橋梁智能健康監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀研究

2023年12月12日發(fā)(作者：番鴨)

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橋梁智能健康監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀研究

摘要：近年來(lái)，我國(guó)修建了大量的橋梁工程項(xiàng)目，其中有許多大跨度、重荷載的連續(xù)梁橋、鋼拱橋、斜拉橋和懸索橋等，橋梁的建設(shè)位置甚至位于艱險(xiǎn)的高山峽谷和跨江跨海區(qū)域，采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)或者被動(dòng)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已不現(xiàn)實(shí)，發(fā)展智能化、遠(yuǎn)程無(wú)線化的監(jiān)測(cè)技術(shù)成為目前重要的研究方向，隨之而來(lái)的橋梁智能健康監(jiān)測(cè)的硬件和軟件系統(tǒng)的發(fā)展，基于信息化和智能化的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)、連續(xù)和實(shí)時(shí)探測(cè)、反饋、診斷、建議和輸出。

關(guān)鍵詞：橋梁；智能健康監(jiān)測(cè)技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀

1橋梁智能健康監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

橋梁智能健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種利用先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、全面的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的疲勞、裂紋、變形等問(wèn)題，提供精準(zhǔn)的健康狀態(tài)評(píng)估和維護(hù)建議的技術(shù)。其目的在于提高橋梁的安全性和可靠性，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，降低維護(hù)成本，促進(jìn)交通運(yùn)輸?shù)陌踩涂沙掷m(xù)發(fā)展。

2橋梁智能健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

2.1橋梁智能化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及硬件設(shè)備

在傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，往往是在橋梁結(jié)構(gòu)在制造完成后間斷性地對(duì)橋梁進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往不能反映結(jié)構(gòu)的承載力和變形歷史，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)屬于離線的、靜態(tài)的和被動(dòng)的結(jié)果。為了實(shí)時(shí)、連續(xù)地提供橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形演變，識(shí)別機(jī)構(gòu)的損傷位置和損傷程度，賦予橋梁具有智能運(yùn)營(yíng)功能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)服役性能、可靠性和耐久性的智能感知，達(dá)到提高橋梁安全性、降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用的目的，同時(shí)也可以在特殊氣象環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害和橋梁結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)及時(shí)提供診斷結(jié)果和發(fā)出預(yù)警信息。一般而言，智能化的橋梁健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)分為軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備兩部分。在智能化橋梁健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)中，硬件設(shè)備主要是傳感器系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分布式傳感器系統(tǒng)能夠?qū)z測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、應(yīng)力、索力、傾角等信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后，電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集卡中，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字信號(hào)，以便于后續(xù)的信號(hào)處理和分析；軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、健康預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和無(wú)線遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，在專(zhuān)用的分析軟件終端進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析，當(dāng)出現(xiàn)參數(shù)異常時(shí)激活健康預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信息，原數(shù)據(jù)以及處理后的海量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)拷貝傳輸至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的挖掘、分析、搜索和展示，并可通過(guò)云服務(wù)器上傳至云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久保留，在數(shù)據(jù)的采集和傳輸中還可以借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的連接和控制，甚至可以完成全球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)采集數(shù)據(jù)對(duì)象的需要，可以依托ProtelDXP軟件作為電路設(shè)計(jì)環(huán)境，采用圖像化的元件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的電路仿真、運(yùn)行。在采集數(shù)據(jù)對(duì)象中，最主要的數(shù)據(jù)為橋梁結(jié)構(gòu)的傾角、內(nèi)力、加速度和位移。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到數(shù)據(jù)可經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)服務(wù)中心系統(tǒng)或數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之間實(shí)際通信，但是完成無(wú)線傳感器的信息通信需要制定無(wú)線通信協(xié)議，以滿足各個(gè)系統(tǒng)和系統(tǒng)框架之間共同遵守的MAC層協(xié)議。在現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù)中，主要采用三種通信協(xié)議，分別是基于移動(dòng)、電信和聯(lián)通等運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的NB-IOT協(xié)議、eMTC協(xié)議，以及基于廣域網(wǎng)傳輸技術(shù)的LoRa通信協(xié)議。

2.2基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁智能化健康監(jiān)測(cè)信息處理技術(shù)

