健康監(jiān)測(cè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在道路橋梁中的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展
2015-05-26
1．引言
水壩、橋梁、電廠、軍事設(shè)施、高層建筑等重大結(jié)構(gòu)工程，在遭受地震、洪水、颶風(fēng)、爆炸等自然或人為災(zāi)害時(shí)的安全問題，與人民的生命財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注[1]。上述結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷災(zāi)害后，對(duì)他們的健康狀況做出評(píng)估，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和估計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的位置和程度，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命并做出維護(hù)決定，合理疏散居民，對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營效率，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有極其重大的意義。故而，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新的先進(jìn)傳感技術(shù)，如光纖光柵技術(shù)、GPS技術(shù)、疲勞應(yīng)變計(jì)、磁通量(EM)傳感器和聲發(fā)射(AE)技術(shù)以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)在國內(nèi)受到了特別關(guān)注，其中一些新成果已在實(shí)際橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用[2]- [3]。同時(shí)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體集成技術(shù)也得到了發(fā)展。
2．構(gòu)成及工作機(jī)理
結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是要發(fā)展一種最小人工干預(yù)的結(jié)構(gòu)健康的在線實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè).檢查與損傷探測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠通過局域網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程中心，自動(dòng)地報(bào)告結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
一般，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：(1)傳感系統(tǒng)：用于將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。(2)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)：一般安裝于待測(cè)結(jié)構(gòu)中采集傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理。(3)通信系統(tǒng)：將采集并處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。(4)監(jiān)控中心和報(bào)警設(shè)施：利用具備診斷功能的軟硬件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，判斷損傷的發(fā)生、位置、程度，對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況做出評(píng)估，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報(bào)警信息。
3．研究現(xiàn)狀
3.1 光纖光柵(FBG)傳感技術(shù)
光纖光柵傳感器采用波長調(diào)制方式, 通過探測(cè)信號(hào)波長的漂移量來測(cè)量被測(cè)參數(shù)的變化。測(cè)量信號(hào)不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測(cè)器老化等因素的影響, 不受電磁干擾, 壽命長, 尺寸小, 安裝方便, 耐腐蝕, 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和分布式測(cè)量, 復(fù)用能力強(qiáng), 多只傳感器可以串接在一根光纖上, 測(cè)試精度高、重復(fù)穩(wěn)定性好、遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸性能優(yōu)越, 可埋入復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)中來實(shí)現(xiàn)光纖智能材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 是實(shí)現(xiàn)光纖靈巧結(jié)構(gòu)的理想器件。
在幾種光纖傳感技術(shù)中，布拉格光纖光柵(FBG)傳感技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣也最為成熟。國內(nèi)光纖光柵技術(shù)的研究和開發(fā)除了圍繞光纖光柵傳感技術(shù)的原理以及調(diào)制解調(diào)技術(shù)外，針對(duì)光纖光柵傳感器封裝技術(shù)、在鋼或混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)試中的適用性等也開展了許多工作。目前的光纖光柵傳感器以應(yīng)變和溫度測(cè)試為主，與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖光柵應(yīng)變傳感器的抗電磁干擾能力、抗零漂能力、可重復(fù)性都更令人滿意。光纖光柵傳感技術(shù)已被應(yīng)用在土木結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測(cè)中。
T.H.T.Chan 等人[4]利用光纖光柵傳感器對(duì)香港青馬大橋(世界上最長的吊橋, 同時(shí)支撐著鐵路和公路交通運(yùn)輸) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè), 他們將40 個(gè)光纖光柵傳感器分成3 組, 分別安裝在纜索、搖軸支座和桁架梁上, 測(cè)量橋上不同部位的應(yīng)變, 并將光纖光柵傳感器的性能與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)———風(fēng)監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(WASHMS , 該系統(tǒng)自1997 年5 月青馬大橋啟用起就已投入運(yùn)行) 進(jìn)行比較, 從而得出利用光纖光柵傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是完全可行的, 所得試驗(yàn)結(jié)果與WASHMS 測(cè)得的數(shù)據(jù)完全一致。傳感器的布置與安裝。
3.2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)
今天,大跨度橋梁被設(shè)計(jì)得更加靈活,可以抵抗溫度、強(qiáng)風(fēng)和地震的影響。對(duì)有限元模型的升級(jí)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測(cè)和安全評(píng)估來說，結(jié)構(gòu)響應(yīng)（尤其是位移）正變得越來越重要。對(duì)于大跨度橋梁，其變形、撓度、沉降等絕對(duì)位移量的量測(cè)仍是一個(gè)技術(shù)難題。GPS是一個(gè)可供選擇的技術(shù)。香港的青馬大橋、汲水門大橋、汀九大橋，日本的明石海峽大橋，都安裝了GPS傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
GPS位移監(jiān)測(cè)原理：大橋位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它是利用接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進(jìn)行實(shí)時(shí)相位差分即 RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），實(shí)時(shí)測(cè)定大橋位移[7]。GPS RTK差分系統(tǒng)是由 GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測(cè)站和通信系統(tǒng)組成?；鶞?zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星信號(hào)及GPS基準(zhǔn)站信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后可實(shí)時(shí)測(cè)得站點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。此結(jié)果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)接收機(jī)的GPS差分信號(hào)結(jié)果進(jìn)行橋梁橋面、橋塔的位移、轉(zhuǎn)角計(jì)算，提供大橋管理部門進(jìn)行安全分析[8]。
記錄Gorgopotamos Train Bridge的響應(yīng)
雖然，GPS技術(shù)在健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面取得了長足進(jìn)展，然而，一些不足之處仍然限制了GPS技術(shù)的應(yīng)用范圍。存在的問題及未來研究的努力方向至少表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）GPS測(cè)量的質(zhì)量有賴于某些因素，主要是衛(wèi)星的能見距離、幾何學(xué)的應(yīng)用、信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量、GPS波通過電離層和對(duì)流層時(shí)造成的延遲。（2）由于衛(wèi)星在不同位置上造成的定位質(zhì)量的退化以外，其它主要考慮的問題（尤其是城市地區(qū)）為多徑效應(yīng)。（3）在厘米以下到毫米的精確度范圍內(nèi)，用GPS測(cè)量位移的精確度依賴于一些因素。
3.3 無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)(WSN)
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中,各傳感器節(jié)點(diǎn)被大量布散在橋梁關(guān)鍵監(jiān)測(cè)區(qū)域,傳感器單元將采集到的數(shù)據(jù)傳送給處理單元,處理單元完成數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)后,通過無線通信技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可通過Internet 等多種方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心,并且系統(tǒng)可在異常情況下進(jìn)行報(bào)警,監(jiān)測(cè)人員可隨時(shí)了解橋梁運(yùn)行情況，達(dá)到健康監(jiān)測(cè)目的[9]，如圖7所示。
相對(duì)于現(xiàn)有的分布式采集2有線數(shù)據(jù)傳輸-中央數(shù)據(jù)處理的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu),基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式采集-無線數(shù)據(jù)傳輸-分布式處理的新一代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu),由于具有覆蓋范圍廣和測(cè)量精度高的特點(diǎn),可以較好地解決上述問題,并且由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分布式、自組織以及以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn),還可解決結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)魯棒性、自身壽命以及數(shù)據(jù)泛濫等問題。因此在構(gòu)建新一代大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊?，F(xiàn)在絕大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)在SHM應(yīng)用中仍處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，工程實(shí)例較少。
