桥梁道路监测管理系统

第一章 桥梁道路监测管理系统

1.1 系统总体方案

1.1.1 系统的总体方案

1.1.1.1 系统建立的目的和意义

危害桥梁正常承载的主要因素包括： （1）结构内力状态的改变 （2）结构损伤 （3）两种因素综合作用

运营健康监测系统必须能够对上述因素进行监测，因此，健康监测系统实施的目的是： （1）随时掌握桥梁结构的内力状态及损伤情况 （2）尽早发现桥梁结构面临的危险状况 （3）为桥梁结构的养护维修提供依据

除了对结构运营状态进行监测外，对桥梁的日常管理养护等工作也纳入综合管理系统，以变实现：管养工作制度化、管养技术现代化、管养决策科学化。

运营健康监测和综合管理系统实施的重要意义在于： （1）能够随时掌握桥梁结构的内力状态及损伤情况 （2）能够在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警 （3）对保障桥梁安全运营具有重要意义 （4）能够尽量长地延长桥梁的运营寿命 （5）对降低桥梁总体运营成本具有显著效果

1.1.1.2 结构健康监测系统建立的原则

健康监测系统的最主要目的就是发现可能导致结构破坏的病害情况，因此，健康监测系统的建立应遵循以下逻辑原则：

（1）研究桥梁结构的各部分将可能面临什么样的病害？这些病害发生的概率是多少？这些病害将导致结构的局部破坏还是整体破坏？

（2）研究结构构件的病害有什么表现？这些表现是否能够为监测系统所监测？ （3）研究选用何种传感器来监测结构安全？传感器精度是否满足安全预警的要求？传感器布置位置是否恰当，数量是否合理？

（4）研究如何对监测信号进行信号处理及分析？如何从监测信号中提取与结构安全直接相关易于为管理人员所理解的结构安全信息或预警信息？

从这些逻辑原则可以看出，如何定义结构可能遭遇的危险是整个健康监测系统的基础，我们称这个过程为“结构危险性分析”

1.1.1.3 结构危险性分析

该系统通过危险性分析来确定监测哪些构件及监测方式的方法，避免了健康监测系统中常见的目的性不强、针对性不明确的问题。

所谓结构危险性分析就是系统地分析桥梁中各部分结构所面临的危险、各项危险发生的概率、危险所导致后果严重程度以及各项危险的可监测性等问题。

广雅大桥的主要结构构件包括：系杆、吊杆、主梁、拱肋、非通航孔桥和下部结构。应根据这些构件的受力特点、材料特性、使用环境等对其进行充分的危险性分析才能够确保健康监测系统的针对性和实用性。

危险性分析通常需要通过大量类似结构的调查并综合考虑本工程的环境及受力特点同时结合必要的结构分析计算才能够得到比较可靠的结论。

通过结构危险性分析我们可以非常明确我们需要监测那些构件、这些构件的重点监测部位、监测内容及监测频率等。

健康监测的监测手段大体可以分为：力学指标监测，损伤直接检测(包括人工目视巡检及无损监测)两种手段。在指定各构件采用的监测手段一般应综合考虑危险性的程度、监测的经济性和有效性等问题。

健康监测的监测手段大体可以分为：传感器在线监测，人工巡检(包括人工目视巡检)两种手段；一般而言传感器在线监测具有连续把握监测对象的特点，但其经济代价大，且对诸如钢材锈蚀、混凝土开裂等病害难以监测到；人工定期巡检能够比较容易发现结构的早期病害造成的外观变化，且一次性投入相对较小，但其不具有连续及实时性。

