城市橋梁集群監測系統設計研究

城市橋梁集群監測系統設計研究

摘要：城市橋梁集群監測系統是一個以城市干道橋梁結構為對象，應用現代傳感、通訊和網絡等信息技術，集結構監測、環境監測、交通監測、信息分析處理、橋梁評估和養護管理等各功能子系統為一體的綜合監管平臺。本文結合城市橋梁健康監測的現狀，以及設計的關鍵因素整合現有的相關技術，提供綜合性、前瞻性的系統設計方案，以消除或減少目前單一監測系統的重復建設，實現信息共享和互聯互通。
關鍵詞：城市橋梁；健康監測；集群監測；系統；平臺
        隨著城市橋梁病害的增多,橋梁養護與維修工作日趨繁重,管理者亟需一套針對城市橋梁結構的實際安全性能,進行遠程動態監測與實時評估的智能管理系統,以確保城市橋梁以及整個交通運輸體系的安全運營。因此將現代城市橋梁管理理論與“數字城市”技術相結合從而形成城市橋梁集群化、網絡化的監測管理，將是未來城市橋梁信息化管理的新模式。
        1 城市橋梁健康監測現狀
        我國已有約60座以上的大型橋梁安裝了橋梁健康監測系統，其中包括了一部分城市橋梁，這些健康監測系統由少則50、多則500個以上的傳感器組成，其費用約占到橋梁總造價的0.5-2.0%，但是按照功能要求和效益-成本分析兩大準則來看，系統還存在著以下問題。
        1）監測范圍滿足不了需求。開展監測的范圍較小，一般只注重大江大河，而隨著城市橋梁的發展，城市干道橋梁的管養任務日益繁重。
        2）只針對具體某一座或某幾座橋梁，還只能作為單個的“信息孤島”，并沒有從城市橋梁管理的角度集成為統一的平臺，信息不共享，缺乏與其它管理系統的有機銜接。
        3）缺乏引導與規劃，系統功能還不夠全面，偏重監測內容和技術輕視測試數據處理和評價的設計方案越來越不易被橋梁業主所接受，系統投入使用后，后續升級及再開發困難。
        4）軟硬件開發平臺不統一，由于城市橋梁的類型眾多，監測項目不盡相同，針對每一座具體橋梁開發出一套專用的監測軟件，存在著開發周期長，代碼可移植性差，不能重復等缺點，造成人力資源和開發成本的增加。
        5）目前的健康監測系統由于監測時間較短，尚未能充分利用監測數據在各種時間尺度上蘊含的信息，實現從中挖掘數據演變規律的長效機制，也還沒有將橋梁結構的健康狀態監測上升為對結構整個生命過程的跟蹤式監測，從而實現指導養護管理的目的。
        2  城市橋梁集群監測系統設計
        2.1集群監測系統設計的關鍵因素
        城市橋梁集群監測系統是一個“開放”式的系統，它的建立和完善是一個相當龐大的工程，在系統設計和規劃時，應考慮以下關鍵因素：
        1）資金規劃
        目前我國大規模的橋梁建設其投入是巨大的，進行健康監測系統的開發有充足的資金支持，這也是目前健康監測系統建立的主要資金來源，但對于大范圍的城市在役橋梁，其養護管理的投入嚴重不足。因此，城市橋梁集群監測系統研發資金的一次性籌集存在一定的困難，在現階段，提倡“綜合規劃，分步實施”的集散型方式更具有現實意義。
        2）技術規劃
        在技術上，由于健康監測所面臨問題的解決不可能一蹴而就，高新技術和自動化設備的研制和應用在我國還剛剛起步，許多關鍵性的技術還有待突破，目前的理論研究與實踐應用還存在著較大差距，需要在實踐中逐步發展完善，以達到最佳的效果。
        3）橋梁壽命
        對于新建橋梁，其建成初期安全狀況大多良好，此時建立健康監測系統主要是為橋梁積累重要的原始數據以及監測突發性事故(地震、撞擊等)下結構的響應，因此只需在關鍵部位布設測點即可。
        4）儀器壽命
        橋梁健康監測系統自身也有使用期及壽命的問題，而且由于系統大多使用電子設備，在惡劣環境中損壞的可能性更大。根據橋梁的實際情況采取分階段實施的方案，不僅可以節省費用，還可以延長系統使用周期。
        2.2 集群監測系統及其功能分析        在國內外橋梁健康監測系統設計準則研究的基礎上，城市橋梁集群監測系統以基于GIS的城市橋梁管理系統為基礎，增加分布式遠程橋梁監測系統、數據傳輸網絡系統、系統集成管理平臺等三個核心部件，具體由不同的模塊組成，如圖1所示。GIS系統的電子地圖技術將與橋梁屬性相關聯，方便對城市全部范圍的橋梁分布狀況及屬性的把握。
         
        2.2.1 分布式遠程橋梁監測系統
        主要包括傳感器模塊、數據動態采集模塊和遠程數據傳輸模塊。其中傳感器模塊由各種類型的傳感器及二次儀表等部分組成，主要監測載荷變化、結構所處環境變化及結構實際工作狀況；數據采集模塊主要由微機控制的數據采集儀器組成，功能是收集由傳感器傳來的原始信號，并進行信號調理、根據系統功能要求對數據進行分解、變換等預處理，以獲取所需要的參數；數據傳輸模塊主要是建立遠程傳輸的通訊鏈路，實現網絡傳輸。分布式遠程橋梁監測系統是集群監測系統最前端和最基礎的系統。
        2.2.2 數據傳輸網絡系統
        主要由監測系統局域網模塊、與其它局域網或主干網的連接模塊及遠程控制模塊組成，以實現數據遠程通訊、傳輸及遠程控制功能，是聯系分布式遠程橋梁監測系統與系統集群管理平臺的橋梁。
        2.2.3 系統集群管理平臺
        系統集群管理平臺由中心數據庫管理模塊、數據分析及處理模塊、結構狀態評估模塊、決策支持模塊以及監測系統控制管理與維護模塊組成。
        上述三個組成部分分別在不同的硬件和軟件環境下運行，承擔著各自不同的功能，它們之間的協同工作，將實現集群監測系統對城市重要橋梁的在線監測及評估的功能。
        3  結論
        本文為保障城市橋梁的公共安全，提出了城市橋梁集群監測系統的概念，此系統利用現代信息技術構建了一個覆蓋城市重要橋梁的結構安全遠程在線監測系統，對保障城市交通安全暢通具有極其重要的意義和價值，并隨著研究的深入，逐步實現橋梁管理的信息化和科學化。
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