203個傳感器實現楊浦大橋24小時全天候監測,傾角開關

2017年8月,上海楊浦大橋迎來了建橋以來的第一次大修，大修的目的就是利用最新的施工和監測技術彌補建橋時科技發展水平的不足，以進一步提高大橋的運維能力，確保結構的安全。因此本文主要闡述，如何在零起點的基礎上，對既有特大型斜拉橋增設健康監測系統。通過集成結構分析計算、計算機技術、BIM技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等一系列高新技術，實現24小時全天候的大橋健康監測，以便掌握橋梁結構指標的長期變化趨勢、對突發事件進行響應與評價、掌握大橋安全運行的各項要素、對結構安全進行評估與預警、對養護數據進行數字化整合和統一管理等等。

助力結構養護管理

系統完成目標及功能

楊浦大橋大修新增健康監測系統要完成以下的目標：

1.技術先進、性能優良、長期穩定和經濟合理；

2.系統能長期、實時、同步、連續地采集數據；

3.系統具有強大的數據傳輸、處理、顯示、存檔和遠程共享能力；

4.系統具有自檢、校準、控制功能；

5.能夠根據健康評價系統的指令，為其提供指定格式、內容的數據和處理結果，并調整數據采集與處理工況參數；

6.系統具有良好的可更換性和升級能力；

7.支持BIM技術，使用BIM技術輔助結構安全管理。

楊浦大橋大修新增健康監測系統具有以下功能：

1.報告大橋工作環境和荷載變化；

2.報告大橋主要構件的應力(內力)及變形狀況；

3.記錄異常荷載事故，例如臺風、地震等；

4.報告大橋主要構件是否有損傷或累積破壞；

5.實現異常狀態下（包括荷載、工作環境和結構響應）的預警。

楊浦大橋大修新增健康監測系統的本質是為結構養護管理服務，具體作用體現在以下五個方面：

第一，掌握橋梁結構指標的長期變化趨勢，對橋梁做到可知可控。收集的結構響應指標包括：主梁跨中位移、塔頂位移、索力、梁端位移斜率、相鄰墩臺差異沉降、連續梁沉降指標、陣風系數、構件應力幅、疲勞損傷度、承臺加速度反應譜、加速度幅值、振動響應峰值頻率、結構頻率、阻尼比。

圖1 塔頂縱向位移指標長期變化趨勢

第二，對突發事件進行快速響應與評價，保障結構的安全運行。系統對一些突發事件，如地震、大風、極端溫度、霜凍、超荷車輛、危險品泄漏等能作出及時響應，并對突發事件后的結構安全狀況進行快速評價。

例如圖2的地震突發事件，監測數據推算地震反應譜，并與設計最大反應譜比較, 再將監測數據輸入基準有限元模型，進行非線性時程響應分析，得出關鍵響應指標。

第三，支撐大橋運維管理人員掌握影響大橋安全運行的各項要素。大橋的運維管理人員通過基于BIM的安全運行平臺，可以實時監控大橋安全運行的各項要素：結構評分、交通流量、當前通行狀況、氣象數據、結構所處工況（風險事件類型）、結構關注點等。

第四，結構安全評估與預警。對楊浦大橋進行結構安全、構件安全和運營安全綜合評估，設定與安全相關的指標閾值，當橋梁遭遇風險事件或安全性耐久性時，給出預警或報警信息，通過多部門、多終端信息共享，實現聯動式協同工作。

第五，數據的整合與統一。對傳統紙質的設計資料，以及多個部門的分散養護數據予以數字化整合和統一平臺管理。

圖2 基于監測數據與基準有限元模型的地震突發事件的評估流程

系統原則

楊浦大橋大修新增健康監測系統是一個集結構分析計算、計算機技術、BIM技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統工程，為滿足楊浦大橋養護管理的需要，系統會遵循如下原則：

1.統一采購、統一實施、統一維護、統一管理；

2.遵循簡潔、實用、性能可靠、經濟合理的指導思想；

3.從動力、靜力、耐久性方面對結構進行監測，力求用最少的傳感器和最小的數據量完成工作；

4.以結構位移監測為主，以力、應力、模態分析為輔；

5.利用試運行期的監測數據，建立結構的基準模型；

6.系統應具有穩定性、可擴展性，須考慮與上海市已有大橋健康監測系統之間的相應數據綜合利用，預留與上海已有的大橋健康監測系統相兼容的數據接口；

7.明確對數據采集系統傳感器的標定方案。

圖3 楊浦大橋實時監測布點圖

健康監測系統構成

系統框架

系統主要由傳感器、數據采集及傳輸設備、數據處理與控制設備三個部分組成——

1.傳感器：由布置在橋梁結構上的各類傳感器、專用設備和線纜等組成。

2.數據采集與傳輸設備：本系統又可分為數據采集系統、數據傳輸系統兩部分。其中數據采集系統是由布置在橋梁結構內部或橋面的調理設備、采集設備、采集計算機和傳感器電纜網絡等組成；數據傳輸系統由布置在橋梁外場工作站機柜內及監控中心機房內的網絡傳輸設備及網絡傳輸線纜組成。

