1 概 述
1.1 目前橋梁智能化監(jiān)控的現(xiàn)狀
智能橋梁系統(tǒng)（Intelligent Bridge System），它是以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺，通過結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、設備監(jiān)控系統(tǒng)、綜合報警系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡及分析處理系統(tǒng)及它們之間的最優(yōu)化組合，向管理者提供一套對橋梁結(jié)構(gòu)的長期的實時使用狀態(tài)綜合監(jiān)控，以期提高大橋的整體管理技術(shù)水平，確保橋梁安全運營，預診斷橋梁病害，延長橋梁使用壽命。
另外，通過對監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的綜合分析，可以更為準確地把握橋梁在各種荷載下真實的受力及變形狀態(tài)，對相關結(jié)構(gòu)的設計及科研具有極高的技術(shù)價值。
自二十世紀50年代以來，進行橋梁智能化監(jiān)測的重要性就逐漸被認識，但受檢測、監(jiān)測手段比較落后的限制，在應用上一直未得到推廣和重視。近年來隨著大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的輕柔化、形式與功能的復雜化，這項技術(shù)成為國內(nèi)外學術(shù)界、工程界的研究熱點。許多國家包括我國都在一些已建和在建的大跨橋梁上進行了有益的嘗試，部分橋梁的監(jiān)控取得了一定的效果，象香港青馬大橋、江陰大橋、南京長江二橋等，但根據(jù)現(xiàn)有資料介紹，有些橋梁主要監(jiān)控成功的均是輔助監(jiān)控系統(tǒng)，諸如，環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)及部分GPS系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)安全至關重要的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)成功實現(xiàn)的例子國鮮有報道。某些橋梁成功實現(xiàn)了部分構(gòu)件（比如主纜、吊桿、斜拉索）的內(nèi)力變化監(jiān)測，但對于其海量數(shù)據(jù)的處理分析，則顯得力不從心，而且部分數(shù)據(jù)的失真，也使得管理者對于整體監(jiān)控數(shù)據(jù)產(chǎn)生懷疑；另外，對數(shù)據(jù)管理、分析及遠程監(jiān)控、自動報警等工作，在這些橋梁上遠遠沒有達到智能化程度。
1.2當前橋梁監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要技術(shù)問題
當前已經(jīng)安裝運行和正在開發(fā)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要技術(shù)問題：
?。?）硬件系統(tǒng)龐大，因此造成系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率增加，可靠性降低，而且不便于維護和操作；
（2）傳感器信號傳輸信噪比低，每一個傳感器的信號，通過信號傳輸網(wǎng)絡長距離傳送，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處理服務器，而后進行數(shù)據(jù)處理、分析、存檔。數(shù)據(jù)傳輸過程中的噪聲降低了傳感器的信噪比，從而降低了測量數(shù)據(jù)的可信度；
?。?）數(shù)據(jù)量大，雖然數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對來自各個傳感器的響應信號進行連續(xù)的實時數(shù)據(jù)采集，但由于所采集的數(shù)據(jù)量過于龐大，如何有效地處理、分析和管理這些數(shù)據(jù)是當前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)亟需解決的問題。
?。?）因系統(tǒng)設計人員對橋梁結(jié)構(gòu)理解不深，對所測數(shù)據(jù)的力學相關性分析不足，不利于對橋梁進行預警。
?。?）部分傳感器使用壽命短，漂移值不穩(wěn)定。
（6）預警設計域值確定工作量極大，各類參數(shù)區(qū)分識別較困難。
綜合分析可知，數(shù)據(jù)采集過程中的許多因素均會影響數(shù)據(jù)的可靠性，能否對所采集數(shù)據(jù)進行實時預處理決定了系統(tǒng)存在的必要性，而能否深刻理解橋梁結(jié)構(gòu)、掌握各傳感器采集信號的關連性、正確設置預警值則決定了系統(tǒng)的成敗。
1.3橋梁智能化監(jiān)控的發(fā)展方向
基于以上認識，橋梁智能化監(jiān)控系統(tǒng)應積極鼓勵橋梁設計專家、結(jié)構(gòu)分析專家、傳感器專家及其網(wǎng)絡和計算機軟硬件工程師參與相關工作，成功的監(jiān)控系統(tǒng)應該是上述各方面專家共同智慧的結(jié)晶。認識到以橋梁設計專家、結(jié)構(gòu)分析專家為龍頭，以傳感器專家及其網(wǎng)絡和計算機軟硬件工程師為堅強后盾的重要性，可以使我們真正實現(xiàn)以最少的、最精良的傳感器及其采集處理系統(tǒng)掌握橋梁的現(xiàn)實工作狀態(tài)。減少硬件系統(tǒng)意味著系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率減少，可靠性增加，而且便于維護和操作；減少硬件系統(tǒng)同時意味著減少所采集的數(shù)據(jù)量，使各類參數(shù)區(qū)分識別變得容易。
