【技术】中小跨径桥梁结构安全监测系统开发(一)

2021-01-21 10:03:08 0

关键词:桥梁结构安全;安全监测;传感器;采集仪


交通基础设施是一个国家发达程度的重要标志,随着道路建设事业特别是公路建设的迅猛发展,修建了大批的公路桥梁和立交枢纽,根据交通运输部发布的数据,截止到2018年年底,我国共有在役公路桥梁85.15万座/5568.59万延米,其中的绝大多数为中小跨径混凝土桥梁。考虑到这类桥梁数量多、分布广的特点,在养护中的重视程度和运营安全系数都要低于特殊结构的大型桥梁。


近年来,我国出现的数座桥梁的重大倒塌事故,也说明了现行对中小跨径桥梁的结构行为、安全状况、维护方式等均有待重新评估和认识。目前,部分结构复杂、社会影响力重大的大跨径桥梁已经配备了较为完善的结构健康监测系统,但将复杂结构的大跨径桥梁结构监测系统照搬到大量中小跨径桥梁既不经济也无实际可操作性。因此,开发一套适用于该类桥梁的安全监测系统,将对保障路网的安全运营具有重要的工程实际意义。


监测系统的整体分析与设计

中小跨径桥梁结构安全监测系统共分为四个子系统,分别是传感器子系统、数据采集子系统、数据传输和处理子系统、远程综合管理与安全预警子系统。

(一)传感器子系统

由监测结构安全性、环境、适用性和耐久性的各种不同类型传感器组成,按照设定的采集制度采集并将其送到数据采集单元,为状态识别提供实测数据。它是监测系统的源头,直接关系到安全监测系统中各种原始数据的可靠性和有效性,进而影响到整个安全监测的效率和精度。在技术条件上,不但要考虑传感器本身的性能指标,而且还应顾及传感器与通讯设备、放大器等的兼容性。在经济条件上,进口仪器的各种性能指标虽然较为优良,但价格昂贵,近年来国产仪器性能水平正不断提高,结合长期维护的便捷性和综合价格因素,我们可采取进口与国产相结合的方式。


(二)数据采集子系统

该系统是各类信号采集、存储和传送的硬件系统[3],功能是将传感器信号转换成数字信号,并通过网络将数据传输到监测中心的数据处理与控制子系统上,为下一步的分析和处理传输数据。主要包括信号的调理、数据的采集和数据通讯三部分。通过底层网络传输得到的传感器信号微弱,需经过放大、滤波、模数转换等程序使其信息得到增强,接着利用数据采集仪器的转变将电信号(模拟信号)转换为数字信号。数据通讯主要制信号的收发和网络传输,通过传输光缆或无线网络将数字信号传输至软件系统中心节点。数据采集是实时在线而且长期进行的,所以必须采取自动化数据采集装置,工作流程一般为:传感器将量测的非电量转换成容易量测的电量后,通过模/数转换,将数字量直接输入到计算机中。数据采集硬件系统配合相应的软件系统组成一套数据采集系统。一套数据采集系统可以将试验量测阶段和试验数据整理阶段合而为一,实现快速、多点、自动测量和记录试验数据。


(三)数据传输和处理子系统

主要包括各类数字信号的处理,如A/D转换及数字滤波去噪等,以便为系统识别和损伤识别准备充分的数据信息。数据传输部分主要由硬件设备组成,包括数据远程传输模块和设备监测模块。数据远程传输模块负责定时将数据传输给分析中心系统。设备监测模块负责监测系统设备运行情况,当设备出现故障时,可以及时发现进行处理,并可对设备进行远程控制。数据处理分析部分是对采集及传输到的基站的现场监测数据进行处理和分析。数据预处理主要对采集的数据、信号进行滤波、统计等运算,计算的结果作为安全监测系统的初级输入,这部分工作主要在在数据采集子系统中进行;数据二次预处理在基站电脑或服务器上进行,主要是利用信号处理技术,对数据进行降噪处理、时频域参数识别,以及结构特征参数获取等工作;数据后处理主要是利用模态分析、相关性分析等技术手段,结合桥梁运营特点以及环境因素,对获得的监测数据进行深入分析,从而对桥梁的安全性能及使用性能做出诊断和评估。


(四)远程综合管理子系统

主要完成大量的现场采集数据和后续分析数据的存储,负责根据收集到的数据,应用各种算法、软件对桥梁状况进行分析。包括对桥梁结构的损伤位置和损伤程度进行定位和量化,然后通过评估系统对桥梁整体结构进行评估,确定是否需要进行维护,是否需要发出报警等。系统可以借由先进的计算机系统完成实时、可视的监测,使得桥梁结构安全状况更直观,易于做出判断,实现结构相关信息的可视化和决策数据库的智能化,以完成结构安全状态的实时跟踪,为决策管理人员提供信息支持。

图文源于养护与管理公众号

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