橋梁健康監測管理系統設計方案

2023年12月12日發(作者：關于中國的作文)

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橋梁健康監測管理系統設計方案

為進一步提升我區設施部門對橋梁及智能化監管能力，同時響應考核要求，在建設市政綜合監管平臺的同時，同步完善綦江區橋梁健康監測管理系統的建設。橋梁健康監測系統與智慧市政平臺實現數據與統計結果的對接，一下為橋梁健康監測系統的詳細情況：

第一章 系統功能架構

根據橋梁監測系統的目的，本項目設計分為自動化傳感監測子系統、數據存儲與管理子系統、基于監測結果的綜合預警和安全評估子系統、用戶界面子系統4部分，分別為：

1.自動化傳感監測子系統

本系統包含以下三個模塊：

(1)傳感器模塊：傳感器是指能感受規定的被測物理量，并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，其基本功能是檢測信號和信號轉換，通過傳感器將各類監測信號轉換為電(光)信號。傳感器處于監測系統的最前端，用于獲取監測信號，其性能將直接影響整個健康監測系統，對測量精確度起著決定性作用。

(2)數據采集與傳輸模塊：將監測信號轉換為數字信號并完成遠程傳輸。

(3)數據處理與控制模塊：將監測信號進行預處理以及二次處理以向其它子系統提供有效的信息源或力學指標，根據需要設定程序控制監測參數的采集。

2.數據存儲與管理子系統

將監測信號進行預處理以及二次處理以向其它子系統提供有效的信息源或力學指標，根據需要設定程序控制監測參數的采集。通過該子系統可實現整個健康監測所有數據的平臺管理工作，完成數據的歸檔、查詢、存儲等操作，在系統

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全壽命期內統一組織與管理數據信息，為系統維護與管理提供便利，也為各應用子系統提供可靠的分布式數據交換與存儲平臺，方便開發與使用。

3.基于監測結果的綜合預警和安全評估子系統

通過該子系統實現根據監測數據進行結構狀態與損傷識別，并綜合識別的結果對結構的安全使用狀況進行預警評估。具體為：能夠對監測及識別的結果進行趨勢對比、分析與預測；對結構變形等監測參數建立明確的預警指標，能夠對監測結果進行分級預警；通過人工干預綜合各種監測數據、定期測量信息、內力狀態信息對結構進行綜合評估。

4.用戶界面子系統

該模塊是各子系統數據的支撐系統，將各種數據向用戶展示，并且接受用戶對系統的控制與輸入。

5.巡檢養護子系統

該模塊主要是指主橋可以到達結構部位的巡檢養護管理子系統，包含了橋梁的日常管養。

第二章 系統監測的范圍

根據橋梁的結構形式、橋址環境、行車環境等特點，本監測方案擬針對兩橋的環境風速風向、環境溫濕度、應力、索力、結構溫度、空間變位、主梁擾度、縱向位移、振動特性等參數以及高清視頻附加項進行監測。

第三章 監測項目

基于本項目橋梁受力特性與構造特點，結合監測的目的，本系統監測項目如下：

(1)風速風向

(2)大氣溫濕度監測

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(3)結構應力

(4)結構溫度

(5)空間變位

(6)主梁撓度

(7)梁體位移

(8)振動

(9)墩頂傾斜

(10)箱內濕度

(11)高清視頻

3.1 風速風向監測

風荷載包括風速、風向，從結構危險性分析來看，風荷載主要影響本結構的空氣動力穩定性，此外運營期系統監測到的風荷載數據以及對應結構的響應直接決定著橋梁的運維狀態，是安全評估子系統中保證橋梁安全的一個重要預警指標。

3.2 大氣溫濕度、箱梁內溫濕度監測

溫濕度監測是橋梁工作環境分析和設計驗證的重要依據。

3.3 應力監測

應力變化的監測分為動應力監測和靜應力監測。通過對各控制部位斷面進行應力的監測，了解橋梁在各種荷載作用下的受力情況，分析其應力水平然后與各種荷載組合下的設計值進行比對。對構件應變的監測可以分析求解出測點的應力狀況。結構的應力指標是運營期間安全性預警的重要信息，也是結構狀態分析的參考信息。

