橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2015-06-01
0 引言
針對(duì)現(xiàn)行橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在實(shí)時(shí)性差、監(jiān)測(cè)效率低、成本高、損耗大等缺點(diǎn)，本文以濟(jì)寧梁濟(jì)運(yùn)河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，提出現(xiàn)行橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)方案，并設(shè)計(jì)一種可同時(shí)監(jiān)測(cè)多項(xiàng)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(jié)構(gòu)，實(shí)施分簇管理機(jī)制，并部署實(shí)用性強(qiáng)的評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)，有利于提高大橋監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，對(duì)橋梁安全狀態(tài)的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)，具有一定的參考價(jià)值。
1 梁濟(jì)運(yùn)河大橋簡(jiǎn)介
梁濟(jì)運(yùn)河大橋位于濟(jì)寧市區(qū)太白樓西路西端，跨越市區(qū)西部的梁濟(jì)運(yùn)河，主橋上構(gòu)為獨(dú)柱斜塔空間扭面背索斜拉橋，其跨徑組成為316m。全橋共設(shè)56根斜拉索，橋塔采用獨(dú)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(cè)。
2橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本模型
橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由傳感模塊、數(shù)據(jù)處理中心、監(jiān)測(cè)中心、管理中心等模塊組成。各模塊之間實(shí)行基于遠(yuǎn)程監(jiān)控與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)雙向通信策略。
3改進(jìn)方案
本文結(jié)合濟(jì)寧梁濟(jì)運(yùn)河大橋的實(shí)際情況，提出一種現(xiàn)行橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)方案。
3.1 傳感模塊改進(jìn)
3.1.1傳感器改進(jìn)
根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)參數(shù)，本改進(jìn)方案采用基于分布式光纖傳感器的傳感器布置模式，進(jìn)行多種不同監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用分布式光纖喇曼（BOTDR）應(yīng)力分析儀監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變的整體情況；光纖布喇格光柵（FBG）傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)局部關(guān)鍵部位的應(yīng)變情況；光纖光柵(FBG)振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)斜拉索索力受力情況；分布式光纖喇曼（ROTDR）溫度解調(diào)儀完成橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力及周邊環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)。
3.1.2 傳感器分布結(jié)構(gòu)改進(jìn)
光纖傳感器通常被用于進(jìn)行點(diǎn)式高精度監(jiān)測(cè)，由于受監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)限制，其監(jiān)測(cè)范圍存在盲區(qū)。本改進(jìn)方案根據(jù)主要安全監(jiān)測(cè)參數(shù)的選取，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)式[5]的多光纖傳感器布置結(jié)構(gòu)，通過在橋梁的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)位置上合理布放傳感器，形成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。在滿足監(jiān)測(cè)條件的情況下，最大程度地減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)以降低投入成本。
?。?）拉索索力監(jiān)測(cè)
全橋共56根斜拉索，以索塔為界，上、下游拉索按其關(guān)鍵部分實(shí)際受力情況分別布置光纖光柵振動(dòng)傳感器，并決定傳感器個(gè)數(shù)。傳感器個(gè)體之間呈網(wǎng)絡(luò)式分布，且相互獨(dú)立，安裝位置距離橋面5米左右。測(cè)點(diǎn)側(cè)面分布圖如圖1所示。圖中黑點(diǎn)用來模擬光纖光柵振動(dòng)傳感器布放位置。
?。?）主梁、索塔截面應(yīng)力及線形監(jiān)測(cè)
對(duì)主梁及索塔進(jìn)行截面應(yīng)力及線形測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)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(diǎn)附近。在箱梁頂板、底板和橫隔板上也應(yīng)布置相應(yīng)的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。由于橋梁建造材質(zhì)不同，混凝土及鋼-混結(jié)合段的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)采用埋入式，鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)采用附著式。主梁線性測(cè)點(diǎn)布置位置位于每個(gè)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(yīng)力及線形測(cè)點(diǎn)也可基于上述原理進(jìn)行布置。
（3）溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)
溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)以監(jiān)測(cè)面為單元，索塔的溫度監(jiān)測(cè)設(shè)1個(gè)測(cè)試斷面，測(cè)點(diǎn)布置位置位于索塔底部以上約40米處。鋼箱梁溫度監(jiān)測(cè)共設(shè)3個(gè)測(cè)試斷面，測(cè)點(diǎn)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(diǎn)附近。
3.2分簇管理機(jī)制