受到環(huán)境因素的不確定性以及測(cè)試信息不完備的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力、變形等在全結(jié)構(gòu)上的分布是動(dòng)態(tài)的和持續(xù)變化的，這種高度復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，采用人工處理的方法不僅效率低下，而且無(wú)法求解不精確和模糊的信號(hào)處理問(wèn)題。橋梁智能化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一門(mén)多學(xué)科交叉的綜合體系，其中信號(hào)處理技術(shù)是其智能化最為重要的體現(xiàn)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理技術(shù)作為應(yīng)用最為廣泛的深度學(xué)習(xí)、人工智能方法，將其應(yīng)用于橋梁智能化健康監(jiān)測(cè)信息處理具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的并行運(yùn)算，具有顯著的非線性映射能力，基于誤差反向傳播算法，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)后能夠滿足不精確和模糊信號(hào)的處理，并可以實(shí)現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第一層為數(shù)據(jù)輸入層，第二層為隱含層，該層神經(jīng)元數(shù)量與輸入數(shù)據(jù)的特征復(fù)雜度密切相關(guān)，下一層為輸出層，用于將上層輸入信號(hào)組合映射成所需形式再輸出。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)徑向基函數(shù)及其相關(guān)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)組成了隱含層空間，將數(shù)據(jù)映射到該隱層空間，對(duì)于此種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一旦各層神經(jīng)元個(gè)數(shù)及連接關(guān)系、相關(guān)函數(shù)等參數(shù)給定，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能開(kāi)始高效迭代學(xué)習(xí)，并且快速訓(xùn)練完成網(wǎng)絡(luò)，這就是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)解決包含自適應(yīng)在內(nèi)的控制類(lèi)型任務(wù)具有優(yōu)勢(shì)的原因。而確定隱層神經(jīng)元參數(shù)則大多數(shù)情況下需要采用非線性策略完成，其必須提前設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)量等參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非線性映射。

3橋梁智能化健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例研究

某橋梁工程位于長(zhǎng)江中下游，為大跨度鋼桁架與斜拉組合橋，承受動(dòng)力荷載較大，橋梁長(zhǎng)度2197.3m，主梁鋼桁為N型平行桁架，設(shè)計(jì)恒載為230kN/桁，主塔為雙柱式橋墩固結(jié)結(jié)構(gòu)，采用8對(duì)斜拉索，斜拉橋索面間距為23.4m。基于橋梁智能健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和預(yù)測(cè)。由于16道拉索的溫度索力呈基本對(duì)稱變化，因此選擇1號(hào)～8號(hào)索進(jìn)行分析，隨著溫度增加，各道拉索的溫度索力均呈現(xiàn)不同程度的變化，但總體上是呈逐步降低的趨勢(shì)。隨著溫度增加，各道拉索的溫度索力均呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)，且其預(yù)測(cè)數(shù)值與實(shí)測(cè)略小，但誤差值非常小，在±5%以內(nèi)，表明基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效地基于健康監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值實(shí)現(xiàn)智能化的預(yù)測(cè)。

4結(jié)語(yǔ)

本文以長(zhǎng)江某斜拉大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，研究了橋梁智能化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及硬件設(shè)備、智能化信息處理技術(shù)，得到以下結(jié)論：（1）橋梁智能健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地提供橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形演變，識(shí)別機(jī)構(gòu)的損傷位置和損傷程度，賦予橋梁具有智能運(yùn)營(yíng)功能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)服役性能、可靠性和耐久性的智能感知，達(dá)到提高橋梁安全性、降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用的目的。（2）智能化的橋梁健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)分為軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備2部分，硬件設(shè)備主要是傳感器系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、健康預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和無(wú)線遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，其無(wú)線通信協(xié)議包括NB-IOT協(xié)議、eMTC協(xié)議和LoRa通信協(xié)議。（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)，對(duì)斜拉橋溫度索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)表明，隨著溫度增加，各道拉索的溫度索力均呈現(xiàn)不同程度的變化，但總體上呈逐步降低的趨勢(shì)，預(yù)測(cè)數(shù)值與實(shí)測(cè)值略小，但誤差值非常小，在±5%以內(nèi)，表明基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效地基于健康監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值實(shí)現(xiàn)智能化的預(yù)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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