橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設計
2015-06-01
0 引言
針對現(xiàn)行橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)存在實時性差、監(jiān)測效率低、成本高、損耗大等缺點，本文以濟寧梁濟運河大橋為工程背景，提出現(xiàn)行橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)改進方案，并設計一種可同時監(jiān)測多項安全參數(shù)的系統(tǒng)模型。本系統(tǒng)模型采用多種光纖傳感器作為傳感元件，完善了傳感器布置結構，實施分簇管理機制，并部署實用性強的評估與預警系統(tǒng)，有利于提高大橋監(jiān)測的實時性與準確性，對橋梁安全狀態(tài)的長期實時監(jiān)測及預報，具有一定的參考價值。
1 梁濟運河大橋簡介
梁濟運河大橋位于濟寧市區(qū)太白樓西路西端，跨越市區(qū)西部的梁濟運河，主橋上構為獨柱斜塔空間扭面背索斜拉橋，其跨徑組成為316m。全橋共設56根斜拉索，橋塔采用獨柱斜塔，主塔全高133.147m，采用空心斷面，橋面以上塔高118m，橋面以下塔高15.147m。塔身順橋向偏離鉛垂面8°，傾向岸側。
2橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)基本模型
橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)通常采用模塊化設計，主要由傳感模塊、數(shù)據(jù)處理中心、監(jiān)測中心、管理中心等模塊組成。各模塊之間實行基于遠程監(jiān)控與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)雙向通信策略。
3改進方案
本文結合濟寧梁濟運河大橋的實際情況，提出一種現(xiàn)行橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的改進方案。
3.1 傳感模塊改進
3.1.1傳感器改進
根據(jù)不同的監(jiān)測參數(shù)，本改進方案采用基于分布式光纖傳感器的傳感器布置模式，進行多種不同監(jiān)測參數(shù)的實時監(jiān)測。利用分布式光纖喇曼（BOTDR）應力分析儀監(jiān)測橋梁結構應變的整體情況；光纖布喇格光柵（FBG）傳感系統(tǒng)監(jiān)測局部關鍵部位的應變情況；光纖光柵(FBG)振動傳感器監(jiān)測斜拉索索力受力情況；分布式光纖喇曼（ROTDR）溫度解調儀完成橋梁結構應力及周邊環(huán)境溫度的監(jiān)測。
3.1.2 傳感器分布結構改進
光纖傳感器通常被用于進行點式高精度監(jiān)測，由于受監(jiān)測點數(shù)限制，其監(jiān)測范圍存在盲區(qū)。本改進方案根據(jù)主要安全監(jiān)測參數(shù)的選取，設計了基于網(wǎng)絡式[5]的多光纖傳感器布置結構，通過在橋梁的關鍵監(jiān)測位置上合理布放傳感器，形成光纖傳感網(wǎng)絡。在滿足監(jiān)測條件的情況下，最大程度地減少監(jiān)測點以降低投入成本。
?。?）拉索索力監(jiān)測
全橋共56根斜拉索，以索塔為界，上、下游拉索按其關鍵部分實際受力情況分別布置光纖光柵振動傳感器，并決定傳感器個數(shù)。傳感器個體之間呈網(wǎng)絡式分布，且相互獨立，安裝位置距離橋面5米左右。測點側面分布圖如圖1所示。圖中黑點用來模擬光纖光柵振動傳感器布放位置。
?。?）主梁、索塔截面應力及線形監(jiān)測
對主梁及索塔進行截面應力及線形測點布置時，主梁應力測點應布置在鋼箱梁主跨跨中、主跨1/4L、主跨1/8L、塔根部；邊跨跨中、1/4L截面及邊支點附近。在箱梁頂板、底板和橫隔板上也應布置相應的應力測點。由于橋梁建造材質不同，混凝土及鋼-混結合段的應力測點采用埋入式，鋼結構中的應力測點采用附著式。主梁線性測點布置位置位于每個梁段拉索錨固區(qū)的橋面處（無拉索的布置在此段梁的中部）。索塔截面應力及線形測點也可基于上述原理進行布置。
?。?）溫度場監(jiān)測
溫度場監(jiān)測以監(jiān)測面為單元，索塔的溫度監(jiān)測設1個測試斷面，測點布置位置位于索塔底部以上約40米處。鋼箱梁溫度監(jiān)測共設3個測試斷面，測點布置位置分別位于鋼箱梁主跨跨中、主跨1/5L、主跨3/5L、塔根部；邊跨跨中、1/3L截面及邊支點附近。
3.2分簇管理機制
