過源路由發(fā)現(xiàn)技術(shù)將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳到中繼傳輸節(jié)點進行節(jié)點組網(wǎng)，并通過多跳傳輸將數(shù)據(jù)輸送到聚合節(jié)點。

由于橋梁感應(yīng)器節(jié)點分布廣泛，并依據(jù)監(jiān)控任務(wù)的變化存在一定的可疑性，所以使用中繼傳輸節(jié)點對被監(jiān)測橋梁進行無線覆蓋，使其達到傳感器節(jié)點的傳輸要求。在此過程中，由于中繼節(jié)點通常位移位置較小，節(jié)點之間的路由變化較小，因此采用源路由方法形成網(wǎng)絡(luò)，以降低節(jié)點路徑發(fā)現(xiàn)以及節(jié)點耗能。利用中繼傳輸節(jié)點，最終將數(shù)據(jù)輸送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對采集到的數(shù)據(jù)進行后期處理并壓縮后傳送到相關(guān)數(shù)據(jù)平臺。

2.4.2 整理橋梁數(shù)據(jù)

橋梁數(shù)據(jù)管理中心主要任務(wù)是對橋梁監(jiān)測出的數(shù)據(jù)進行保存，并在大數(shù)據(jù)庫中廣泛分布，為上一層業(yè)務(wù)需求提供有效數(shù)據(jù)。橋梁數(shù)據(jù)管理中心包括兩個數(shù)據(jù)庫，橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)庫以及橋梁實時數(shù)據(jù)分析庫。利用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺的支持，橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)庫需要對不同橋梁節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)傳感數(shù)據(jù)進行存儲，如各個橋梁的不同環(huán)境參數(shù)等。

2.4.3 檢測系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)業(yè)務(wù)層主要是根據(jù)放置在橋梁上的感應(yīng)設(shè)備監(jiān)測到的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)，綜合判斷橋梁的安全性，并給出對應(yīng)的預警提示，最后由負責維護的人員對橋梁開展針對性的管理與養(yǎng)護。系統(tǒng)業(yè)務(wù)層的核心功能包含：提供傳感數(shù)據(jù)采集接口，獲取底層感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)采集各個單元的相關(guān)數(shù)據(jù)，并發(fā)出控制指令以更改底層感應(yīng)器單元的工作模式及有關(guān)參數(shù)；利用橋梁監(jiān)測的實際要求提供對應(yīng)的過往數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、開始數(shù)據(jù)、后處理數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果更改監(jiān)測數(shù)據(jù)列表；集成網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)終端的對接口，便于遠程實時監(jiān)測與控制。監(jiān)測系統(tǒng)將橋梁安全性能預警劃為紅、橙、黃、綠4個等級，詳細等級劃分如表1所示。

從表1可以看出，紅色和綠色是兩種極端等級。綠色代表橋梁的實時狀態(tài)較好，各部件工作運行處于正常范圍；紅色代表橋梁處在一個極其危險的狀態(tài)，需要及時對橋梁進行檢測與養(yǎng)護。余下兩層分別是橙色和黃色等級，橙色代表橋梁可能存在安全隱患，需要對橋梁進行日常檢查；黃色代表橋梁處在危險環(huán)境中，也許是橋梁上的某一個部件發(fā)生損壞，需要進行適當?shù)木S修。

為能夠準確、有效地檢測到橋梁的健康狀況，監(jiān)測系統(tǒng)針對上述4種狀態(tài)設(shè)定相應(yīng)的閾值，當監(jiān)測結(jié)果大于設(shè)置的閾值時，將自動進入應(yīng)對處理環(huán)節(jié)，以保證橋梁的正常運行。研究分析表明，橋梁在正常工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)監(jiān)測位置與理論值大致一樣，以此可以根據(jù)理論數(shù)值計算出綠色狀態(tài)的閾值范圍[3]。在實際應(yīng)用狀態(tài)下，該狀態(tài)的下限和上限分別設(shè)置為設(shè)計荷載效應(yīng)的0.95倍和1.05倍；對于紅色狀態(tài)的閾值，下限值和上限值分別設(shè)為設(shè)計負載效應(yīng)的1.25倍和1.3倍；至于中間的兩種狀態(tài)，橙色和黃色采用以往的經(jīng)驗進行閾值設(shè)定，閾值的下限和上限分別設(shè)為設(shè)計荷載效應(yīng)的1.05倍和1.15倍。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)安全預警分級詳列

在整個橋梁檢測系統(tǒng)中，放置在橋梁上的所有感應(yīng)裝置全天都是準備工作狀態(tài)，系統(tǒng)對感應(yīng)器收集到的實時數(shù)據(jù)進行加工處理。將數(shù)據(jù)與相應(yīng)的閾值做比較，判斷橋梁的當前工作狀態(tài)，以及判斷橋梁當前是否存在過載狀態(tài)，并對橋梁做出對應(yīng)的預警處理。一般而言，在產(chǎn)生預警后推送預警信息的方式有兩種，即自動彈出系統(tǒng)控制頁面與推送到維修工作人員的手機上。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下橋梁監(jiān)測現(xiàn)場管理與維護

3.1 橋梁監(jiān)測管理

橋梁監(jiān)測點是對橋梁與監(jiān)測范圍之間的監(jiān)測通道進行管控工作，需要進行以下功能傳輸：傳感器的相關(guān)配置應(yīng)符合檢測因子和拓撲結(jié)構(gòu)等。具體來說，當傳感器出現(xiàn)故障后，操作者能夠在后臺重新完成配置；當橋梁外部溫度、實際應(yīng)力、位移振動等監(jiān)測點發(fā)生變化時，后臺服務(wù)器需要被監(jiān)測平臺重新配置；依據(jù)實際的監(jiān)測情況，當下需要重新選擇監(jiān)測放置點，完成拓撲管理以實現(xiàn)最優(yōu)的監(jiān)測成果[4]。

3.2 監(jiān)測現(xiàn)場維修

在對橋梁進行監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)橋梁可能患有危險因素，監(jiān)測系統(tǒng)需立即通知橋梁維修人員對橋梁狀態(tài)開展檢測與維護等工作。維修人員使用手持終端系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心相連接，需要對檢測系統(tǒng)危險預警狀況現(xiàn)場定位分析。客戶端應(yīng)用程序與站點目標設(shè)備的連接過程包括：首先，檢查終端是否能夠使用藍牙無線通信、是否處于藍牙模式；其次，需要查詢客戶端與本地藍牙調(diào)配器的連接記錄，假如在過往連接記錄中找到目標設(shè)備，那么可以直接完成配對，反之，需要重新搜索目標設(shè)備并連接設(shè)備；最后，橋梁配對成功后，維修人員根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和診斷提示對橋梁開展相關(guān)維護工作。

4 結(jié)語

本文充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特征優(yōu)勢，與橋梁自身的特點和使用需求有效結(jié)合，研究并設(shè)計了一套科學智能化的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)。綜合實際使用情況表明，該系統(tǒng)可以全天有效監(jiān)測橋梁的整體健康狀態(tài)，對可視化的傳感數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究分析，為維修人員對橋梁的管理與維護提供有效數(shù)據(jù)支持。在系統(tǒng)投入使用過程中，根據(jù)長期運行的新要求，對監(jiān)測系統(tǒng)進行深入優(yōu)化完善，使系統(tǒng)在適用情況、安全穩(wěn)定運行等方面更加凸顯優(yōu)勢。