[分享]中小跨径桥梁结构安全监测系统开发

发表于2020-04-07     174人浏览     1人跟帖     总热度:508  


交通基础设施是一个国家发达程度的重要标志,随着道路建设事业特别是公路建设的迅猛发展,修建了大批的公路桥梁和立交枢纽,根据交通运输部发布的数据,截止到2018年年底,我国共有在役公路桥梁85.15万座/5568.59万延米,其中的绝大多数为中小跨径混凝土桥梁。考虑到这类桥梁数量多、分布广的特点,在养护中的重视程度和运营安全系数都要低于特殊结构的大型桥梁。


近年来,我国出现的数座桥梁的重大倒塌事故,也说明了现行对中小跨径桥梁的结构行为、安全状况、维护方式等均有待重新评估和认识。目前,部分结构复杂、社会影响力重大的大跨径桥梁已经配备了较为完善的结构健康监测系统,但将复杂结构的大跨径桥梁结构监测系统照搬到大量中小跨径桥梁既不经济也无实际可操作性。因此,开发一套适用于该类桥梁的安全监测系统,将对保障路网的安全运营具有重要的工程实际意义。

中小跨径桥梁结构安全监测系统开发_1

中小跨径桥梁结构安全监测系统开发_2

监测系统的整体分析与设计

中小跨径桥梁结构安全监测系统共分为四个子系统,分别是传感器子系统、数据采集子系统、数据传输和处理子系统、远程综合管理与安全预警子系统。

(一)传感器子系统

由监测结构安全性、环境、适用性和耐久性的各种不同类型传感器组成,按照设定的采集制度采集并将其送到数据采集单元,为状态识别提供实测数据。它是监测系统的源头,直接关系到安全监测系统中各种原始数据的可靠性和有效性,进而影响到整个安全监测的效率和精度。在技术条件上,不但要考虑传感器本身的性能指标,而且还应顾及传感器与通讯设备、放大器等的兼容性。在经济条件上,进口仪器的各种性能指标虽然较为优良,但价格昂贵,近年来国产仪器性能水平正不断提高,结合长期维护的便捷性和综合价格因素,我们可采取进口与国产相结合的方式。


(二)数据采集子系统

该系统是各类信号采集、存储和传送的硬件系统[3],功能是将传感器信号转换成数字信号,并通过网络将数据传输到监测中心的数据处理与控制子系统上,为下一步的分析和处理传输数据。主要包括信号的调理、数据的采集和数据通讯三部分。通过底层网络传输得到的传感器信号微弱,需经过放大、滤波、模数转换等程序使其信息得到增强,接着利用数据采集仪器的转变将电信号(模拟信号)转换为数字信号。数据通讯主要制信号的收发和网络传输,通过传输光缆或无线网络将数字信号传输至软件系统中心节点。数据采集是实时在线而且长期进行的,所以必须采取自动化数据采集装置,工作流程一般为:传感器将量测的非电量转换成容易量测的电量后,通过模/数转换,将数字量直接输入到计算机中。数据采集硬件系统配合相应的软件系统组成一套数据采集系统。一套数据采集系统可以将试验量测阶段和试验数据整理阶段合而为一,实现快速、多点、自动测量和记录试验数据。


(三)数据传输和处理子系统

主要包括各类数字信号的处理,如A/D转换及数字滤波去噪等,以便为系统识别和损伤识别准备充分的数据信息。数据传输部分主要由硬件设备组成,包括数据远程传输模块和设备监测模块。数据远程传输模块负责定时将数据传输给分析中心系统。设备监测模块负责监测系统设备运行情况,当设备出现故障时,可以及时发现进行处理,并可对设备进行远程控制。数据处理分析部分是对采集及传输到的基站的现场监测数据进行处理和分析。数据预处理主要对采集的数据、信号进行滤波、统计等运算,计算的结果作为安全监测系统的初级输入,这部分工作主要在在数据采集子系统中进行;数据二次预处理在基站电脑或服务器上进行,主要是利用信号处理技术,对数据进行降噪处理、时频域参数识别,以及结构特征参数获取等工作;数据后处理主要是利用模态分析、相关性分析等技术手段,结合桥梁运营特点以及环境因素,对获得的监测数据进行深入分析,从而对桥梁的安全性能及使用性能做出诊断和评估。


(四)远程综合管理子系统

主要完成大量的现场采集数据和后续分析数据的存储,负责根据收集到的数据,应用各种算法、软件对桥梁状况进行分析。包括对桥梁结构的损伤位置和损伤程度进行定位和量化,然后通过评估系统对桥梁整体结构进行评估,确定是否需要进行维护,是否需要发出报警等。系统可以借由先进的计算机系统完成实时、可视的监测,使得桥梁结构安全状况更直观,易于做出判断,实现结构相关信息的可视化和决策数据库的智能化,以完成结构安全状态的实时跟踪,为决策管理人员提供信息支持。

