桥梁实时监测系统的优化设计
2015-06-01
0 引言
针对现行桥梁实时监测系统存在实时性差、监测效率低、成本高、损耗大等缺点，本文以济宁梁济运河大桥为工程背景，提出现行桥梁实时监测系统改进方案，并设计一种可同时监测多项安全参数的系统模型。本系统模型采用多种光纤传感器作为传感元件，完善了传感器布置结构，实施分簇管理机制，并部署实用性强的评估与预警系统，有利于提高大桥监测的实时性与准确性，对桥梁安全状态的长期实时监测及预报，具有一定的参考价值。
1 梁济运河大桥简介
梁济运河大桥位于济宁市区太白楼西路西端，跨越市区西部的梁济运河，主桥上构为独柱斜塔空间扭面背索斜拉桥，其跨径组成为316m。全桥共设56根斜拉索，桥塔采用独柱斜塔，主塔全高133.147m，采用空心断面，桥面以上塔高118m，桥面以下塔高15.147m。塔身顺桥向偏离铅垂面8°，倾向岸侧。
2桥梁实时监测系统基本模型
桥梁实时监测系统通常采用模块化设计，主要由传感模块、数据处理中心、监测中心、管理中心等模块组成。各模块之间实行基于远程监控与传输的数据双向通信策略。
3改进方案
本文结合济宁梁济运河大桥的实际情况，提出一种现行桥梁实时监测系统的改进方案。
3.1 传感模块改进
3.1.1传感器改进
根据不同的监测参数，本改进方案采用基于分布式光纤传感器的传感器布置模式，进行多种不同监测参数的实时监测。利用分布式光纤喇曼（BOTDR）应力分析仪监测桥梁结构应变的整体情况；光纤布喇格光栅（FBG）传感系统监测局部关键部位的应变情况；光纤光栅(FBG)振动传感器监测斜拉索索力受力情况；分布式光纤喇曼（ROTDR）温度解调仪完成桥梁结构应力及周边环境温度的监测。
3.1.2 传感器分布结构改进
光纤传感器通常被用于进行点式高精度监测，由于受监测点数限制，其监测范围存在盲区。本改进方案根据主要安全监测参数的选取，设计了基于网络式[5]的多光纤传感器布置结构，通过在桥梁的关键监测位置上合理布放传感器，形成光纤传感网络。在满足监测条件的情况下，最大程度地减少监测点以降低投入成本。
（1）拉索索力监测
全桥共56根斜拉索，以索塔为界，上、下游拉索按其关键部分实际受力情况分别布置光纤光栅振动传感器，并决定传感器个数。传感器个体之间呈网络式分布，且相互独立，安装位置距离桥面5米左右。测点侧面分布图如图1所示。图中黑点用来模拟光纤光栅振动传感器布放位置。
（2）主梁、索塔截面应力及线形监测
对主梁及索塔进行截面应力及线形测点布置时，主梁应力测点应布置在钢箱梁主跨跨中、主跨1/4L、主跨1/8L、塔根部；边跨跨中、1/4L截面及边支点附近。在箱梁顶板、底板和横隔板上也应布置相应的应力测点。由于桥梁建造材质不同，混凝土及钢-混结合段的应力测点采用埋入式，钢结构中的应力测点采用附着式。主梁线性测点布置位置位于每个梁段拉索锚固区的桥面处（无拉索的布置在此段梁的中部）。索塔截面应力及线形测点也可基于上述原理进行布置。
（3）温度场监测
温度场监测以监测面为单元，索塔的温度监测设1个测试断面，测点布置位置位于索塔底部以上约40米处。钢箱梁温度监测共设3个测试断面，测点布置位置分别位于钢箱梁主跨跨中、主跨1/5L、主跨3/5L、塔根部；边跨跨中、1/3L截面及边支点附近。
3.2分簇管理机制
本系统在监测过程中，采用基于EBC (Energy-Base Clustering) 算法的分簇管理机制，按照一定规律(如监测内容分类等)动态选择能量高（即交互访问频率高）的节点作为光纤传感网络的子网簇点，完成光纤传感子网的动态构造，从而降低节点占用率及节点能量消耗，提高数据处理效率。各簇点设置在数据处理中心，称为数据处理节点。光纤传感网络采集监测范围内的桥梁安全参数并向各自的簇点发送监测数据，数据处理节点将接收到的监测数据进行初步的分类分析与存储，发向数据处理器进行细致处理。
分簇管理机制使桥梁实时监测系统整体呈现点面结合模式。各数据处理节点相互独立，可有效避免因某一节点的局部故障而引起的整体系统瘫痪。
3.3 监测中心改进
监测中心位于中心控制室，实行无人值守制。为实现监测参数的验证、分析及评估预警功能，改进设置如下：
（1）设置信息验证模块，检验传输信息的正确性。主要针对可能出现的信息不准确甚至错误信息的情况，进行参数信息过滤，从而缩小信息的存储空间，提高信息的处理效率；
（2）信息验证模块可与管理中心的信息库进行交互。管理中心的信息库中存有完整的大桥安全信息，通过验证信息的双向交互及报警信息之间的相关性，可减小误报，得到更为准确的报警信息，并标识误报警；
（3）信息验证通过后，对正确的参数信息进行阈值分析，设置通常限值和安全限值两级报警设置，采取综合安全评估方法进行桥梁安全综合评估和预警，完成数据的统计分析、安全报警和远程发送；
4系统各模块的改进设置
梁济运河大桥实时监测系统整体部署
（1）传感模块中的光纤传感器沿桥梁重点监测部位进行网络式布设，以点面结合监测为布设原则，可采用多种类型的光纤传感器进行多参数同步测量。网络式传感器结构按照一定规律将光纤传感器组成了若干个子网，光纤传感器向各自的网络节点（即数据处理中心）发送监测数据，确保各个监测面的系统独立性，可实现各数据处理中心的局部故障不会扩散到整个系统，从而增强监测系统抗干扰能力，且便于系统维护。
（2）数据处理中心的数据采集部分尽量安放于距测试断面中各测点的最近位置，保证与各数据处理中心的通讯传输距离最短；
（3）被管理网络的日常信息与桥梁安全参数及预警信息的真实性存在一定的相关联性，监测中心中的报警验证模块可通过与管理中心的信息库进行交互操作，对实时采集的桥梁安全参数信息进行验证处理，并标识误信息，从而得到更为准确的参数及报警信息，减小数据分析处理负担。
结束语
系统采用的光纤传感器网络式分布结构，可清除监测盲区，保证桥梁安全状态的准确反馈；分簇管理机制提高了系统利用率，易于实现系统的维修与升级；两级评估预警设置增强了桥梁安全可靠性评估的准确性，能够及时发现安全隐患并进行适时维护，从而延长桥梁使用寿命。本文从提高桥梁安全监测的实时性与准确性方面入手，改进实时监测方案，有效保证了桥梁的安全稳定，改进的实时监测系统可长期应用于大桥的施工与运营维护。
作者简介：马东峰（1982-）男，山东济宁人，助理工程师，大学本科学历，毕业于潍坊学院工业设计专业，研究方向为公路与桥梁工程。