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3.4 結構溫度監測

溫度變化在某些情況下會在橋梁中產生不可忽視的內力作用，另一方面溫度變化也影響應力測試結果，結構應力測試結果必須進行溫度修正，因此在橋梁所有應力測點位置均同時設置結構溫度測試點。

3.5 空間變位監測

同時實時監測大橋關鍵位置的三維位移，確定大橋的變形狀況，為研究結構位移與環境變化的關系。

3.6 撓度監測

主梁直接承受來自車輛的荷載作用，主梁的變形受到自身截面幾何尺寸、構造形式、材料特性的影響，撓度值不僅反映了梁體局部剛度的大小，也是橋梁結構整體工作性能的最直觀表現，是結構安全預警的重要指標，必須進行監測。

3.7 梁體位移監測

主梁體系溫差以及風致振動的影響下，沿縱向將產生一定的位移值，為保證縱橋向能量的釋放避免產生過大的次內力，同時考慮橋面體系的連續性，須釋放梁端支座的縱向約束并在橋面布設伸縮縫裝置。而在橋梁運營期間，主梁和支座在荷載作用下可視為沿縱橋向協調變形，其縱橋向位移值能夠反映出伸縮縫和支座處于正常工作狀態，因此應對梁體的縱向位移(伸縮縫位移)進行監測。

3.8 振動監測

振動監測橋梁主體結構的振動特性，是反映系統動力特性的關鍵性指標。、

3.9 墩頂傾斜

高敦在長期外在荷載作用下，可能導致橋墩柔性變形，墩頂出現偏移，影響結構安全。

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3.10 高清視頻監測

本系統擬定再兩線橋安裝視頻監測點，監測橋面表觀狀態及行車狀況。

第四章 監測點的布設方案

表5.1大橋監測點布置表

序號 監測項目 測點數量 單位

1

2

大氣溫濕度

風速風向

1

1

個

個

測點位置

主跨1/2處截面

主跨1/2處截面

兩邊跨1/2截面、主跨1/2截面，1#敦截3 結構應變 48 個 面、2#敦截面，共5各截面，各截面梁體布置8個應變計。

4 結構溫度 48 個 與應力監測點一致。

兩邊跨1/2截面、主跨1/2截面梁體，各5 振動 12 個 布設2個豎向振動監測點，2個橫向振動監測點。

6 空間變位 2 個 主跨1/2處截面，橋頭設置基點1個

兩邊跨1/2截面、主跨1/2截面梁體，各7 撓度 16 個 布設4個撓度監測點，另布設4個基準點。

0號橋臺、3#橋臺，各布設4個梁體縱向8 伸縮縫位移 20 個

位移監測點；1#敦、2# 敦各布設4個梁體縱向位移監測點，2個梁體橫向位移監測點。

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9 墩頂傾斜 4 個 1#、2# 墩頂

兩邊跨1/2截面、主跨1/2截面，箱內各箱室各1個。

橋面適當位置布設

10 箱內溫濕度 12

11

視頻

合計

2

166

個

個

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圖5.1大橋監測點布置圖

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第五章 傳感器模塊

傳感器的主要目的是為結構狀態預警和評估以及判斷橋梁結構參數變化趨勢采集所需的數據，應具備以下功能：

1）能夠向綜合預警安全評估子系統提供數量和精度都滿足要求的監測數據；

2）能夠實現參量的同步監測；

3）能夠滿足實時監測的需要；

4）滿足長期穩定監測的需要。

傳感子系統將各類傳感器采集到的數據信號通過專用線纜傳送至采集站，是整個結構安全監測系統的關鍵部分，事關監測數據的準確性和可靠性，為后續的數據分析和安全評估提供數據支持，是關系到系統成敗的關鍵。以技術先進、經濟合理、性能可靠、長期穩定、滿足監測要求的目的確定傳感器的類型，本系統元器件、儀器設備的選型滿足以下原則：