中小跨径桥梁结构安全监测系统开发_3

系统硬件集成设计与实施

监测系统的硬件部分是一个集合,包括前面提到的传感器子系统、数据采集子系统、数据传输和处理子系统三部分。

(一)传感器系统

为了突出传感器选型的经济性,挑选有代表性的监测指标显得尤为重要。通过调研中小跨径混凝土桥梁病害情况,总结出较为突出的病害集中在跨中处下挠过大和支点处产生大量的腹板斜裂缝。针对该类病害,确定了5个能够反映该类桥梁长期性能的安全监测参数:变形监测是对跨中变形进行监测,了解桥梁挠度变化,确保桥梁运营安全;裂缝监测是对支点附近箱梁腹板剪切裂缝进行观测,了解裂缝的发展;应变监测用来获取桥梁关键截面应力变化;温度监测是为实桥结构分析提供基础数据,用来计算挠度和应变的补偿值;振动监测可以获取桥梁的动力特性。基于上述五种物理量类型,选择性能可靠,精度适合,性价比高的传感器。经过市场调研,最终决定采用振弦式传感器用于变形,裂缝,应变和温度测试,采用低频响应好的加速度传感器用于振动测试。对于静态信号,即振弦式传感器信号同步主要体现在时间上的同时开始,其时间相关性要求不高,只要满足时间戳一致,时间精度在一分钟即可满足要求。对于动态信号,即加速度传感器信号同步不仅是简单的同时开始采集,振动信号后期的分析中对于相位的同步也有很高的要求,时间精度在纳秒范围内。本系统基于测点数量,目前采用单机箱多板卡同步方式完成动态信号采集。


(二)数据采集子系统

数据采集系统主要由美国National Instruments(简称NI) CompactRIO(简称cRIO)核心模块、振弦式传感器采集模块和控制中心服务器三部分组成。系统由cRIO嵌入式平台加振弦式传感器采集模块完成数据采集、存储与上传功能,将采集到的数据传输至控制中心服务器,该设备用以远程数据的接收、存储、显示及分析等功能。本系统的核心基于cRIO嵌入式系统。cRIO可编程自动控制器(PAC)是一款针对高可靠性和高性能应用的嵌入式控制及采集系统,具有小尺寸、坚固性及灵活性等特点,尤其适用于在低温、振动等恶劣环境下运行。cRIO控制器包括一个处理器和可重配置FPGA。振弦式传感器主要用以完成信号转换,例如跨中挠度,支点附近箱梁腹板剪切裂缝,关键截面应力及环境温度等。振弦式模块内含 CPU、时钟、非易失性存储器、A/D转换器等,用于实现系统的自检、测量与控制、被测数据存储、数据通讯等。


(三)数据传输和处理子系统

本系统的数据传输功能由无线DTU模块实现。由系统中核心控制单元cRIO控制器上的串口RS-232与无线DTU通信,将实时数据发送到公网内,供服务器端接收数据。无线DTU的四个核心功能:内部集成TCP/IP协议栈;提供串口数据双向转换功能;支持自动心跳,保持永远在线;支持参数配置,永久保存。


(四)硬件系统封装

系统硬件设备封装箱体结构坚固、可靠、防尘、抗干扰能力强,能适应较为恶劣的测试环境长期、稳定的运行。具备安装、携带、固定、操作、连接方便等特点。系统电源和信号的连接,均使用专用插接头,各个电缆连接接头相互独立,使用航空接头或BNC接头,并在接头连接面板上丝印插头编号永久标记。

中小跨径桥梁结构安全监测系统开发_4

软件系统的分析与设计

(一)系统功能分析

系统要求应实现由同一远程监测中心独立控制多座桥梁的现场数据采集及传输,同时在桥梁数目需要增加或监测设备需要扩展时,可以通过文件的配置完成操作不影响其他桥梁的安全运营监测[5]。根据桥梁结构的需求,系统应该满足传感器数据的传输具有实时性及准确性,满足传感器数据实时显示性,具有数据预警功能,预警按等级划分,通过曲线的形式直观反映桥梁结构的变化趋势等功能。系统需要在服务器端部署,用户在客户端不需安装专用客户软件,只需通过WEB浏览器即可访问。数据发送系统(Client)、接收系统(Server)采用TCP/IP协议中Remoting传输协议,实现传感器采集数据实时传输至数据存储服务器中。运营监控系统(Web)采用传感器数据实时刷新技术,确保用户及时掌握桥梁运营情况。


