桥梁健康监测系统的建立方法

一、概述

建立桥梁健康监测系统不仅仅只需要考虑检测指标、设备类型两方面。还应该根据不同的桥梁结构类型，选择合理的位置安装传感器，是传感器测得的数据能够真实的反映桥梁的结构状况。同时，桥梁监测数据的传输也是桥梁健康监测系统需要考虑的问题。比如，根据传感器的数据大小的不同，可以选择使用3G、4G或者有线传输。以上提到的几方面都是一个桥梁健康监测系统建立中必然涉及到的环节。而且，桥梁健康监测系统还需要有良好的用户界面，使用户能够直观的掌握桥梁的技术状况。

二、监测设备、设施的选型原则

每一座桥梁无论其结构多么简单或复杂，从设计角度而言，都有其自身受环境及荷载影响而产生形变或损伤的关键部位，这些关键部位恰恰是我们在桥梁健康监测过程中所必须关注和把握的重要环节。首先从桥梁结构来说，桥墩、桥塔、主梁、缆索等是桥梁本身的关键部位，同时，也是受环境和荷载影响较大而造成桥梁损伤的要害部位。从建筑材料来说，目前特大型和复杂组合型桥梁基本都是以钢筋、混凝土为主，辅以其它建筑材料，受环境影响程度较大。当然，识别一座桥梁是否需要建设健康监测系统，其规模大小、结构复杂程度、建筑材料如何并非是唯一标准，还要综合考虑其重要程度（政治意义）、地理环境、人文环境等因素，但是，只要建设桥梁健康监测系统，则上述两方面因素是作为传感器等监测设备选型及部署位置必须给以考虑的。

此外，桥梁健康监测系统是一个长期使用的系统，肩负着感知桥梁结构受力、环境状况、突发事故等信息的重任，同时也为桥梁管养单位提供养护、维修等决策的数据依据。感知数据的连续性，准确性等等影响着对桥梁结构状况的判定，因此，准确的，连续的状态感知数据采集及传输对于健康监测系统来说就是必须满足的条件。桥梁状态感知传感器属于精密设备，安装在桥梁结构表面，有些还会安装在特殊位置，在使用过程中难以避免出现故障、损坏、丢失等情况，而且设备在使用一定时间后还需要校准。在传感器出现故障、损坏、丢失等情况的时候，我们需要对传感器进行维修或更换，所以桥梁健康监测系统要具备设备的可更换性，在更换设备后能够使系统继续稳定运行。

而且，桥梁健康监测系统的设计使用年限较长，在选择健康监测传感器的时候要考虑到这个因素，选择的设备要具备一定的先进性，在桥梁健康监测系统服役期间不能被市场淘汰，导致设备一旦出现故障而无法更换，同时，传感器的测试原理也应该选择发展成熟、先进的技术，使桥梁健康监测系统具有一定的前瞻性。

从以上几点可以总结出，桥梁健康监测系统应具有稳定、连续的数据来源，传感器要能够识别各种桥型的结构状态，同时，设备还要具有可更换性、技术先进性等，所以，桥梁健康监测设备的选型原则还应满足如下要求：

1.稳定性：长期监测用传感器及设备必须具备长期稳定性，应保证在使用期限内传感器的量程、精度、线性度等指标不发生变化。避免由于设备自身的变化带来安全评估的错误信息。在高、低温、潮湿、污垢等自然环境下保持正常稳定的工作。

2.可更换性：作为电子产品，测试传感器以及采集设备的寿命肯定难以与百年大计的桥梁平齐，既然设备存在坏的可能性，那么在选择设备，以及进行设备安装时应该考虑可更换性。既要保证设备的可更换性，还需要保证测试数据的连续性。

3.适用性：设备的选择应选取合适的量程、精度等指标，不能比结构测试的要求低，也不必强求高精度，应根据实际情况选择合理的指标，以保证最优的性价比。

4.耐久性：由于桥梁工作环境较为复杂，在此环境下，选择的设备应该具有防雷、防尘、防潮等功能。

5.先进性：由于桥梁结构安全监测是长期的工作，选择的监测设备也应该具有一定的先进性，以保证设备能在长时间内属于较为先进的测试手段，另外作为物联网应用示范工程这样有影响的项目，在测试技术上也应保持一定的先进性。

6.一致性：传感器的数据传输模式要保持一致，或者经过采集仪的转换，转换后的数据模式要与其他设备的模式保持一致。

三、桥梁健康监测设备、设施的布置

监测设备、设施的位置分布对于不同的桥梁，其监测设备、设施的位置分布主要取决于自身的主体结构形式及其设计荷载。实际上作用在桥梁结构上的荷载十分复杂，我们在选择监测设备、设施的位置分布时，应以保证所有重要结构部位以及对桥梁损害较大的荷载都必须监测到。在满足这些条件下，则须充分考虑健康监测系统的总体造价问题，从密度分配到非重点部位等，就没有必要一味追求大而全，进而达到降低成本的目的。

就监测设备的测点布设而言，不同的桥梁结构型式、不同的桥况(包括桥位处环境条件、地质条件、运营荷载情况、结构的病害情况等)应采用不同的测点布设方案。结合桥梁监测系统监测指标的需要，在监测设备布置过程中应遵循的原则有：