本系統(tǒng)在監(jiān)測過程中，采用基于EBC (Energy-Base Clustering) 算法的分簇管理機制，按照一定規(guī)律(如監(jiān)測內(nèi)容分類等)動態(tài)選擇能量高（即交互訪問頻率高）的節(jié)點作為光纖傳感網(wǎng)絡的子網(wǎng)簇點，完成光纖傳感子網(wǎng)的動態(tài)構造，從而降低節(jié)點占用率及節(jié)點能量消耗，提高數(shù)據(jù)處理效率。各簇點設置在數(shù)據(jù)處理中心，稱為數(shù)據(jù)處理節(jié)點。光纖傳感網(wǎng)絡采集監(jiān)測范圍內(nèi)的橋梁安全參數(shù)并向各自的簇點發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理節(jié)點將接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行初步的分類分析與存儲，發(fā)向數(shù)據(jù)處理器進行細致處理。
分簇管理機制使橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)整體呈現(xiàn)點面結合模式。各數(shù)據(jù)處理節(jié)點相互獨立，可有效避免因某一節(jié)點的局部故障而引起的整體系統(tǒng)癱瘓。
3.3 監(jiān)測中心改進
監(jiān)測中心位于中心控制室，實行無人值守制。為實現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)的驗證、分析及評估預警功能，改進設置如下：
?。?）設置信息驗證模塊，檢驗傳輸信息的正確性。主要針對可能出現(xiàn)的信息不準確甚至錯誤信息的情況，進行參數(shù)信息過濾，從而縮小信息的存儲空間，提高信息的處理效率；
?。?）信息驗證模塊可與管理中心的信息庫進行交互。管理中心的信息庫中存有完整的大橋安全信息，通過驗證信息的雙向交互及報警信息之間的相關性，可減小誤報，得到更為準確的報警信息，并標識誤報警；
（3）信息驗證通過后，對正確的參數(shù)信息進行閾值分析，設置通常限值和安全限值兩級報警設置，采取綜合安全評估方法進行橋梁安全綜合評估和預警，完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、安全報警和遠程發(fā)送；
4系統(tǒng)各模塊的改進設置
梁濟運河大橋實時監(jiān)測系統(tǒng)整體部署
?。?）傳感模塊中的光纖傳感器沿橋梁重點監(jiān)測部位進行網(wǎng)絡式布設，以點面結合監(jiān)測為布設原則，可采用多種類型的光纖傳感器進行多參數(shù)同步測量。網(wǎng)絡式傳感器結構按照一定規(guī)律將光纖傳感器組成了若干個子網(wǎng)，光纖傳感器向各自的網(wǎng)絡節(jié)點（即數(shù)據(jù)處理中心）發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保各個監(jiān)測面的系統(tǒng)獨立性，可實現(xiàn)各數(shù)據(jù)處理中心的局部故障不會擴散到整個系統(tǒng)，從而增強監(jiān)測系統(tǒng)抗干擾能力，且便于系統(tǒng)維護。
?。?）數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)采集部分盡量安放于距測試斷面中各測點的最近位置，保證與各數(shù)據(jù)處理中心的通訊傳輸距離最短；
?。?）被管理網(wǎng)絡的日常信息與橋梁安全參數(shù)及預警信息的真實性存在一定的相關聯(lián)性，監(jiān)測中心中的報警驗證模塊可通過與管理中心的信息庫進行交互操作，對實時采集的橋梁安全參數(shù)信息進行驗證處理，并標識誤信息，從而得到更為準確的參數(shù)及報警信息，減小數(shù)據(jù)分析處理負擔。
結束語
系統(tǒng)采用的光纖傳感器網(wǎng)絡式分布結構，可清除監(jiān)測盲區(qū)，保證橋梁安全狀態(tài)的準確反饋；分簇管理機制提高了系統(tǒng)利用率，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的維修與升級；兩級評估預警設置增強了橋梁安全可靠性評估的準確性，能夠及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并進行適時維護，從而延長橋梁使用壽命。本文從提高橋梁安全監(jiān)測的實時性與準確性方面入手，改進實時監(jiān)測方案，有效保證了橋梁的安全穩(wěn)定，改進的實時監(jiān)測系統(tǒng)可長期應用于大橋的施工與運營維護。
作者簡介：馬東峰（1982-）男，山東濟寧人，助理工程師，大學本科學歷，畢業(yè)于濰坊學院工業(yè)設計專業(yè)，研究方向為公路與橋梁工程。