在功能方面系统应满足以下要求:建立基于桥梁群的健康监测系统数据库,可以动态配置并增加桥梁和传感器;建立数据发送系统(Client),读取传感器采集的数据文件(实时与历史)并解析数据文件成二进制数据流,指定传输端口、数据接收端IP地址、遵循传输协议,将数据流传输给数据接收系统(Server);建立数据接收系统(Server),接收数据发送系统(Client)数据流,转存成DAT文件(实时与历史)存储于数据存储服务器,并将当前最新时刻的传感器采集数据存储到数据库中,同时判断数据是否发生报警,每小时将实时数据DAT文件集成为一个历史文件DAT;运营监控系统(Web),可以选择桥梁(群)对象,通过同一页面进入不同的选择对象。直观展示传感器布置情况、截面布置情况、通道布置情况、传感器当前最新时刻的采集数据、报警等级及发生报警的传感器和报警原因、通过曲线图直观展示各传感器数据的变化趋势,从而展示桥梁结构信息(位移、挠度、温度、应变、裂缝)的情况。


(二)系统设计

系统由数据发送系统(Client)、数据接收系统(Server)、运营监控系统(Web)等三部分组成。

数据发送系统实现从桥上传回的数据文件的传输工作,在这里着重突出了桥梁群的概念,实现多桥监测数据公用一个服务的多线程、多进程进行数据传输的功能。

数据接收系统包含数据结构化管理和前期数据分析工作。数据结构化管理是将数据文件放入到指定文件夹中;前期数据分析工作则是将数据文件中的二进制流解析并存入数据库中。在这里与普通的单桥监测不同,对性能提出了更高的要求,要能够同时、高频、并发的处理不同桥梁传回的监测数据文件,并将其解析后插入数据库并形成数据文件。

运营监控系统由桥梁(群)选择、桥梁首页、项目概况、监测曲线、安全预警、系统管理等功能模块组成。

系统功能设计如图1系统功能组成图所示:

中小跨径桥梁结构安全监测系统开发_5

其各节点的主要功能描述如下:

桥梁(群)选择,是用来选择要查看的桥梁,在页面上与下面的首页显示是处于同一页面中。

首页是本系统主要运行界面,显示传感器采集点、截面布置信息、实时数据、预警事件、设备故障等信息,用户在此界面可以随时观察桥梁结构的运营情况,若采集数据超出阀值规定的范围,发生报警。

基本信息包括结构基本信息、传感器信息、截面布置信息、采集通道信息等功能模块。结构基本信息模块包括结构基本信息、监测系统信息两部分内容。其中,结构基本信息描述桥梁基本结构、基本结构图纸;监测系统信息描述桥梁健康监测系统的相关信息及监测系统图纸。传感器信息模块记录传感器相关信息。截面布置信息模块记录桥梁截面划分情况及每个截面的信息、截面图纸等。采集通道信息模块记录桥梁每个截面安装的通道信息,包括数据通道和状态通道。

监测曲线包括实时监测数据曲线、历史监测历史曲线和历史监测数据下载等功能模块。实时监测数据曲线用来显示指定传感器的实时数据曲线图。历史监测数据曲线用以显示历史数据的曲线图,根据不同的方法选择不同的时间区间统计方法或特殊方法,显示曲线图,查看显示数据表单。历史监测数据下载显示历史数据文件的信息。

安全预警包括预警阀值管理、当前预警事件处理和预警事件查询等功能模块。预警阀值管理展示指定传感器的相关预警阀值信息,可修改运行上阈值、运行下阈值、安全上阈值、安全下阈值。当前预警事件处理输出未处理预警事件的相关信息,若未处理则处理状态显示未处理。预警事件处理界面输出传感器信息,事件描述、事件发生原因。预警事件查询可选择显示近期预警事件,和指定时间指定传感器的预警事件信息。

系统管理包括采样数据设置、采样方式设置、工作站设置、角色管理、用户管理和系统运营状态记录等功能模块。

展望

对于桥梁集群安全监测系统的研究与开发,目前尚处于起步阶段,大量的研究工作有待进一步开发,要使其走向成熟和完善,还需要进行如下的研究:利用既有监测系统近年来所采集的海量数据,开展不同类型传感器的多源信息融合技术研究及大数据分析与处理工作,从而为桥梁健康诊断提供可靠和完整的信息;给出了适用于服役多年的桥梁分级预警方法,确定了不同安全监测参数的预警阀值。




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 发表于2020-04-07   |  只看该作者      

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半夏曲

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