1.1.1.3.1 吊杆的危险性分析及监测策略

吊杆锈蚀断丝是该桥的主要病害，其断丝隐蔽性强，应考虑对其进行监测。

吊杆结构危险性分析的主要结论是：

（1）大范围的吊杆断丝将导致主梁的危险，应对吊杆的索力进行监测；

（2）局部吊杆的断丝甚至整根破坏不会导致结构的整体危险，通过人工目视定期检查吊杆PE及锚具并结合部分吊杆的索力监测等是较为经济可行的方案；

（3）从把握主梁内力的角度出发应对部分吊杆进行索力监测。

1.1.1.3.2 主梁的危险性分析及监测策略

本桥的加劲梁采用格子梁，其直接承受车辆荷载且为吊杆（拉索）体系柔性支承。因此，对其安全状态的把握不仅在于病害的监测，还在于其内力状态演变的监测。

主梁恒载内力的演变主要来源以下几个方面： （1）主梁的变形；

（2）吊杆刚度（索力）的变化； （3）基础的沉降。

主梁结构危险性分析的主要结论是：

（1）主梁内力状态的改变将有可能导致主梁的整体破坏，应加强对其的监测； （2）主梁在由于内力状态改变而发生危险前会产生显著恒载变形，可以通过变形的监测并辅助吊杆索力的监测来进一步确定及明确原因。

（3）主梁局部病害的监测可以考虑采用人工目视巡检及人工无损监测设备检查的方式进行。

1.1.1.3.3 非通航孔的危险性分析及监测策略

非通航孔桥采用预应力混凝土连续梁，其病害主要来源于混凝土的劣化、基础沉降、预应力体系的病害等。上述病害均属于缓慢发生过程且均伴随较为明显的外观变化，因此，引桥的监测将采用人工定期目视巡检的方式进行。

1.1.1.3.4 下部结构的危险性分析及监测策略

本桥下部结构主要是基础沉降带来的危害，因此，可以通过人工定期沉降观测就可以避免此类病害的发生。

1.1.1.3.5 非主要结构的危险性分析及监测策略

本桥的非主要结构的监测主要包括收缩缝、支座、路面等。

伸缩缝的破坏设置堵塞可能会导致结构内力状态的改变，但考虑到收缩缝破坏、堵塞一般不足以导致其它结构的破坏且能够比较容易通过人工目视巡检来加以检查，因此，不对其进行传感器监测。

本桥支座病害一般情况下不足以导致结构其它部位的破坏，只有当支座纵向位移受到意外限制时可能导致主梁、桥墩的开裂甚至破坏。因此，对支座可以通过人工巡检加以检查。

路面的病害属于局部问题，对其只需通过人工巡检加以检查即可。

1.1.1.4 系统建立的总体思路

(a)采用传感器在线监测与人工巡检的方案； (b)传感器系统侧重于结构总体内力状态的把握； (c)人工巡检侧重于局部损伤的探明； (d)利用综合评估系统将二者结合起来；

(e)各项监测参数必须进行较为完善的后期处理才能够用于评估结构安全状态。

健康监测系统传感器在线监测人工巡检状态识别损伤识别无模型预案损伤记录、分析综合评估 图1.1.1 健康监测系统总体思路

1.1.2 系统集成及流程的方案

1.1.2.1 系统集成

该方案的总体系统集成框图如图1.2.1所示。

桥梁结构健康及监测系统传感器子系统（SS）数据采集子系统（DATS）人工巡检养护管理子系统（IMS）数据处理与控制子系统（DPCS）结构健康评估子系统（SHES)结构健康综合评估模块（SHIEM）结构状态与损伤识别模块（SSDAM）数据库子系统（DBS）用户界面子系统（IS） 图1.2.1 运营监测和综合管理系统集成总体框架图

在上述系统总体框架中各部分的主要工作内容及关联关系分述如下：

○1传感器子系统完成应变、结构温度、索力、几何变形环境等参数的参数采集工作。 ○2数据采集与传输系统负责传感器信号的采集、调理、预处理、传输等。

○3数据处理与控制子系统将采集系统收集到的数据进行预处理后提交给后续子系统使用。

○4由传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统共同构成了桥梁智能健康监测中的信息自动采集系统。

