芻議橋梁集群監(jiān)測設計的要點
2015-04-14
隨著城市橋梁病害的增多,橋梁養(yǎng)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(tài)監(jiān)測與實時評估的智能管理系統(tǒng),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(xiàn)代城市橋梁管理理論與“數(shù)字城市”技術相結合從而形成城市橋梁集群化、網(wǎng)絡化的監(jiān)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(jiān)測現(xiàn)狀
我國已有約60座以上的大型橋梁安裝了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其中包括了一部分城市橋梁，這些健康監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)還存在著以下問題。
1）監(jiān)測范圍滿足不了需求。開展監(jiān)測的范圍較小，一般只注重大江大河，而隨著城市橋梁的發(fā)展，城市干道橋梁的管養(yǎng)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(tǒng)一的平臺，信息不共享，缺乏與其它管理系統(tǒng)的有機銜接。
3）缺乏引導與規(guī)劃，系統(tǒng)功能還不夠全面，偏重監(jiān)測內(nèi)容和技術輕視測試數(shù)據(jù)處理和評價的設計方案越來越不易被橋梁業(yè)主所接受，系統(tǒng)投入使用后，后續(xù)升級及再開發(fā)困難。
4）軟硬件開發(fā)平臺不統(tǒng)一，由于城市橋梁的類型眾多，監(jiān)測項目不盡相同，針對每一座具體橋梁開發(fā)出一套專用的監(jiān)測軟件，存在著開發(fā)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(fā)成本的增加。
5）目前的健康監(jiān)測系統(tǒng)由于監(jiān)測時間較短，尚未能充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)在各種時間尺度上蘊含的信息，實現(xiàn)從中挖掘數(shù)據(jù)演變規(guī)律的長效機制，也還沒有將橋梁結構的健康狀態(tài)監(jiān)測上升為對結構整個生命過程的跟蹤式監(jiān)測，從而實現(xiàn)指導養(yǎng)護管理的目的。
2 . 城市橋梁集群監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)容及其設計
2.1集群監(jiān)測系統(tǒng)設計的關鍵因素
城市橋梁集群監(jiān)測系統(tǒng)是一個“開放”式的系統(tǒng)，它的建立和完善是一個相當龐大的工程，在系統(tǒng)設計和規(guī)劃時，應考慮以下關鍵因素：
1）資金規(guī)劃
目前我國大規(guī)模的橋梁建設其投入是巨大的，進行健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)有充足的資金支持，這也是目前健康監(jiān)測系統(tǒng)建立的主要資金來源，但對于大范圍的城市在役橋梁，其養(yǎng)護管理的投入嚴重不足。因此，城市橋梁集群監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)資金的一次性籌集存在一定的困難，在現(xiàn)階段，提倡“綜合規(guī)劃，分步實施”的集散型方式更具有現(xiàn)實意義。
2）技術規(guī)劃
在技術上，由于健康監(jiān)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(fā)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(jiān)測系統(tǒng)主要是為橋梁積累重要的原始數(shù)據(jù)以及監(jiān)測突發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)自身也有使用期及壽命的問題，而且由于系統(tǒng)大多使用電子設備，在惡劣環(huán)境中損壞的可能性更大。根據(jù)橋梁的實際情況采取分階段實施的方案，不僅可以節(jié)省費用，還可以延長系統(tǒng)使用周期。
2.2 集群監(jiān)測系統(tǒng)及其功能分析
橋梁集群監(jiān)測系統(tǒng)，包括安裝于橋梁上的豎桿，豎桿上安裝著攝像頭，豎桿還安裝著與攝像頭配合連接的供電裝置和無線發(fā)送裝置，攝像頭通過無線發(fā)送裝置將視頻信號傳送至與無線發(fā)送裝置相匹配連接的無線接收裝置，無線接收裝置通過有線或無線的方式與一級可視接警終端相配合連接或者無線接收裝置通過有線或無線的方式與二級可視接警終端相配合連接，安裝在一級可視接警終端上的智能聲光警示裝置與一級接警終端相配合連接，一級接警終端與二級可視接警終端通過有線或無線的方式相配合連接。本實用新型接警響應時間短，使出警及時，避免出警的目的地誤報，提高出警效率。
在國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計準則研究的基礎上，城市橋梁集群監(jiān)測系統(tǒng)以基于GIS的城市橋梁管理系統(tǒng)為基礎，增加分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)、系統(tǒng)集成管理平臺等三個核心部件，具體由不同的模塊組成，GIS系統(tǒng)的電子地圖技術將與橋梁屬性相關聯(lián)，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(jiān)測系統(tǒng)
主要包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)動態(tài)采集模塊和遠程數(shù)據(jù)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(jiān)測載荷變化、結構所處環(huán)境變化及結構實際工作狀況；數(shù)據(jù)采集模塊主要由微機控制的數(shù)據(jù)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(diào)理、根據(jù)系統(tǒng)功能要求對數(shù)據(jù)進行分解、變換等預處理，以獲取所需要的參數(shù)；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是建立遠程傳輸?shù)耐ㄓ嶆溌罚瑢崿F(xiàn)網(wǎng)絡傳輸。分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)是集群監(jiān)測系統(tǒng)最前端和最基礎的系統(tǒng)。
2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)
主要由監(jiān)測系統(tǒng)局域網(wǎng)模塊、與其它局域網(wǎng)或主干網(wǎng)的連接模塊及遠程控制模塊組成，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程通訊、傳輸及遠程控制功能，是聯(lián)系分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)與系統(tǒng)集群管理平臺的橋梁。
2.2.3 系統(tǒng)集群管理平臺
系統(tǒng)集群管理平臺由中心數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)分析及處理模塊、結構狀態(tài)評估模塊、決策支持模塊以及監(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境下運行，承擔著各自不同的功能，它們之間的協(xié)同工作，將實現(xiàn)集群監(jiān)測系統(tǒng)對城市重要橋梁的在線監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)的概念，此系統(tǒng)利用現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)，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(xiàn)橋梁管理的信息化和科學化。