3.數據處理與控制設備：由布置在監控中心的服務器系統、工作站組成。

圖4 系統構架圖

傳感器模塊

傳感器模塊由傳感器及連接到采集設備的信號線纜組成。根據監測項目的特點和需求，傳感器設備的選擇及布設依照以下原則進行——

可靠性原則：根據監測要求，盡量選用技術成熟、性能先進的傳感器，保證系統在施工和使用環境下安全可靠運行，經濟實用；

實用性原則：傳感器應有很強的實用性，方便安裝和使用；

耐久性原則：選用耐久性好、抗干擾性強的傳感器和傳輸線；

可維護、可擴展原則：傳感器易于維護和更換；

經濟性：在滿足要求和實際數據分析的前提下，考慮經濟性，選擇合適精度的傳感器。

強大的技術支持能力：設備生產商/供貨商需具備強大的技術支持能力和長期快速維護能力。

傳感器模塊主要包括：機械式風向風速儀器；溫濕度傳感器；光纖光柵應變傳感器；光纖光柵溫度傳感器；加速度傳感器；索力傳感器；光纖光柵位移傳感器；GPS傳感器；地震儀；光纖光柵裂縫傳感器。

數據采集與傳輸設備模塊

數據采集與傳輸設備由外場工作站內的數據采集設備、數據傳輸網絡組成。

數據采集與傳輸模塊完成傳感器數據的采集、信號調理與數據傳輸。各種不同類型的傳感器采用不同的信號調理模塊，數據采集模塊完成對調理后的傳感器信號的處理與轉換，最終形成統一的數字信號；數據傳輸模塊將經過采集模塊獲得的傳感器監測參數的數字信號調制成為可供遠程傳輸的信號，并完成信號的遠程傳輸及解調的任務。數據采集與傳輸子系統同時也應作為向傳感器發送采集指令的載體與通道。

數據采集與傳輸模塊設計的主要依據是：傳感器輸出信號類型，信號電纜的類型和長度，采樣頻率以及測試精度。

從需求分析可以看出，楊浦大橋大修新增健康監測涉及的傳感器種類多，輸出信號類型多。必須根據不同的傳感器種類、精度、采樣頻率的要求，采用不同的傳輸方案，并將采集系統集成為一個大系統。

數據處理與控制模塊

數據處理與控制依靠部署在監控中心機房的服務器系統，包括數據處理與控制服務器、BIM數據庫服務器、結構安全評估服務器、BIM應用數據庫、GPS服務器（應用服務器）構成。

數據處理與控制服務器

此部分服務器的主要功能為接收底層工作站傳輸的數據，并做簡單的數據處理，對它的要求主要體現在對數據并發性接收的相應能力。本系統內滿負荷運轉的數據量最大值估算為73 M/小時。故在此配備一臺高性能LINUX/UNIX服務器。

結構安全評估服務器

此服務器主要功能是進行數據的在線分析處理，對實時數據和歷史數據進行二次處理、數據融合處理，進行在線評估與預警，接收應用服務器的請求，并將各項處理結果返回。該服務器運行的是整個大橋結構監測信息管理系統的核心功能，需要處理大量的數據。故在此配備一臺高性能LINUX/UNIX服務器。

BIM數據庫服務器

整個監測系統運行會產生大量的數據，其中大部分數據在經過預處理后都將輸入數據庫系統，可以為以后的查詢、運算、統計打好基礎，故在此配備一臺高性能LINUX/UNIX服務器。

BIM應用服務器

對三維模型的存儲與管理，需要高配置的服務器。

GPS服務器（應用服務器）

此服務器主要功能是用于GPS系統數據的接收、分析與處理，作為GPS系統的專用服務器。

自動化數據監測模塊

自動化數據監測模塊通過傳感器、數據采集、數據傳輸設備，實時采集楊浦大橋的結構響應及環境特征數據，并利用數據處理和控制設備對采集到的數據做進一步處理分析。該子系統主要由數據采集與傳輸模塊、數據接收與控制模塊兩個部分組成——

1．數據采集與傳輸模塊：通過自編軟件實現數據采樣、數據存儲、數據前處理、同步、數據傳輸、參數配置、采樣控制、系統自檢等功能。

對所有傳感器信號按照相應的采集制度和采樣頻率進行實時數據采集和預處理。

連續傳輸來自傳感器系統、工作站、數據處理和控制系統服務器、數據評估服務器之間的實時監測數據、狀態和警告信息。

2.數據接收與控制模塊：由布置在監控中心的服務器系統組成，實時接收并處理數據采集及傳輸模塊采集的數據、人工錄入數據和其他系統數據，并對原始數據進行處理和在線評估，實現對原始數據和處理后數據的實時在線顯示。