（1）先進性原則：根據監測要求，選用技術成熟、性能先進的傳感器；

（2）可靠性原則：保證系統在橋梁服役環境下安全可靠運行，經濟實用；

（3）耐久性原則：選用耐久性好、抗干擾強的傳感器；

（4）可維護、可擴展原則：傳感器易于維護和更換；

（5）監測頻率適中原則：監測頻率太低則小跨度橋梁的響應數據難于捕捉；監測頻率過高對通信線路和數據存儲、分析服務器的要求更高，造成資源浪費。

表5.2大橋傳感器表（常規選型）

序號

1

監測項目

大氣溫濕度

壓差式靜力水準儀

超聲波風速風向儀

測點數量

1

單位

臺

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2

3

4

5

6

8

9

10

11

12

風速風向

結構應變

結構溫度

振動

空間變位

撓度

伸縮縫位移

墩頂傾斜

箱內溫濕度

視頻

合計

大氣溫濕度計

光纖光柵應變計

光纖光柵溫度計

光纖光柵加速度計

GNSS

壓差式靜力水準儀

磁致伸縮位移計

傾角計

溫濕度計

高清球機

1

48

48

12

2

16

20

4

12

2

166

臺

臺

臺

臺

臺

臺

臺

臺

臺

臺

第六章 數據采集與傳輸模塊

數據采集與傳輸子系統由分布在大橋的外場數據采集傳輸站和互聯網網絡組成，設備采用先進的成熟產品，以確保系統的穩定性、耐久性。

數據采集與傳輸子系統負責將傳感器監測的數據采集回來，轉換成數字信號，并傳輸到監控中心服務器，因此需要由穩定的通信網絡和220V交流電源供應，建議向運營商申請專用的商業光纖，電源提請業主就近接駁。子系統實現如下功能：

1）應能在無人職守條件下24小時連續運行，滿足數據長期穩定采集傳輸的要求，滿足數據實時采集傳輸的需要；

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2）能將采集到的光/電信號轉換成數字信號；

3）具有斷電電重啟功能、斷網后自動連接功能以及必要時自動重啟功能；

4）數據采集軟件具有采集和管理功能，能對現場數據進行基本的統計運算；

5）具有遠程通信和遠程管理功能，系統管理員可以通過遠程操作對子系統采樣頻率、傳輸頻率等參數進行調整；

6）系統軟件操作權限分為多級。只有系統管理員具有調整參數的操作權限，而一般的普通管理員不應被賦予上述操作權限，以保證系統安全；

7）為了與其它基于TCP/IP的設備和網絡相協調，綜合數據采集站信號傳輸網絡應基于TCP/IP標準；

8）外場采集站與監控中心之間通過專用互聯網傳輸線路實現遠程通信。

6.1 數據采集模塊

數據采集模塊應具有兩大功能，即信號處理及采集與控制。

(1)信號處理

信號處理主要包括：信號放大、信號過濾和信號轉換，實現信號隨機采樣、觸發采樣、定時采樣，采樣時實時觀察波形變化；低通，高通，帶通，帶阻濾波；幅域統計：描述信號的幅域特征；時域、頻域分析：可對動態信號進行時域、頻域范圍的不同類型分析，可進行不同點數的FFT分析、相關分析。其工作原理與流程圖如下：

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圖5.2信號處理模塊工作原理圖

(2)數據采集與控制

數據采集與控制功能通過嵌入式軟件實現，該軟件嵌入到到前端設備或工控機中，負責數據采集（從信號處理裝置中讀取數字信息）、數據存儲（在定時傳輸前暫時存儲、在傳輸網絡故障時暫時存儲）、數據預處理（包括最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、方差、標準差等值、采集控制（接受監控中心人員發出的遠程指令，進行定制采集，如：改變采集頻率等）。