在智能化采集傳感器的研究方面，數(shù)字化的振弦式應力計、光纖傳感器（加速度及應力）、利用磁通原理制成的EM傳感器已經(jīng)逐漸替代原有的應變片、加速度計和誤差較大的索力測量力錘系統(tǒng)，加上GPS系統(tǒng)的日益成熟，利用GPS和傾斜儀組成結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測也成為現(xiàn)實和主要方向。
在工作站方面，固定在橋梁上的高度集成的、能自動預處理采集數(shù)據(jù)的工作站將逐漸取代移動式工作站，以實現(xiàn)實時連續(xù)監(jiān)測。
光纜使長距離傳輸?shù)男盘枔p失達到最小，互聯(lián)網(wǎng)使我們能夠在世界任何地方遙控橋梁管理站內(nèi)的主服務器，它們也是橋梁智能化監(jiān)控必不可少的工具。
要認識到橋梁的監(jiān)測內(nèi)容并不需要而且目前也不可能完全實現(xiàn)智能化，完全實現(xiàn)實時監(jiān)測，應該采用實時監(jiān)測和定期監(jiān)測相結(jié)合的方法， 象對于結(jié)構(gòu)腐蝕的監(jiān)測、結(jié)構(gòu)沖刷的監(jiān)測、船撞力的監(jiān)測等等，既然在大學的實驗室尚且不能實現(xiàn)的內(nèi)容，在現(xiàn)場實驗室（被監(jiān)測橋梁實際處于大自然的巨大實驗室中）當然亦很難實現(xiàn)。
2湛江海灣大橋簡介
湛江海灣大橋位于廣東省西南湛江市,跨越雷州半島麻斜海峽,連接湛江市赤坎與玻頭兩區(qū)。橋址處地震強度大，風速高，海床淤泥層較厚，海水腐蝕性較強，雷暴多，環(huán)境溫度及濕度較高。雖然在設計中已充分考慮讓橋梁結(jié)構(gòu)滿足上述條件的要求,但是作為國家的生命線工程,橋梁結(jié)構(gòu)建成后,在上述惡劣的環(huán)境下，其運營安全性如何將成為更重要的問題。因此，需要對大橋在施工及運營期間的健康狀況進行全過程實時監(jiān)測。
結(jié)構(gòu)概況如下：
主橋全長840米，跨度組成為60+120+480+120+60米。（見圖2-1）
主橋橋面全寬為28.5m，如圖2-2所示。為雙塔雙索面流線型混合梁。邊跨60米為流線型預應力混凝土箱梁，在輔助墩處與鋼箱梁相接，主跨及其余邊跨皆為流線型鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土箱梁外形保持一致。斜拉索采用空間索面扇形布置，兩索面在橋面的橫向間距為27.8米。斜拉索在鋼梁段索距為16m，在邊跨混凝土梁段索距為7.5m，主塔中心線斜拉索豎向索距2米。斜拉索采用平行鋼絞線。
主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高自承臺以上155.1米。橋面以上塔高113.8米，主塔的上部兩塔柱微合，中間以弧形板連接，下橫梁以下兩塔柱內(nèi)收與上塔柱呼應。
圖2-1 橋式布置圖
圖2-2 主橋橫斷面布置圖
3本橋監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控內(nèi)容、部位及階段
3.1監(jiān)測的主要內(nèi)容、部位
監(jiān)測的主要內(nèi)容包括：
(1) 橋梁工作環(huán)境監(jiān)測：
橋梁工作環(huán)境監(jiān)測主要包括車輛荷載監(jiān)測、環(huán)境溫度、濕度、橋址處風速及風向的監(jiān)測。溫度的變化是否在設計允許范圍內(nèi)，是影響結(jié)構(gòu)受力變形狀況的一個重要因素；濕度的變化會影響混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變狀況及鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕情況；大橋位于強風區(qū)，其基準設計風速高達46米／秒，因此風速的大小對橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀況有很大的影響，同時也會影響大橋的正常運營。環(huán)境監(jiān)測有著十分重要的意義，首先，它可以為后期結(jié)構(gòu)自動損傷識別提供不可缺少的資料和依據(jù)；其次，實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)和結(jié)果分析對橋梁的設計者和建造者是非常重要的資料，可以為以后的項目提供設計和建造參考依據(jù)。
(2) 斜拉索監(jiān)測：
斜拉索是湛江海灣大橋的主要傳力構(gòu)件，活載和橋面系自重荷載均由斜拉索傳遞到橋塔，斜拉索的拉力不僅關系到橋塔的受力狀態(tài)，而且直接影響到橋面線型和行車舒適度。湛江海灣大橋采用雙塔雙索面體系，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)高，受力情況較為復雜，斜拉索采用夾片式錨具，同時處于海洋環(huán)境中，易于銹蝕，另一方面，結(jié)構(gòu)某個部位的損傷或狀態(tài)改變會影響斜拉索索力，因此索力的變化與結(jié)構(gòu)的安全性緊密相關，通過對索力變化的實時監(jiān)測，可以得到斜拉索的實際應力值，若超限時及時預警，以保證全橋的安全。