○5结构健康评估子系统主要对获取的各类信息进行相应的信息处理（包括进行有模型的数据分析与和无模型的数据统计）从而获得结构健康的信息，并且将这些信息以直观的形式向桥梁的管理者提供。

1.2.3 传感器自身安全性的识别及对策

传感器在使用过程中可能会面临各种故障。这些故障包括：无法工作，受到强电场的干扰，温度漂移过大，时间漂移过大等等。因此，健康监测系统应能够对上述情况进行识别并发出传感器故障报警，并在传感器选型及安装过程中避免上述故障的发生。

传感器无法工作通常由于传感器本身质量，安装工艺不过关，人为破坏或遭遇雷击或其它强电脉冲。解决这个问题的主要办法是选择质量可靠的传感器生产厂家，严格按照规定的安装工艺施工，安装传感器的机械保护装置及防雷设备等。

某些传感器输出微弱信号容易受到强电场干扰，应对这些传感器加装屏蔽保护装置。 在选择传感器的时候同时应重复注意传感器的温度漂移及时间漂移，并应采购传感器样品进行上述两项测试。

另外，在数据采集子系统、数据处理子系统中利用传感器的统计信息以及各传感器的相关信息能够分析得到传感器的部分故障情况。

本方案采用的所有传感器除锚索计外均为表面安装，对拉索传感器则采用表2.3.1的方案进行更换

表2.3.1 拉索传感器更换流程（未绘制撑脚）

步骤 1 示意图 说明 受力部位 安装千斤顶，张拉千斤顶至螺母初动，即实际索力 千斤顶 2 退掉螺母，安装哈佛型螺母 千斤顶 3 千斤顶卸压，取掉千斤顶，取出螺母 哈佛型螺母 哈佛型螺母 4 安装拉索传感器，安装传感器垫环，套上螺母 5 安装千斤顶，张拉千斤顶至螺母初动，即实际索力 千斤顶 6 拆除哈佛型螺母，转动螺母到位 千斤顶 7 千斤顶卸压，取掉千斤顶，更换工作完成 螺母 备注