本項目數據采集策略是：

光纖解調儀采集光纖類傳感器數據，通過內部有線網絡傳輸到工控機；

震動傳感器通過強震儀采集數據或傳輸到工控機；

GNSS監測點和基準點數據通過無線網絡傳輸到工控機，在工控機上運行其準用解算軟件計算出測點三維空間變位數據。

視頻通過光纖傳輸到前端硬盤刻錄機，并連接工控機控制。

其它監測設備主要信號為R485/R232，主要通過串口服務器或通用的信號采集設備采集，鏈接現場工控機控制。

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圖5.3 采集與控制工作流程圖

6.2 數據傳輸模塊

現場采集設備通過有線或無線的方式傳輸到現場總控制設備（工控機），前端數據整理后，統一通過有線的方式傳輸到后端云平臺。

本項目現場主要采集傳輸設備清單如下：

表5.3主要采集傳輸設備清單

設備名稱

光纖解調儀

數據綜合采集儀

工業計算機

工業交換機

工業路由器

專用商業光纖

單位

臺

臺

臺

臺

臺

條

數量

1

2

2

1

1

1

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野外機柜 個 1

第七章 監控中心

監控中心是監測系統的樞紐，負責接收現場監測數據，調控現場數據采集傳輸模塊，運行數據存儲與管理軟件、綜合報警與結構安全評估軟件、用戶界面軟件、支持用戶通過互聯網訪問。此次監控中心建設設備由業主提供，基本要求清單及參數如下：

表5.4監控中心主要設備清單

設備名稱

服務器

工業交換機

工業路由器

專用商業光纖

室內機柜

單位

臺

臺

臺

條

個

表5.5服務器主要技術指標

技術參數

處理器

內存

硬盤

技術指標

1個英特爾?至強?處理器E5-2630(八核2.0 GHz)

16GB

數據庫服務器不小于2TB SAS

數量

2

1

1

1

1

第八章 數據存儲與管理子系統

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結構監測系統中存在各個子系統、子模塊的配置信息、橋梁數字化信息以及采集處理的數據，橋梁全壽命期內數據量、圖形量龐大，信息的種類繁多，有多個子系統共享并互相調用數據信息，同時要支持分布式的處理與訪問，也要支持多并發用戶的操作，因此數據的安全性極為重要。通過建立系統的中心數據庫子系統，統一管理與組織數據信息，給系統的維護與管理提供便利，也為各應用子系統提供可靠的分布式數據交換與存儲平臺，方便開發與使用。

數據庫子系統原始信息的來源為傳感器系統的監測數據。這類數據經預處理、二次預處理和后處理后進行數據壓縮、信息提取和融合，可得到結構特性及荷載響應特性等實時結果，并可在此基礎上建立結構“基準健康”狀態數據庫(包括基準值、界限值和參數相關性模型。

中心數據庫子系統要求能夠保障數據存儲安全，系統能夠長期不間斷穩定工作，能夠同時處理結構化及非結構化數據，能夠完成數據的高速查詢及視圖的快速生成，支持網絡分布式數據管理，支持WEB數據訪問，滿足開放式數據庫協議等。

系統需要完成原始數據的處理并入庫的功能，保存到數據庫中的數據包含了某段時間監測數據的特征值，保存特征值可以方便我們對長期存儲數據的統計與分析。統計報表需要對保存下的數據進行進一步的處理，剔除異常點并將處理后的數據保存到數據庫中。

根據系統存儲和管理海量數據和不同形式數據的需求，數據庫層使用兩種數據庫，都是基于目前最新的nosql大數據設計理念的分布式數據庫，分別為mongodb和hba，mongodb用來存儲用戶配置以及管養等半結構化數據，hba用于存儲海量的實時監測數據。

數據備份和災難恢復策略方面，監測系統需要長期穩定的保存各種數據，數據庫管理員需要制定合理的備份數據庫、恢復數據庫、收縮數據日志、轉移數據庫的策略，以保證數據的完整及安全。

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完整和及時的數據備份是當遇有事故發生后拯救數據的最關鍵手段，因此也是保證數據安全的重要環節。對數據備份重視不夠，數據備份設備不完好，不經常檢查和定期更新數據備份介質，都可能產出無效的數據備份。

從制度措施上來說，對數據庫數據備份沒有健全的規章制度，數據備份策略制定的不合理，沒有對數據備份介質進行可靠的存放，也會給數據安全帶來隱患。

數據庫管理員要經常性對數據庫進行備份以保證可以實現災難恢復，可以通過刻錄光盤保存和通過大容量移動存儲設備來保存。一旦監控中心服務器發生災難性事故，便可以通過異地的數據庫備份來恢復數據，減小損失。