因此對斜拉索索力在各種環(huán)境荷載情況下的變化監(jiān)測是本健康監(jiān)測系統(tǒng)的重點內(nèi)容。
?。?）主梁
斜拉橋主梁分預應力混凝土梁及鋼梁兩部分。主要監(jiān)測截面的變形、應力、動力特性及溫度效應。監(jiān)測截面主要為：主梁塔根支點截面、主跨跨中截面、輔助跨跨中截面及結(jié)合面的應力幅值。同時，主梁的位移及動力特性還直接影響到橋面線型和行車舒適度，因此必須進行監(jiān)測。
(4) 橋塔結(jié)構(gòu)監(jiān)測：
斜拉橋具有跨越能力大和結(jié)構(gòu)輕盈等特點，但也存在剛度較小及穩(wěn)定性較差的缺點。主塔是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，它既承受縱橋向的荷載，又承受橫向風荷載及溫度荷載，橋塔的受力及變形狀況是斜拉橋結(jié)構(gòu)的重要健康控制指標。主要監(jiān)測主塔各控制截面的變形、應力、動力特性及溫度效應。
在塔根、下塔柱與下橫梁交界處、下橫梁與中塔柱交界處、中塔柱與錨固區(qū)實體段交界處這四個可能出現(xiàn)拉應力及較大壓應力的部位進行實時應變監(jiān)測，同時對兩座主塔的傾角，位移及動力特性進行監(jiān)測，此項指標的監(jiān)測還可以間接反映斜拉橋結(jié)構(gòu)整體的工作狀態(tài)。
3.2監(jiān)測的主要階段
為得到結(jié)構(gòu)最初狀態(tài)的各項參數(shù)，監(jiān)控應從施工初期進行。這也是本系統(tǒng)區(qū)別與已有各類橋梁監(jiān)控系統(tǒng)的特點所在，通過對施工過程的詳細監(jiān)測，不但得到了結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)參數(shù)，對施工過程的安全也能進行相關監(jiān)控及預警，例如：風速風向的監(jiān)測、獨塔狀態(tài)各階段結(jié)構(gòu)的受力情況、變形及模態(tài)等等，這對于湛江海灣地區(qū)施工期間可能多次經(jīng)受較大臺風的現(xiàn)實具有重要意義。部分設備尚可以用于結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控，例如：GPS系統(tǒng)、EM傳感器等。
本橋階段性監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有：
(1）施工期間的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)；
● 主要參考點應變；
● 主要參考點溫度；
● 橋址處的風速及風向；
● 橋址處的空氣濕度；
● 斜拉索內(nèi)力；
● 橋塔施工過程受力狀態(tài)及動力特性。
● 部分參考點位移值；
施工期間的橋梁監(jiān)測以橋梁設計部門的要求和建議為基礎。
(2）一年運行期內(nèi)的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)：
● 所有參考點應變；
● 所有參考點溫度；
● 所有參考點傾斜度；
● 所有參考點位移值；
● 所有參考點加速度；
● 橋址處的風速及風向；
● 橋址處的空氣濕度；
一年運行期內(nèi)的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)以橋梁設計和管理部門的要求和建議為基礎。整個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試在全部安裝完成后開始。
(3）一年運行期滿之后的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)：
●所有參考點應變；
●所有參考點溫度；
●所有參考點傾斜度；
●所有參考點位移值；
●所有參考點加速度；
●橋址處的風速及風向；
●橋址處的空氣濕度；
●橋梁健康報告；
●橋梁維護建議。
一年運行期滿之后的整個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)將被調(diào)試完畢，正式滿負荷運行，定期自動給出橋梁健康報告及維護建議。
4本橋監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件簡介
根據(jù)當前監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合橋梁設計、管理、維護的要求，以及在橋梁實時監(jiān)測工程方面的經(jīng)驗，我們研究開發(fā)的湛江海灣大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，力求用最少的傳感器和最小的數(shù)據(jù)量，對大橋及其關鍵構(gòu)件（部位）的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，多級報警，并可通過對測量數(shù)據(jù)的分析處理，進行結(jié)構(gòu)的異常行為自動診斷，對當前結(jié)構(gòu)的安全性進行評估，并具有數(shù)據(jù)采集、儲存和查詢功能。
4.1監(jiān)測系統(tǒng)的硬件：
智能橋梁監(jiān)測硬件系統(tǒng)是由多級數(shù)據(jù)采集硬件和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡組成，包括：
（1） 用于數(shù)據(jù)處理、存檔和多用戶服務的中心服務器；
?。?） 用于進行傳感器數(shù)據(jù)采集的子系統(tǒng)(傳感器工作站)；
