刘杰 强博 朱排勇
中国水利水电第十四工程局有限公司 云南省昆明市 650041
摘要：针对传统人工桥梁监控方式存在的监测效率低、灵活性差、检测结果不严谨等问题，将物联网技术应用于桥梁健康监测与安全预警领域，以提高桥梁安全运营管理的水平和效率。该系统通过多种类型传感器和视频节点实时采集桥梁动态数据，而后通过无网络将数据汇聚传输至桥梁健康监测云平台进行处理和分析，从而实现对桥梁安全状况的实时监测、预警、分析与评估，对实际桥梁安全工程有重大意义。
关键词：物联网；桥梁；传感器；监测
随着经济社会的快速发展，使得桥梁的需求量日益增大，大型桥梁通常会面临超负载、自然灾害和重大交通事故等威胁，使其容易发生各种不同程度的损伤。目前，桥梁养护管理通常为定期可见建筑面检查，而桥梁内部结构的破坏和临界反应往往发生在人为不可接近的地方或隐蔽的地方，因此，对桥梁整体健康状况的监测显得尤为重要。随着物联网技术的不断成熟，对桥梁的全面实时监控成为研究的热点。本文提出了基于物联网技术的桥梁健康监测系统，实现对桥梁安全状况的实时监测、预警、分析与评估，对实际桥梁安全工程有重大意义。
1 桥梁监测指标和传感器选型
桥梁健康监测指标设计为环境、变形、结构3大类别，共计8个类型的指标: 温度、湿度、倾斜、位移、挠度、应变、裂缝、振动。本工程对重点桥梁进行健康监测，传感器的选择主要考虑到8个监测指标的精度要求、桥梁监测环境、设备维护运营成本要求，并结合桥梁的实际情况对设备进行了选型。传感器的选择原则为: 稳定性、可更换性、适用性、耐久性、先进性。
根据传感器选型的要求和原则，本工程所选的主要传感器包括: 温湿度传感器、应力应变传感器、索力传感器、沉降传感器、GPS位移传感器、风速风向传感器、视频监控系统、车辆称重系统、无线模块发射端、无线模块接收端、GPRS模块、、太阳能电池板及电池等。
2 桥梁健康监测系统架构
桥梁健康监测系统软件由 8个现场数据采集系统，一个数据中心服务系统，一个应用系统组成。8个数据采集系统分别安装在 8座桥梁监测现场，系统负责按指定采样周期采集各个桥梁监测传感器数据，并将传感器数据和传感器工作状态数据通过无线网络传输到监测中心，同时对传感器的工作状态进行检测，及时向服务中心报告出现异常的传感器，以便系统维护人员及时发现系统异常情况并及时处理。现场系统还接收服务中心指令，对采样周期等指标进行调整。该系统运行在现场采集设备计算机内。
数据中心服务系统负责接收各个桥梁监测现场传输来的桥梁健康监测数据和传感器工作状态数据，并将这些数据进行初步加工处理存储到系统数据库，该系统只对数据进行简单处理，不进行其他复杂运算以保证系统数据处理效率和响应时间。该系统以服务方式运行在中心服务器上。
应用系统负责桥梁监测数据显示，分析，安全预警，桥梁安全评价、报表打印等功能。该系统在划分为应用服务层和展示层，服务层负责系统数据处理和分析，展示层提供3D 模型、报表、图形显示，是桥梁健康监测系统人机交互界面。整体设计方案如图1所示。
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3 桥梁健康监测系统功能介绍
桥梁健康监测系统包括桥梁定位导航、桥梁监测数据显示、监测数据分析、安全预警、系统诊断、监测报表、系统管理、数据库管理7个功能。各功能介绍如下：
桥梁定位导航：系统提供功监测桥梁列表，通过选择对桥梁健康监测数据进行浏览查看，分析等操作。对每座桥梁实现全景导航，以 3D 方式显示桥梁结构及桥梁监测传感器分布结构。综合管理软件能够通过在网页中嵌入三维图像，形象的反应设备的分布和监测状态，方便用户操作。
桥梁监测数据显示：对监测的桥梁进行数据分析，完成各类数据处理，包括: 对温度、湿度、测斜、雨量、GPS 进行报表、图形等显示分析。分为实时显示模块和历史数据显示模块，实时显示模块主要显示桥梁监测传感器实时监测数据。历史数据模块以图表方式显示指定时间范围内桥梁监测指标信息，反应桥梁监测指标的历史变化趋势。