说明中“螺母”指实际安装于些拉索上的螺母，“哈佛型螺母”指更换过程中用于转换受力部位的特制螺母。 1.3 数据采集与传输子系统

该方案采用基于工业以太网的光纤环网的组网方式，具有如下显著特点：

（1）采用分布式测控技术并结合集中式数据采集的优势，在智能调理器上采用了数据缓冲技术解决了分布式采集速度慢的问题；

（2）通过网络调理器（网络节点）将传感器模拟信号转换为数字信号后进行传输，避免了模拟信号长距离传输易受干扰的问题。

（3）每个传感器均与智能调理器连接后形成网络节点，将传感器型号调理成为符合国际标准协议的数字型号；

（4）利用以太网供电技术实现传感器到数据采集站的通讯及供电；

（5）将各数据采集站与控制中心采集服务器连接成为测控局域网，采用FDDI自愈双环光纤网络。

图3.1.1 基于光纤环网的采集系统示意图

轴重检测片

调理器

轴重检测片 调理器 交换机轴重检测片 调理器 交换机轴重检测片

调理器

轴重检测片调理器轴重检测片调理器轴重检测片

调理器

交换机轴重检测片调理器 轴重检测片调理器 轴重检测片调理器 轴重检测片

调理器

轴重检测片调理器 轴重检测片

调理器

轴重检测片 调理器 轴重检测片 调理器 轴重检测片

调理器

轴重检测片调理器 轴重检测片调理器 轴重检测片

调理器

轴重检测片调理器轴重检测片调理器纤光 纤光 双光口管理型交换机 轴重检

测片

调理器

轴重检测片 调理器 GPS 交换机轴重检测片

调理器

轴重检测片调理器温湿度仪 调理器轴重检测片

调理器

交换机轴重检测片调理器 交换机 轴重检测片调理器 液压挠度仪 调理器 轴重检测片

调理器

液压挠度仪调理器 轴重检测片

调理器

液压挠度仪

调理器

轴重检测片

调理器

液压挠度仪

调理器

轴重检测片

调理器

图3.1.2 给予网络调理器的采集站组网示意图

1.4 数据处理及控制子系统

采集系统收集到的数据必须经过数据处理与控制子系统对其进行预处理方能够提交给后续子系统使用。其主要实现以下功能：

（1）数据采集、传输的控制；

（2）数据库的建立及相关功能的实现，包括数据的存储、格式化、查询、可视化等工作；

（3）数据优劣的评估与优良数据的抽取；

（4）建立数据处理与控制的用户界面，响应用户对已存数据的查询请求及采集数据的控制请求。

（5）建立与Internet的连接。

（6）自动进行数据存储与删除操作，保留分析后的数据及部分重要的原始数据，定期删除不再使用的数据。

数据处理与控制模块总体构成见图4.1。

数据处理与控制子系统以太网接口控制流数据采集与控制模块存储数据采集与传输模块存储模块数据流数据分类抽取模块显示及用户界面模块健康安全评估子系统图4.1 数据处理与控制系统构成方案示意图

1.5 养护管理子系统

在危险性分析中我们发现基于传感器的自动采集系统无法发现以下的损伤：钢材的早期锈蚀、疲劳裂缝、混凝土的劣化以及螺栓的断裂等；为了进行这类损伤的监测，应采用人工巡检的方式。通过建立一个完善的人工巡检子系统可以达到以下目的：

? 能够早于其它子系统发现结构的早期损伤，将维护或维修的费用降至最低 ? 能够发现其它子系统无法发现的损伤，避免结构发生危险 ? 能够对损伤的发展趋势进行对比分析及预测，评估损伤的危险程度 ? 能够根据损伤的程度及发展趋势制定经济合理的维护及维修计划 ? 能够向用户提供损伤情况及损伤发展的报告

人工巡检子系统作为采集子系统的必要的补充和完善需要具备以下几个方面的功能： ? 对锈蚀、裂缝、砼的劣化以及螺栓破坏的人工目测巡检及无损检测 ? 损伤记录 ? 损伤趋势分析 ? 维护及维修计划 ? 损伤报告生成

1.6 结构状态识别子系统

桥梁结构的安全状态直接由其内力状态和损伤状态决定，因此，状态识别及损失识别子系统是进行结构安全状态评估的基础，是桥梁结构安全综合管理系统的核心内容之一。桥梁状态识别子系统的中心任务是将数据采集系统获得的结构响应信息转化为反映结构安全状态的信息，在此基础上对安全状态信息进行综合评价即可获得结构在特定时刻的安全程度及其健康状况，为桥梁结构的运营及维护决策提高科学依据。通俗地讲，结构状态识别子系统起到了“解码器”的作用，即对结构响应信息进行“解码”，将其转化为明确的结构安全状态信息。在缺乏结构状态和损伤识别子系统的情况下，无论结构响应监测信息多么全面和准确，都无法根据这些信息把握结构的健康状态，因而无法进行科学的运营和养护决策。因此，对于桥梁结构运营监测综合管理系统而言，状态识别子系统至关重要，是评价健康监测系统设计是否成功、对结构运营维护能否提供依据的重要指标之一。

由于结构状态识别和损伤识别是由结构响应反演结构状态的问题，属于系统辨识问题。该类问题理论上非常复杂，对于大型复杂结构更是如此。因此，应在深入系统地研究其相关理论的基础上，结合结构的力学特性及损伤特性确定适当的识别解决方案，即确定科学的结构响应监测信息“解码”机制。为基于结构响应信息实现结构状态的准确识别，首先根据结构状态识别的功能要求将结构状态识别子系统分为内力状态识别模块和损伤识别模块两个模块。其中，内力状态识别模块侧重于结构内力状态的反演；而损伤识别模块则侧重于根据