?。?） 用于服務器與子系統(tǒng)之間通訊聯(lián)系的光纖以太網(wǎng)絡。
中心服務器直接與橋上的數(shù)據(jù)采集、分析傳感器工作站實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接和數(shù)據(jù)交換，并允許授權(quán)用戶通過因特網(wǎng)聯(lián)接，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)共享。這樣的多層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，縮短了傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的距離，減少了信號傳輸過程中產(chǎn)生的噪聲，提高了系統(tǒng)的運行效率和可靠性。
由于數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)在因特網(wǎng)傳輸過程中在時間上有一定的延遲，因此在底層網(wǎng)絡中設置了智能型傳感器工作站，數(shù)據(jù)的預處理和初級預警軟件則嵌入在傳感器工作站之中。該工作站在采集數(shù)據(jù)的同時，就對數(shù)據(jù)進行預處理和實時分析。在傳感器工作站的設置上，充分考慮到工作站的處理能力，重點監(jiān)控參數(shù)的種類與重點監(jiān)控部位的相關性。
此外系統(tǒng)服務器以及傳感器工作站均設有不間斷電源，以便在失去動力電或者通訊線路發(fā)生故障期間，整個系統(tǒng)或傳感器工作站仍然能夠在一段時間內(nèi)繼續(xù)采集傳感器的輸出數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)使用主要硬件及傳感器如下：
?。?）系統(tǒng)服務器
系統(tǒng)服務器是由兩并聯(lián)的PC服務器組成，其中一個工作站作為系統(tǒng)的后備服務器，以便在一臺服務器發(fā)生故障時，另一臺服務器仍然能支持系統(tǒng)運行。服務器裝備有后備不間斷電源，以便在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時仍能維持一定時間的電力供應。
?。?）傳感器工作站
傳感器工作站是具有CPU， 可編程的，具有數(shù)據(jù)采集、處理和通訊功能的控制器。傳感器工作站將對從傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行預處理，利用包括數(shù)字濾波，識別等信號處理技術(shù)，濾除信號的噪聲和寄生頻率信號，提高信號的可靠性和可信度。
（3）風速傳感器；
?。?）加速度傳感器；用于測量結(jié)構(gòu)模態(tài)及配合GPS系統(tǒng)。
?。?）應變傳感器；
?。?）溫度傳感器；
（7）濕度傳感器；
（8）EM索力傳感器；
?。?）GPS 系統(tǒng)；
?。?0）傾斜傳感器；配合GPS系統(tǒng)。
(11)監(jiān)測系統(tǒng)通訊、數(shù)據(jù)電纜種類（略）
4.2監(jiān)測系統(tǒng)的軟件：
系統(tǒng)軟件以UNIX 或者WINDOWS為操作系統(tǒng)平臺，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)處理、橋梁健康預報與診斷和多用戶服務系統(tǒng)于一體。
它分為以下幾個模塊：
● 系統(tǒng)參數(shù)控制模塊；
● 嵌入在傳感器工作站的數(shù)據(jù)采集與預處理模塊；
● 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊；
● 數(shù)據(jù)綜合處理與橋梁數(shù)據(jù)分析模塊；
● 健康監(jiān)測系統(tǒng)預警模塊；
● 多用戶服務、數(shù)據(jù)顯示、網(wǎng)絡通信模塊；
● 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫
限于篇幅，具體的軟件說明詳見另一篇論文《大型橋梁分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)-DIBHM》介紹。
4.3本系統(tǒng)的主要特點：
（1） 多級分布式數(shù)據(jù)采集和處理，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)簡單，信號傳輸距離短，減少了信號傳輸噪聲，提高了系統(tǒng)的運行效率和可靠性。多級數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，具有以下功能：
ａ．實時數(shù)據(jù)采集，數(shù)字信號和數(shù)據(jù)預處理，以及實時超限預報；
ｂ．在線二次預數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存檔，關鍵結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析；
（2） 系統(tǒng)實時對傳感器的輸出作出響應。傳感器工作站是智能型的信息處理器，它對數(shù)據(jù)進行實時采集、預處理和實時預警，提高了系統(tǒng)的效率。在傳感器工作站的設置在重點監(jiān)控的參數(shù)種類和重點監(jiān)控部位。提高監(jiān)測的有效性。
?。?） 健康監(jiān)測系統(tǒng)預警系統(tǒng)包括：初級預警，二級預警和全橋預警，每一級預警分三級：預警可信度高.