第九章 綜合預警和安全評估子系統

對結構物進行監測的目的是通過對監測數據的分析，從而進行結構安全綜合預警、狀態評估，進一步進行模態分析、相關性分析等，為專家遠程診斷和管養決策提供可靠的數據依據。

第十章 數據分析

（1）數據異常分析

監測數據中的異常值，是指明顯不符合所監測設施受力狀態的監測值。處理這樣的數據要借助對監測數據的平滑處理來實現，在進行異常數據的識別時，其所采用的樣本點需要的時間較長，一般情況下需要可分為3天、7天、15天和30天這幾個時間段。

當對這些時間段的數據進行平滑處理后，計算監測值與平滑后的數值的差值，然后對這些差值采用統計學中剔除粗差的方法進行異常數據識別：監測數據列中異常數據的識別標準有主要有三種：3σ準則、肖維準則、格拉布斯準則。鑒于肖維準則、格拉布斯準則在計算上的復雜性，再考慮到3σ準則在監測異常數據識

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別上已足夠，因而，橋結構監測異常數據識別采用3σ準則進行。對于議程數據不參與預警與結構狀態評估。

（2）數據統計對比分析

對于監測數據的統計對比分析主要包括兩方面：一是對監測數據從統計的角度計算最大值、最小值、平均值、均方值、方差、標準差等值；二是進行對比分析：歷史同期數據對比、環比、與預警閥值的對比、不同位置類似構件監測數據的對比（如左右幅應力和位移、上下游索力等）

（3）趨勢分析

趨勢分析需要應用統計學的回歸分析理論進行，為具體應用的便利，在此進行說明。趨勢模型法是根據時間序列的變化趨勢，建立一個適合的數學方程來模擬時間的趨勢變動，推算各時期的趨勢值。長期趨勢有直線型和曲線型之分。若各個時期的變化量大體相同，即各時期的增長似于一個常數時，則趨勢近似于一條直線，這時可擬合于一條直線，這時可擬直線趨勢方程。若各個時期的二級增長量大體相同，即各個時期的逐期增長量的增近似于一個常數，則趨勢線近似于一條拋物線，可以配合拋物線方程。若現象各年(環比：現在的統計周期和上一個統計周期比較增長速度)增長速度大體相同，則近似于一條指數曲線，可以配合指數曲線方程。拋物線和指數曲線或其他曲線，都是曲線型?，F實的監測中，現象發展呈曲線型是大量存在，簡單的直線上升或者簡單的下降的 情況則比較少見。長期趨勢變動曲線可以通過建立數學模型嵌入到計算機軟件中實現。

（4）重載車上橋專項分析

動態稱重系統、車牌識別儀、視頻和結構監測傳感器聯動，當重車上橋時捕捉動態數據的變化，評價不同噸位重載車對橋梁結構的影響，評價結構的承載能力和損傷。

（5）橋梁整體空間位移專項分析

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本次監測的三座橋梁都大跨度拱橋，分析橋梁整體空間變位，關注其三向位移。

第十一章 數據超限預警

當結構監測數據超過預警閥值時，系統將自動進行預警。按照《建筑與橋梁結構監測技術規范》（GB50982-2014）條文說明第三章基本規定與《公路橋梁結構安全監測系統技術規程》（JT/T1037-2016）第八章數據分析與安全預警及評估的要求，結合結構實際情況，制定本項目預警方案，主要包括預警閥值的確定、預警策略、預警形式、預警級別及對策。

（1）預警閥值的確定

預警閥值是指對結構運營環境、結構構件可能出現的不同程度異?；蛭ｋU，所設定的各監測點設備的監測參數警戒值。閾值確定的基本依據：a.規范、規程的有關規定；b.細化的大型有限元參數分析結果；c.已有研究成果和專家經驗。

圖5.4預警閥值確定流程圖

如上圖：對于理論計算閾值，如僅根據設計圖紙建立的有限元模型將無法準確地計算橋梁的實際響應，必須根據橋梁實測值對有限元模型進行修正。結合通用有限元程序和優化軟件提出了一種模型修正方法，可方便簡單地實現大型結構的模型修正。假設當參數變動較小時模型計算值對參數的靈敏度不變，研究在該假設前提下將原優化問題轉化為一系列非線性優化問題的理論依據。轉化后，在

