湛江海湾大桥分布式智能分布系统简介

湛江海湾大桥分布式智能监控系统简介湛江海湾大桥分布式智能监控系统简介中铁大桥勘测设计院东南桥梁诊治研究中心朱利明 庄勇 岳青摘要：摘要：依托湛江海湾大桥，介绍了分布式智能监控系统的组成及其关键技术，主要监测内容、 方法、软件及硬件，并就桥梁智能监控的现状、存在的问题及发展方向做了简介 关键词：关键词：桥梁、智能监控系统；综合监测；预警；传感器、软件1概概 述述 1.1 目前桥梁智能化监控的现状 智能桥梁系统（Intelligent Bridge System） ，它是以桥梁结构为平台，通过结构监测系统、 环境监测系统、交通监控系统、设备监控系统、综合报警系统、信息网络及分析处理系统及 它们之间的最优化组合，向管理者提供一套对桥梁结构的长期的实时使用状态综合监控，以 期提高大桥的整体管理技术水平，确保桥梁安全运营，预诊断桥梁病害，延长桥梁使用寿命。另外，通过对监控系统采集数据的综合分析，可以更为准确地把握桥梁在各种荷载下真 实的受力及变形状态，对相关结构的设计及科研具有极高的技术价值。 自二十世纪 50 年代以来，进行桥梁智能化监测的重要性就逐渐被认识，但受检测、监 测手段比较落后的限制，在应用上一直未得到推广和重视。近年来随着大跨径桥梁结构的轻 柔化、形式与功能的复杂化，这项技术成为国内外学术界、工程界的研究热点。许多国家包 括我国都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行了有益的尝试，部分桥梁的监控取得了一定的 效果，象香港青马大桥、江阴大桥、南京长江二桥等，但根据现有资料介绍，有些桥梁主要 监控成功的均是辅助监控系统，诸如，环境监控系统、交通监控系统及部分 GPS 系统，对 结构安全至关重要的结构监测系统成功实现的例子国鲜有报道。某些桥梁成功实现了部分构 件（比如主缆、吊杆、斜拉索）的内力变化监测，但对于其海量数据的处理分析，则显得力 不从心，而且部分数据的失真，也使得管理者对于整体监控数据产生怀疑；另外，对数据管 理、分析及远程监控、自动报警等工作，在这些桥梁上远远没有达到智能化程度。 1.2 当前桥梁监测系统存在的主要技术问题 当前已经安装运行和正在开发的桥梁监测系统存在的主要技术问题： （1）硬件系统庞大，因此造成系统出现故障的几率增加，可靠性降低，而且不便于维 护和操作； （2）传感器信号传输信噪比低，每一个传感器的信号，通过信号传输网络长距离传送， 传输到数据采集处理服务器，而后进行数据处理、分析、存档。数据传输过程中的噪声降低 了传感器的信噪比，从而降低了测量数据的可信度； （3）数据量大，虽然数据采集系统对来自各个传感器的响应信号进行连续的实时数据 采集，但由于所采集的数据量过于庞大，如何有效地处理、分析和管理这些数据是当前结构 健康监测系统亟需解决的问题。 （4）因系统设计人员对桥梁结构理解不深，对所测数据的力学相关性分析不足，不利 于对桥梁进行预警。 （5）部分传感器使用寿命短，漂移值不稳定。 （6）预警设计域值确定工作量极大，各类参数区分识别较困难。 综合分析可知，数据采集过程中的许多因素均会影响数据的可靠性，能否对所采集数据 进行实时预处理决定了系统存在的必要性，而能否深刻理解桥梁结构、掌握各传感器采集信号的关连性、正确设置预警值则决定了系统的成败。 1.3 桥梁智能化监控的发展方向基于以上认识，桥梁智能化监控系统应积极鼓励桥梁设计专家、结构分析专家、传感 器专家及其网络和计算机软硬件工程师参与相关工作，成功的监控系统应该是上述各方 面专家共同智慧的结晶。认识到以桥梁设计专家、结构分析专家为龙头，以传感器专家 及其网络和计算机软硬件工程师为坚强后盾的重要性，可以使我们真正实现以最少的、 最精良的传感器及其采集处理系统掌握桥梁的现实工作状态。减少硬件系统意味着系统 出现故障的几率减少，可靠性增加，而且便于维护和操作；减少硬件系统同时意味着减少 所采集的数据量，使各类参数区分识别变得容易。 