?。?） 傳感器工作站具有系統(tǒng)自校驗功能，系統(tǒng)將定期對傳感器的工作性能及其工作狀態(tài)，以及系統(tǒng)的漂移進行檢測與修正，保證系統(tǒng)能夠長期地對結(jié)構(gòu)的變化有正確的相應。
?。?） 橋梁健康評估和診斷系統(tǒng)。橋梁整體和部件結(jié)構(gòu)綜合分析包括：ａ．靜態(tài)分析：幾何建模和應力分析，并與標準模型比較；ｂ．載荷分析：溫度載荷，交通載荷，風載荷；ｃ．動態(tài)分析：模態(tài)分析；橋梁健康狀態(tài)的定期評估、超域值事件的評估、異常狀態(tài)的分析和識別、結(jié)構(gòu)建模和分析、靜力承載能力分析和動力特性評估。
?。?） 橋梁靜態(tài)校驗在系統(tǒng)軟件中，設置了大橋靜態(tài)載荷校驗模塊，實現(xiàn)對橋梁的定期靜態(tài)校驗，多用戶橋梁檢測平臺，實現(xiàn)多用戶在位在線分析，檢測和觀察。
（7） 多數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量小，完整，有效。
（8） 多用戶橋梁監(jiān)測平臺，可實現(xiàn)多用戶在位在線分析，監(jiān)測和觀察。
5主要工程數(shù)量及概算
全橋共設傳感器291套，工作站總數(shù)11套，服務站3套。其中
風速傳感器：主跨梁體2，東塔2 ，合計4；
加速度傳感器：主跨梁體13，東塔3 ，西塔3 ，合計19；
應變傳感器：主跨梁體50，東塔32 ，西塔32 ，合計114；
溫度傳感器：主跨梁體10，東塔2 ，西塔2，合計14；
濕度傳感器：東塔1；
EM索力傳感器：斜拉索 128；
GPS 系統(tǒng)：主跨梁體3，東塔1 ，西塔1，地面1，合計6；
傾斜傳感器；配合GPS系統(tǒng)，合計5；
工作站：主跨梁體7，東塔2 ，西塔2，合計11；
服務站：管理處1，東塔1，西塔1，合計3 。
系統(tǒng)估算造價：760萬元。
6 結(jié)語：
國際國內(nèi)已有較多關于橋梁健康監(jiān)控方面的相關論述，但真正實踐并獲成功者在世界范圍內(nèi)亦寥寥無幾，丹麥人對Faroe 跨海斜拉橋進行施工階段及通車首年的監(jiān)測，后期監(jiān)測結(jié)果就放棄了深入分析，中國香港在機場聯(lián)絡線上三座橋上較成功地利用了GPS系統(tǒng)，美國人1996年在Kishwaukee橋上安裝了第一代的橋梁智能監(jiān)控系統(tǒng)，目前仍在正常工作，我國作為目前橋梁建設大國，橋梁設計和施工水平已經(jīng)躋身世界先進行列，在橋梁智能監(jiān)控方面也理應不能落后，但愿有志者和我們一起努力，堅持不懈，使我國盡快在大橋智能監(jiān)控上取得真正的成功。