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問題的反復迭代求解過程中不需重新計算靈敏度。這樣不但大大降低了計算工作量，而且可結合有限元程序和數學軟件對優化問題進行求解，輕松實現大型結構的模型修正。閾值的確定是一個動態過程，需要一年左右才能完全穩定。初期的閾值將根據理論計算值和規范限值確定，在運營半年左右，閾值的確定將根據理論計算值、規范限值和長期統計值確定，承建單位應根據實際情況予以更新。

（2）預警策略

為了避免頻繁的錯誤報警。在對數據統計分析的基礎上，指定嘞 綜合預警策略：

報錯：單個傳感器數據達到預警閥值時報錯，半小時以上無數據時報錯；

截面預警：一個截面兩個及以上傳感器達到預警閥值則進行報警；

類別預警：一類傳感器兩個及以上傳感器達到預警閥值則進行報警。

綜合報警：在截面報警和類別報警同時發生時進行綜合報警。

（3）預警形式

預警形式采取用戶界提示、發送預警短信、形成預警記錄三種形式：

1）用戶界面顯示

在用戶界面各測點以綠、黃、紅顏色顯示，對應測點處于正常、二級預警、以及預警狀態，點擊顯示數據趨勢線及數據列表。

2）發送預警短信

不同級別預警信息向設定的不同人員發送預警短信（指定人員電話在系統管理功能中可以設置及調整），短信內容包括：報警傳感器類型、編號、位置、異常指標及數據、發生的時間，處理建議。

截面預警和類別預警、綜合預警信息報送給業主單位、管養單位指定人員。

單個傳感器報錯信息報送給設備維修保養單位指定技術人員，進行排查。

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3）預警記錄

系統自動生成預警歷史記錄以供長期查詢，內容包括：報警傳感器類型、編號、位置、異常指標及數據、發生的時間，處理建議，處理結果，已發送短信的手機號碼，報警功能的暫停及推送按鈕。

（4）預警級別及應對

預警分為三級：達到預警閥值的70%、100%分別進行黃色預警和紅色預警，低于預警閥值的70%時不報警。預警閥值在系統管理功能中可進行設置和調整。三級預警指標如下表。

表5.6預警閥值分級表

序號

1

2

3

評判標準

Sm?70%SSLS

70%SSLS?Sm?100%SSLS

狀態

綠色

黃色

紅色

預警級別

不預警

二級預警

一級預警

100%SSLS?Sm

當監測數據處于正常狀態時不預警，正常巡視即可；

當監測數據處于黃色預警狀態時，應加強關注，結合人工巡檢資料對照分析，查找問題；

當監測數據處于紅色預警狀態時，需要密切關注，人工復核數據，必要時進行專項檢查。

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圖5.5預警響應工作流程圖

第十二章 結構狀態評估

（1）橋梁結構狀態評估方法

結構狀態評估是監測系統的最終成果體現，也是結構安全監測中技術難度最大的部分，既需要熟悉對大橋結構特性，也需要對傳感器測試數據有深刻的認識。目前主要使用的分析方法包括：模型對比法；統計分析趨勢評估法；基于結構振動的評估方法；變權層次分析法等。

我單位在長期的監測實踐項目中積累了大量的經驗，并開展了多種技術的深入研究，逐步建立了一套以監測數據及結構力學模型分析為基礎，以變權綜合層次分析法為核心的較成熟的評估方法和思路。變權層次分析方法的主要思路是：參考橋梁檢測構建評分的方法，首先通過對結構的解析確定評估內容和層次，構造評估模型；第二根據專家意見和經驗在評估模型輸入評估項進行綜合，從而得到結構各指標在整體評估中所占的比重，以確定權重；最后將指標評分和指標權重輸入到變權綜合模式中進行整體結構的安全評估。

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圖5.6變權層次分析法工作流程圖

（2）橋梁結構狀態評估報告

橋梁結構狀態評估報告分為在線評估報告和離線評估報告。在線評估報告根據上述評估辦法，編制評估軟件，按期自動生成評估報告，對橋梁構件進行評分，從而得到橋梁的總體評分。

離線評估報告分為正常狀態評估報告和突發事件狀態評估報告，由橋梁專業人員根據監測數據，結合人工巡檢、定期檢測、特殊檢測資料，并進行實地勘察調研得出，分別評估系統的可靠性、橋梁結構的安全性和耐久性。離線評估報告暫時不包含在本項目中。

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