在智能化采集传感器的研究方面，数字化的振弦式应力计、光纤传感器（加速度及应力） 、利用磁通原理制成的 EM 传感器已经逐渐替代原有的应变片、加速度计和误差较大的索力 测量力锤系统，加上 GPS 系统的日益成熟，利用 GPS 和倾斜仪组成结构变形监测也成为现 实和主要方向。 在工作站方面，固定在桥梁上的高度集成的、能自动预处理采集数据的工作站将逐渐取 代移动式工作站，以实现实时连续监测。 光缆使长距离传输的信号损失达到最小，互联网使我们能够在世界任何地方遥控桥梁管 理站内的主服务器，它们也是桥梁智能化监控必不可少的工具。 要认识到桥梁的监测内容并不需要而且目前也不可能完全实现智能化，完全实现实时监 测，应该采用实时监测和定期监测相结合的方法， 象对于结构腐蚀的监测、结构冲刷的监 测、船撞力的监测等等，既然在大学的实验室尚且不能实现的内容，在现场实验室（被监测 桥梁实际处于大自然的巨大实验室中）当然亦很难实现。 2 湛江海湾大桥简介湛江海湾大桥简介 湛江海湾大桥位于广东省西南湛江市,跨越雷州半岛麻斜海峡,连接湛江市赤坎与玻头两 区。桥址处地震强度大，风速高，海床淤泥层较厚，海水腐蚀性较强，雷暴多，环境温度及 湿度较高。虽然在设计中已充分考虑让桥梁结构满足上述条件的要求,但是作为国家的生命 线工程,桥梁结构建成后,在上述恶劣的环境下，其运营安全性如何将成为更重要的问题。因 此，需要对大桥在施工及运营期间的健康状况进行全过程实时监测。 结构概况如下： 主桥全长 840 米，跨度组成为 60+120+480+120+60 米。 （见图 2-1） 主桥桥面全宽为 28.5m，如图 2-2 所示。为双塔双索面流线型混合梁。边跨 60 米为流线 型预应力混凝土箱梁，在辅助墩处与钢箱梁相接，主跨及其余边跨皆为流线型钢箱梁，钢箱 梁与混凝土箱梁外形保持一致。斜拉索采用空间索面扇形布置，两索面在桥面的横向间距为 27.8 米。斜拉索在钢梁段索距为 16m，在边跨混凝土梁段索距为 7.5m，主塔中心线斜拉索 竖向索距 2 米。斜拉索采用平行钢绞线。 主塔为钢筋混凝土结构，塔高自承台以上 155.1 米。桥面以上塔高 113.8 米，主塔的上 部两塔柱微合，中间以弧形板连接，下横梁以下两塔柱内收与上塔柱呼应。图 2-1 桥式布置图图 2-2 主桥横断面布置图3 本桥监控系统主要监控内容、部位及阶段本桥监控系统主要监控内容、部位及阶段 3.1 监测的主要内容、部位 监测的主要内容包括： (1) 桥梁工作环境监测： 桥梁工作环境监测主要包括车辆荷载监测、环境温度、湿度、桥址处风速及风向的监测。 温度的变化是否在设计允许范围内，是影响结构受力变形状况的一个重要因素；湿度的变化 会影响混凝土结构的收缩徐变状况及钢结构的锈蚀情况；大桥位于强风区，其基准设计风速 高达 46 米秒，因此风速的大小对桥梁结构的受力状况有很大的影响，同时也会影响大桥 的正常运营。环境监测有着十分重要的意义，首先，它可以为后期结构自动损伤识别提供不 可缺少的资料和依据；其次，实时监测的数据和结果分析对桥梁的设计者和建造者是非常重 要的资料，可以为以后的项目提供设计和建造参考依据。(2) 斜拉索监测： 斜拉索是湛江海湾大桥的主要传力构件，活载和桥面系自重荷载均由斜拉索传递到桥塔， 斜拉索的拉力不仅关系到桥塔的受力状态，而且直接影响到桥面线型和行车舒适度。湛江海 湾大桥采用双塔双索面体系，结构超静定次数高，受力情况较为复杂，斜拉索采用夹片式锚 具，同时处于海洋环境中，易于锈蚀，另一方面，结构某个部位的损伤或状态改变会影响斜 拉索索力，因此索力的变化与结构的安全性紧密相关，通过对索力变化的实时监测，可以得到斜拉索的实际应力值，若超限时及时预警，以保证全桥的安全。 因此对斜拉索索力在各种环境荷载情况下的变化监测是本健康监测系统的重点内容。 （3）主梁 斜拉桥主梁分预应力混凝土梁及钢梁两部分。