本系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)過程中，采用基于EBC (Energy-Base Clustering) 算法的分簇管理機(jī)制，按照一定規(guī)律(如監(jiān)測(cè)內(nèi)容分類等)動(dòng)態(tài)選擇能量高（即交互訪問頻率高）的節(jié)點(diǎn)作為光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)簇點(diǎn)，完成光纖傳感子網(wǎng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)造，從而降低節(jié)點(diǎn)占用率及節(jié)點(diǎn)能量消耗，提高數(shù)據(jù)處理效率。各簇點(diǎn)設(shè)置在數(shù)據(jù)處理中心，稱為數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)。光纖傳感網(wǎng)絡(luò)采集監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的橋梁安全參數(shù)并向各自的簇點(diǎn)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)將接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分類分析與存儲(chǔ)，發(fā)向數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行細(xì)致處理。
分簇管理機(jī)制使橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體呈現(xiàn)點(diǎn)面結(jié)合模式。各數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，可有效避免因某一節(jié)點(diǎn)的局部故障而引起的整體系統(tǒng)癱瘓。
3.3 監(jiān)測(cè)中心改進(jìn)
監(jiān)測(cè)中心位于中心控制室，實(shí)行無人值守制。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)的驗(yàn)證、分析及評(píng)估預(yù)警功能，改進(jìn)設(shè)置如下：
（1）設(shè)置信息驗(yàn)證模塊，檢驗(yàn)傳輸信息的正確性。主要針對(duì)可能出現(xiàn)的信息不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤信息的情況，進(jìn)行參數(shù)信息過濾，從而縮小信息的存儲(chǔ)空間，提高信息的處理效率；
?。?）信息驗(yàn)證模塊可與管理中心的信息庫進(jìn)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(yàn)證信息的雙向交互及報(bào)警信息之間的相關(guān)性，可減小誤報(bào)，得到更為準(zhǔn)確的報(bào)警信息，并標(biāo)識(shí)誤報(bào)警；
?。?）信息驗(yàn)證通過后，對(duì)正確的參數(shù)信息進(jìn)行閾值分析，設(shè)置通常限值和安全限值兩級(jí)報(bào)警設(shè)置，采取綜合安全評(píng)估方法進(jìn)行橋梁安全綜合評(píng)估和預(yù)警，完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、安全報(bào)警和遠(yuǎn)程發(fā)送；
4系統(tǒng)各模塊的改進(jìn)設(shè)置
梁濟(jì)運(yùn)河大橋?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體部署
?。?）傳感模塊中的光纖傳感器沿橋梁重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)式布設(shè)，以點(diǎn)面結(jié)合監(jiān)測(cè)為布設(shè)原則，可采用多種類型的光纖傳感器進(jìn)行多參數(shù)同步測(cè)量。網(wǎng)絡(luò)式傳感器結(jié)構(gòu)按照一定規(guī)律將光纖傳感器組成了若干個(gè)子網(wǎng)，光纖傳感器向各自的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（即數(shù)據(jù)處理中心）發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保各個(gè)監(jiān)測(cè)面的系統(tǒng)獨(dú)立性，可實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)處理中心的局部故障不會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)系統(tǒng)，從而增強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力，且便于系統(tǒng)維護(hù)。
?。?）數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)采集部分盡量安放于距測(cè)試斷面中各測(cè)點(diǎn)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(luò)的日常信息與橋梁安全參數(shù)及預(yù)警信息的真實(shí)性存在一定的相關(guān)聯(lián)性，監(jiān)測(cè)中心中的報(bào)警驗(yàn)證模塊可通過與管理中心的信息庫進(jìn)行交互操作，對(duì)實(shí)時(shí)采集的橋梁安全參數(shù)信息進(jìn)行驗(yàn)證處理，并標(biāo)識(shí)誤信息，從而得到更為準(zhǔn)確的參數(shù)及報(bào)警信息，減小數(shù)據(jù)分析處理負(fù)擔(dān)。
結(jié)束語
系統(tǒng)采用的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)式分布結(jié)構(gòu)，可清除監(jiān)測(cè)盲區(qū)，保證橋梁安全狀態(tài)的準(zhǔn)確反饋；分簇管理機(jī)制提高了系統(tǒng)利用率，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的維修與升級(jí)；兩級(jí)評(píng)估預(yù)警設(shè)置增強(qiáng)了橋梁安全可靠性評(píng)估的準(zhǔn)確性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并進(jìn)行適時(shí)維護(hù)，從而延長(zhǎng)橋梁使用壽命。本文從提高橋梁安全監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性方面入手，改進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案，有效保證了橋梁的安全穩(wěn)定，改進(jìn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可長(zhǎng)期應(yīng)用于大橋的施工與運(yùn)營(yíng)維護(hù)。
作者簡(jiǎn)介：馬東峰（1982-）男，山東濟(jì)寧人，助理工程師，大學(xué)本科學(xué)歷，畢業(yè)于濰坊學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)，研究方向?yàn)楣放c橋梁工程。