1.应使所选监测设备能够监测到用来识别桥梁常见损伤的各类信号，并能够在桥梁所处环境下正常工作，且使得其工作范围能够达到检测所需要求；

2.各类监测设备在数目的选择上，应保证可以检测到规定程度的桥梁结构的损伤；

3.在含噪音的环境中，能够利用尽可能少的监测设备获取全面、精确的结构参数信息；

4.测得的结构响应能够与模型分析的结果建立起对应关系；

5.能够通过合理添加监测设备对感兴趣的部分结构响应进行数据重点采集；

6.测得的数据应对损伤较为敏感。

桥梁状态感知系统中设备测点布置方案的研究就是针对不同的桥梁结构型式，研究合理、适用的布置方式，以使感知设备的布置尽量满足上述原则。 对公路桥梁常用桥型，即简支梁(板)桥、连续梁(板)桥、带挂梁 T 型刚构、刚架拱桥、斜拉桥，根据不同的桥梁类型，其监测指标和监测部位应各有不同。

四、监测现场与控制中心的信息传输手段

通常情况下，监测现场所有的监测数据都已经完成数模转换，但真正的桥梁健康监测信息管理系统的管理主体还是控制中心，这就需要在第一时间将所有的监测数据传送到控制中心纳入系统管理，才能起到监测预警、及时处置的目的。在保证数据传送安全的前提下，传输方式应主要采取专用光纤或无线网桥的形式。其主要目的还是从建设成本上考虑，虽然说专用光纤相对较安全，且数据传输质量和速度有保证，但是它受传输距离、施工条件等因素影响也较大；而无线网桥形式传输数据，首先要求控制中心附近必须有不受微波通道影响，能够建立接收塔站的条件。因此，在选择数据传送方式时，必须综合考虑上述各种因素的影响程度，同时也必须从建设经费的投入上进行统筹分析，根据不同场地条件、不同的情况，采取合理的传输方式。一般说来，对于城市内部的桥梁健康监测数据传送，最好选择专用光纤，除其传送距离较短，相对施工条件较好外；还可以通过与专业通信单位联合，以租借形式配置专用数据传送光纤。这样，既可以大大降低建设成本，同时，也可以极大地缩短建设周期。而对于城市外围地区的桥梁健康监测数据传送，因其相对建筑物较稀疏，微波通道良好，从而采用无线网桥形式传输，不失为上佳选择，同时也能降低建设费用。

五、桥梁损伤识别模型的选择结构整体性评估方法可以归结为模式识别法、系统识别法以及神经网络方法三大类。结构模态参数常被用作结构的指纹特征，也是系统识别方法和神经网络法的主要输入信息。另外，基于结构应变模态、应变曲率以及其他静力响应的评估方法也在不同程度上显示了各自的检伤能力。然而，尽管某些整体性评估技术已在一些简单结构上有成功的例子，但还不能可靠地应用于复杂结构。阻碍这一技术进入实用的原因主要包括：

1）结构与环境中的不确定性和非结构因素影响；
2）测量信息不完备；
3）测量精度不足和测量信号噪声；
4)桥梁结构赘余度大并且测量信号对结构局部损伤不敏感。

桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护潍修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统对以下几个方面进行监控：桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；桥梁重要非结构构件（加支座）和附属设施（如振动控制元件）的工作状态；结构构件耐久性；大桥所处环境条件；等等。与传统的检测技术不同，大型桥梁健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。然而，现在的桥梁结构十分复杂，单纯依靠一个或一类模型就想解决所有桥梁状态评估问题，显然是不可能的，因此，桥梁损伤识别模型的选择应主要取决于该桥梁监测系统的目的是什么，在明确目的的前提下，综合分析所需要的桥梁损伤识别模型，这样才能保证所选模型可靠、合理。

五、系统软件的开发策略

虽然每座桥梁的监测手段和形式都不尽相同，但是，主要是现场所采集的数据种类、形式的不同，对于桥梁健康状况的评估，主要是根据采集的数据，运用不同的分析、评价模型即可得到桥梁自身的健康状况。因此，在系统软件开发过程中，应从以下两个方面进行控制。

1.为了能够使系统对所有现场采集的数据方便、快捷地进入数据库，首先应在系统开发时，建立一套对各种数据的分析、归类、检查、入库的处理软件平台。其目的就是针对每座桥梁不同的监测方式，所获取的监测数据，经过该平台处理后，第一保证数据顺利入库，第二能够对应选择相应的分析、评估模型，从而真正达到系统的智能化管理。这就要求在系统开发初期，对控制中心所管理范围内的桥梁病害种类、所能用到的监测方式以及相应的数据类型和种类、数据格式等相关方面，都要进行充分地调研、分析，只有这样才能保证所开发的处理平台软件符合未来桥梁健康监测数据处理的需要。

2.在桥梁健康监测管理系统平台软件开发时，应主要注意所采用的分析、评估模型，是否准确、合理、全面。按照桥梁损伤识别模型的选择结果，须将每个模型都纳入系统之中。同时，开发时应尽可能采用开放性较好、兼容性较强的程序语言。采用这样的开发策略最大的好处就是一次开发，长期应用，从而避免每上一套桥梁健康监测系统，就开发一套管理系统，不但会造成开发成本的增加，而且会使建设周期加长。

文章来源：健康监测