主要监测截面的变形、应力、动力特性及 温度效应。监测截面主要为：主梁塔根支点截面、主跨跨中截面、辅助跨跨中截面及结合面 的应力幅值。同时，主梁的位移及动力特性还直接影响到桥面线型和行车舒适度，因此必须 进行监测。 (4) 桥塔结构监测： 斜拉桥具有跨越能力大和结构轻盈等特点，但也存在刚度较小及稳定性较差的缺点。主 塔是斜拉桥的主要受力构件，它既承受纵桥向的荷载，又承受横向风荷载及温度荷载，桥塔 的受力及变形状况是斜拉桥结构的重要健康控制指标。主要监测主塔各控制截面的变形、应 力、动力特性及温度效应。 在塔根、下塔柱与下横梁交界处、下横梁与中塔柱交界处、中塔柱与锚固区实体段交界 处这四个可能出现拉应力及较大压应力的部位进行实时应变监测，同时对两座主塔的倾角， 位移及动力特性进行监测，此项指标的监测还可以间接反映斜拉桥结构整体的工作状态。 3.2 监测的主要阶段 为得到结构最初状态的各项参数，监控应从施工初期进行。这也是本系统区别与已有各 类桥梁监控系统的特点所在，通过对施工过程的详细监测，不但得到了结构的初始状态参数， 对施工过程的安全也能进行相关监控及预警，例如：风速风向的监测、独塔状态各阶段结构 的受力情况、变形及模态等等，这对于湛江海湾地区施工期间可能多次经受较大台风的现实 具有重要意义。部分设备尚可以用于结构的施工监控，例如：GPS 系统、EM 传感器等。 本桥阶段性监测数据主要有： (1）施工期间的桥梁监测数据； 主要参考点应变； 主要参考点温度； 桥址处的风速及风向； 桥址处的空气湿度； 斜拉索内力； 桥塔施工过程受力状态及动力特性。 部分参考点位移值； 施工期间的桥梁监测以桥梁设计部门的要求和建议为基础。(2）一年运行期内的健康监测数据： 所有参考点应变； 所有参考点温度； 所有参考点倾斜度； 所有参考点位移值； 所有参考点加速度； 桥址处的风速及风向； 桥址处的空气湿度； 一年运行期内的健康监测数据以桥梁设计和管理部门的要求和建议为基础。整个桥梁健 康监测系统的调试在全部安装完成后开始。(3）一年运行期满之后的健康监测数据：所有参考点应变； 所有参考点温度； 所有参考点倾斜度； 所有参考点位移值； 所有参考点加速度； 桥址处的风速及风向； 桥址处的空气湿度； 桥梁健康报告； 桥梁维护建议。 一年运行期满之后的整个桥梁健康监测系统将被调试完毕，正式满负荷运行，定期自动 给出桥梁健康报告及维护建议。 4 本桥监测系统的硬件及软件简介本桥监测系统的硬件及软件简介 根据当前监测技术的发展，结合桥梁设计、管理、维护的要求，以及在桥梁实时监测工 程方面的经验，我们研究开发的湛江海湾大桥健康监测系统，力求用最少的传感器和最小的 数据量，对大桥及其关键构件（部位）的工作状态进行实时监测，多级报警，并可通过对测 量数据的分析处理，进行结构的异常行为自动诊断，对当前结构的安全性进行评估，并具有 数据采集、储存和查询功能。 4.1 监测系统的硬件： 智能桥梁监测硬件系统是由多级数据采集硬件和数据传输网络组成，包括： （1）用于数据处理、存档和多用户服务的中心服务器； （2）用于进行传感器数据采集的子系统(传感器工作站)； （3）用于服务器与子系统之间通讯联系的光纤以太网络。 中心服务器直接与桥上的数据采集、分析传感器工作站实现数据库连接和数据交换，并 允许授权用户通过因特网联接，实现远程数据共享。这样的多层网络结构设计简化了系统硬 件结构，缩短了传感器与数据采集系统之间的距离，减少了信号传输过程中产生的噪声，提 高了系统的运行效率和可靠性。 由于数据量大，数据在因特网传输过程中在时间上有一定的延迟，因此在底层网络中设 置了智能型传感器工作站，数据的预处理和初级预警软件则嵌入在传感器工作站之中。该工 作站在采集数据的同时，就对数据进行预处理和实时分析。在传感器工作站的设置上，充分 考虑到工作站的处理能力，重点监控参数的种类与重点监控部位的相关性。 此外系统服务器以及传感器工作站均设有不间断电