监测数据分析：数据分析功能，主要对数据进行各类分析处理，包括: 数据的统计分析、结构参数识别、结构的安全评估等功能。
安全预警：对结构安全状况的预报警，当判断出结构存在安全隐患时，系统通过实时界面提示、报表、Email、短信等形式进行预报警。包括报警模块和报警设置模块。报警模块在检测到异常后根据设置进行报警处理，报警设置模块设置各个监测指标的报警值，报警方式等参数。
系统诊断：实现对桥梁监测设备管理，包括监测设备列表，发送控制指令由现场数据采集模块对传感器进行工作状态诊断，对故障设备进行提示，为设备维修和更换提供依据。
监测报表：实现报表统计，通过对监测历史数据进行分析，生成桥梁健康状态数据报表，允许用户下载打印。
系统管理：系统管理完成系统用户授权，角色分配，密码管理功能。为系统安全提供保障，保证只有经过认证和授权用户才能访问系统。为保障系统的安全运行，对不同管理人员提供不同的权限。包括用户管理，角色管理，权限管理模块。
数据库管理：建立系统数据库，存储桥梁监测和系统配置数据，提供数据访问服务接口，并预留扩展接口，以备后续进行大量桥梁健康监测时使用。
4 桥梁健康监测系统预警等级划分
监测系统把桥梁的安全预警划分为4个等级：
红色：表示桥梁的安全状况非常严重，桥梁已经出现严重损坏，应停止使用并实施交通管制。如环境中某些危机安全的因素（如地震、洪水等自然灾害）正在加剧，或重大交通事故；
橙色：表示指桥梁的多数指标超过正常范围，需要对每个指标进行逐一排查并处理，避免安全事故的出现；
黄色：表示某些设备超过或者临界正常指标范围；
绿色：表示桥梁各个指标都在正常范围内变化，未出现异常情况。
由此可知，红色和绿色等级为两个极端。绿色表示大桥的健康状态良好，各项部件工作正常；红色则表示大桥处于严重危险状态，需要对大桥进行相关的维护及检修。另外两个等级分别是橙色和黄色，橙色表示大桥可能存在潜在的安全隐患并需要对大桥进行常规检查，黄色则代表大桥处于危险状态，可能是大桥中的某个部件出现了问题并需要对其进行相应的检修。
为了正确检测大桥的健康状态，系统对以上4种状态进行了阈值设置，当检测结果大于设定的阈值，则进入相应的处理流程以保障大桥的正常工作。通过分析发现，对于工作状态正常的大桥，其结构检测部位基本上与理论值保持一致，所以绿色状态的阈值设置可以根据理论计算得出，在实际环境中，把该状态的下限和上限分别设置为0.95倍设计荷载作用效应和1.05倍设计荷载作用效应；对于红色状态的阈值，下限和上限分别设置为1.15倍设计荷载作用效应和1.25倍设计荷载作用效应；对于中间两个状态即橙色和黄色，采用经验值的方式进行阈值设置，其阈值的下限和上限分别设置为1.05倍设计荷载作用效应和1.07倍设计荷载作用效应。
5 结束语
本文充分利用物联网技术的优势，并结合桥梁本身的特点与需求，设计了一套智能化桥梁健康监测系统。实际应用表明，该系统能够全天候24h对桥梁健康状况实施有效的监控，对传感器数据的可视化和对监测结果进行详细分析，并指导维修人员对桥梁结构进行管理。下一步，将根据系统长期运营的新需求，进一步优化系统，使其具备适用性、安全性和稳定性。
参考文献:
[1] 杨京帅,雷景敏.基于物联网技术的桥梁安全监测与评估关键问题研究.公路,2012(9).
[2] 蒋亚军,贺平,赵会群,等.基于EPC的物联网研究综述.广东通信技术,2005(8):23-29.
[3] 李戈,秦权.用遗传算法选择悬索桥监测系统中传感器的最优布点.工程力学,2000,17(1):25-34.
[4] 唐亚鸣,张河.信息传感器在桥梁健康监测中的应用.智能建筑与城市信息,2003,10(5):48-50.