结构动静力响应获得结构的整体损伤信息。两个模块相辅相成，联合应用两个模块的信息即可把握结构的整体安全状况。其中，内力状态识别模块主要识别结构的恒载内力状态。

结构的内力状态识别和损伤状态识别均基于结构的基准有限元模型进行，基准有限元模型的建立是关键。首先根据结构的施工监控等信息建立结构的初始有限元模型，随着结构健康监测的运营，不断引入结构的响应信息及结构的损伤信息修正有限元模型，获得能够充分反映结构自身特性的有限元基准模型。由于结构的功能退化、结构损伤、结构内力重分布等因素，结构有限元基准模型是时变模型。当前时刻的有限元基准模型是基于前一时刻的结构内力状态识别结果及结构损伤监测信息得到，基于当前时刻的结构响应信息和前一时刻有限元基准模型进行当前时刻的内力状态损伤状态识别，根据两种信息建立新的有限元基准模型。上述流程如图6.1所示。

养护管理子系统结构损伤人工监测损伤识别模块结构损伤识别新的结构损伤信息初始基准有限元模型历史损伤信息旧的有限元基准模型有限元基准模型结构响应监测数据高频滤波器结构准静力响应结构内力状态识别当前结构的恒载内力状态安全评估子系统新的有限元基准模型图6.1 结构损伤识别和内力状态识别流程示意图

由于结构的动静力测试数据不可避免地含有观测噪声，因此不确定性是结构内力状态识别和损伤状态识别的本质属性。为避免结构内力状态识别和损伤识别的误判问题，引入概率参数结构理论和蒙特卡罗随机有限元理论，将正则化方法引入参数识别过程抑制其不适定性，采用蒙特卡罗法获得待识别参数的统计特征。首先采用概率参数结构的思想建立有限元基准模型，在此基础上基于概率可靠度理论实现结构状态即损伤状态的自动识别。

结构初始概率参数结构根据结构的施工监控及由成桥荷载试验获得的结构响应信息获得。概率参数基准有限元模型建立的流程图如图6.2所示。在概率参数结构的建立过程中，利用了蒙特卡罗法的基本思想，即根据结构响应监测数据的误差水平对当前结构的实测响应

进行多次摄动，基于每次摄动结果对结构的各关键参数进行参数识别，对于结构的每个关键参数均能够获得多个识别结果。对所有的参数识别结果进行统计分析，即可获得其主要的统计特征。这一统计特征中不仅充分反映的结构的力学特性，而且充分体现了观测误差的影响。依据识别结果，即可建立概率参数结构。以此流程为蓝本，可以建立任意时刻的概率参数结构模型。基于该模型，根据概率统计理论的基本思想进行结构的内力状态和损伤状态识别，可以有效避免由观测噪声、模型不确定性引起的误判问题。

结构加载和激励方法实际结构初始结构分析模型传感器及数据采集子系统结构力学行为研究结构响应测试向量确定结构待识别参数建立结构关于待识别参数的灵敏度矩阵结构响应监测数据分析待修正概率参数结构确定数据摄动水平及摄动次数结构响应分析数据摄动数据组集结构响应残差系统辨识问题求解摄动次数满足要求？否识别结果的统计分析基准概率参数结构

图6.2 概率参数基准有限元模型建立的流程图

1.7 结构安全综合评估子系统

1.7.1 综合评估子系统总体方案

该方案提出了综合人工巡检与传感器监测的综合评估子系统，其设计总体方案参见图7.1.1。该子系统除了涉及对结构进行安全性、适用性以及耐久性三个方面的评估和利用外，增加了对人工巡检结果的评估过程，以实现基于对自动监测信息和人工巡检信息的综合利用。

结构安全综合评估子系统巡检信息提取评估模块巡检结果评估承载力评估评估结论适用性评估预警模块决策建议结构监测信息提取耐久性评估其它监测信息提取图7.1.1 综合评估子系统总体方案图

