在役桥梁健康监测与状况评估系统设计与应用

桥梁设计的使用寿命往往有几十年或上百年，在桥梁漫长的服役过程中，动静荷载、腐蚀物质以及材料老化等各种人为或天然的因素，影响着桥梁的“健康”。随着时间的推移，桥梁结构出现损伤，其承载能力、弹性强度和刚度不可避免地变差。因此，需要对桥梁进行健康监测和状况评估，以便能够及时发现桥梁结构存在的安全隐患，避免造成重大的人员和经济损失。为了实时获取桥梁状况信息，做出及时的安全评估与预警，设计一款经济实用、稳定可靠、智能科学的在役桥梁健康监测与状况评估系统显得十分有必要。


健康监测系统由多个子系统组成，具体为传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统、数据库子系统、数据处理与控制系统、结构状况评估与预警子系统，通过各层相互协调，实现系统的各种功能。


传感器子系统是保障数据准确可靠的基础，根据桥梁的桥型、结构特点、相关监测理论及标准，以及环境情况，结合当下传感器技术的发展情况，选择合适的传感器，要保障由不同类型传感器组成的传感器子系统。在恶劣的环境下，仍然能够实时提供真实、可靠的监测数据。


数据采集子系统能够初步诊断传感器子系统提供的数据，能够快速地分辨出传感器提供的信息是否有异常，帮助找到出现损坏或失效的传感器的位置。此外，由于系统的结构状况评估与预警子系统遵循的实时数据采集制度，这样得到的数据量大、信息量多，不可避免地会有很多冗余信息。如何从海量信息中筛选出有意义的信息，如何进行采集数据的数据优化，是结构的安全监控预警的重要源头部分。针对桥梁的实时监测功能，系统设计时考虑了优化采集情况，即具有定时间段采集以及定阈值采集。数据采样时间、采样长度可以根据实际情况灵活设置，多条件触发采样参数有触发逻辑和各通道的触发阈值设置。


光纤、GPRS/3G/4G和无线网桥是数据传输子系统的常用通讯方式。GPRS/3G/4G常用于监测场所有手机信号覆盖的情况；当现场无手机信号，或是像视频数据这样的大流量数据时，则采用光纤传输；而无线网桥通讯方式，适用于传输距离不超过9千米并且监测场地和监控中心可通视的情况。根据情况的不同，选择的数据传输方式也会有所不同。


数据库子系统主要用于数据的存储，数据库子系统能对数据进行管理和操作，包括数据的增删改查等。数据库的使用需要谨慎处理，因此设置有权限管理，需要分配专门的人员特定的权限，对数据进行有效的使用。


数据处理和控制子系统主要实现对数据的分析、处理及数据可视化的展现。信号在采集前与采集后均可进行数据处理，其中包括：信号实时可视化显示、数字滤波；数据采集设定、幅域统计；时域、频域分析以及数据的相关性分析等。


结构状况评估与预警子系统是通过监测关键参数的变化及变化趋势，在应力和应变等达到限值、结构状况出现异常的时候发出预警信息。预警级别按工程风险由小到大分为四级：蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警。桥梁健康监测工作人员能够根据系统的预警提示进行分析与咨询，及时对不稳定结构或可能出现失稳的结构采取一定的治理措施进行防治，防止灾害的发生或扩大，减少损失。