1.8 用户界面子系统

1.8.1 用户界面主应用框架

主应用框架提供了一个基础应用框架，实现对功能模块的初始化和调用管理，动态加载扩展模块并实现扩展模块的用户界面部分的调用接口，主应用框架提供基础的GIS模型加载和管理功能，并通过工具栏、菜单、右键菜单等用户界面实现扩展模块的功能调用，同时规范了扩展模块开发的接口，使系统可以方便的进行扩充。

主应用框架主要实现了以下功能 1) 对功能模块的初始化 2) 创建和管理用户界面元素

3) 根据配置信息动态加载扩展模块

4) 加载和管理结构物模型并提供基础的GIS功能服务，包括放大、缩小、平移、旋转、选择、动画等等

5) 提供用户报表和历史曲线以及评估分析程序的调用接口

1.8.2 静态资料管理扩展模块

静态资料管理扩展模块通过插件的形式加入到应用框架中，主要实现对结构物的电子化文档的管理，主要包括设计、施工、竣工、试验、运营监测系统还有可能会加入的机电、路政设施等各种资料的管理，可以管理的文档包括PDF、Word、Excel、PowerPoint、Visio等，并可以通过UI界面与主框架中的结构物模型进行交互，通过查询工具对资料进行搜索等；

静态资料管理扩展模块主要实现了以下功能 1) 实现插件规划的接口功能； 2) 使用UI元素承载资料管理数据；

3) 打开、查看和修改PDF、Word、Excel、PowerPoint、Visio等文档； 4) 结构物模型的定位功能 5) 对象资料的属性功能 6) 资料查询搜索功能

1.8.3 实时数据展示扩展模块

实时数据展示扩展模块通过插件的形式加入到应用框架中，主要实现对数据的实时采集并与后台数据处理、数据采集与控制模块进行交互，实现数据的实时传输、同时通过用户界面，实时展示采集系统的数据曲线、通讯工况等，并可以通过数据分析工具对当前时段的数据进行即时的分析处理；

实时数据展示扩展模块主要实现了以下功能 1) 实现插件规划的接口功能；

2) 使用UI元素承载系统安装和使用的采集系统信息； 3) 实现对通讯管理功能模块的接口调用；

4) 即时的数据分析和处理功能并展示在用户界面上；

5) 具体功能主要包括应力、索力、变形、温度、湿度、风、振动、位移、支座等；

6) 与主应用框架实现交互功能。

1.8.4 巡检管理扩展模块

巡检管理扩展模块通过插件的形式加入到应用框架中，主要实现对电子化人工巡检管理系统中数据调用的接口，并完善和补充电子化人工巡检中有缺陷和无法实现的功能，该模块主要包括巡检日历、巡检通道、巡检对象、巡检报告四个子功能；

巡检管理扩展模块主要实现了以下功能 1) 实现插件规划的接口功能；

2) 使用UI元素承载巡检日历、巡检管理对象、巡检通道、巡检记录、巡检报告等数据信息；

3) 实现巡检任务的定义、查看、提示以及任务完成情况的记录； 4) 实现巡检通道在主应用框架提供的模型上的动画展示功能。

6) 与主应用框架实现交互功能。

1.8.4 巡检管理扩展模块

巡检管理扩展模块通过插件的形式加入到应用框架中，主要实现对电子化人工巡检管理系统中数据调用的接口，并完善和补充电子化人工巡检中有缺陷和无法实现的功能，该模块主要包括巡检日历、巡检通道、巡检对象、巡检报告四个子功能；

巡检管理扩展模块主要实现了以下功能 1) 实现插件规划的接口功能；

2) 使用UI元素承载巡检日历、巡检管理对象、巡检通道、巡检记录、巡检报告等数据信息；

3) 实现巡检任务的定义、查看、提示以及任务完成情况的记录； 4) 实现巡检通道在主应用框架提供的模型上的动画展示功能。

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