通過整合以上兩個模塊，最終實現數據的采集、存儲、傳輸、自檢、轉發等功能。

安全分析評估預警模塊

該模塊應包括結構數據處理、結構安全評估、綜合監控與預警、報告管理、應急事件處置。結構數據處理：根據橋梁運營管理和結構安全評估的需求，對初步處理后的數據深入分析，同時為日常的運營管理提供直接的幫助和判斷指引。結構安全評估：通過該模塊對傳感器監測、人工檢測得到的各類定量、定性的數據進行統一的數據處理分析，然后按照一定的評估模型，得到橋梁結構安全狀態的評估報告，據此給出橋梁結構的管養建議。具體包括三個層次：結構數據處理、結構安全評估、報告管理。綜合監控與預警：通過該模塊集成大橋運行期間綜合監控數據和報警信息，并基于BIM模型快速查詢報警設備的空間位置、技術參數，以及其所屬設備系統的相應信息，輔助分析事故發生的原因，同時提示排除故障的方案，啟動基于BIM技術的應急管理流程提示。應急事件處置：通過該模塊能結合BIM技術，編制各類應急預案相關的處置專案，用于應急預案處置培訓及輔助預警啟動應急預案后的事件管理，促進大橋安全運行。

1.預警管理

楊浦大橋結構健康監測系統預警分兩個級別：系統報警（即設備的故障報警）和通道報警。

①系統/設備報警是對設備狀況的監測報警，由系統自檢程序完成。當設備出現故障時，通過制定響應預案，運營工程師可以對設備故障進行及時排除，保證數據采集的連續性。

②通道報警是通過設定反映結構關鍵指標的邏輯組，將若干個通道數據進行組合，并與預設的閾限值比較，以判斷該類指標危險與否，從而推送預警信息。每個通道報警區分三類運營狀態：安全狀態、臨界狀態和異常狀態。分別對應閾值以內（綠色）、閾限值之間（黃色）和超出限值（紅色）。

各指標的預警參數（閾限值）由設計院、業主、科研單位、實施單位共同確定，在本系統設計中，將根據《城市橋梁養護技術規范》及大橋結構狀況，以及相應的有限元模型分析結果，給出參與通道預警的閾限值推薦值。該閾限值將在后續的系統運維過程中，每年定期進行閾限值的優化與調整。

警報類型在首頁總體信息框和BIM模型中實時自動顯示預警信息，用戶點擊預警信息后可查看相關報警詳情，如報警通道的時程曲線。

2.專項分析

對結構安全及運營安全做專項分析（整合BIM模型或二維示意圖做專項展示），同時為管理人員提供專項決策支持。

楊浦大橋健康監測系統可以提供包括風專項、差異沉降專項在內的多種專項分析。

圖5 風專項分析

圖6 差異沉降專項分析

BIM模型管理模塊

該模塊含有BIM模型存儲與BIM模型管理、BIM建模實施、BIM施工模擬相關功能。

本模塊用于關聯和維護BIM模型相關的分類、位置、名稱、編碼、廠家技術資料、質量保證資料等數據和文檔。這些信息包括了大橋歷史養護的記錄,本次大修新設備的養護要求、圖紙,以及所有設施設備的編碼、名稱、技術參數等。

BIM模型管理

BIM系統是基于三維模型的綜合管理系統，三維模型是其基本載體。通過三維模型，可實現工程圖紙、構件和設備信息、運維動態信息的查詢，以及運維安全狀態的直觀展示。鑒于楊浦大橋東西側各有較長的引橋部分，楊浦大橋的模型場景包括：主橋主體結構、西引橋主體結構、東引橋主體結構、附屬設施、交通工程、照明、供配電、排水、健康監測、周邊環境、監控中心、社會管線共12個場景。

BIM建模實施

建模深度方面，總體上要滿足LOD500（運維模型）的深度，主要的設施設備、管道模型都需具備，并需關聯相關數據、文檔、圖紙等，如構件名稱、結構尺寸、材料信息、歷史維護、更換信息、構件圖紙、基礎沉降歷史數據。

模型需帶材質貼圖，并可通過Web端查看模型外觀、附加屬性、材質等情況，并在必要時，對模型進行優化處理，以滿足信息的有效傳遞和基本的體驗要求。

BIM模型施工模擬

根據項目施工圖模型，對關鍵工藝施工模擬工作，輔助對關鍵工藝的施工準備工作和方案決策，暫定實現三項關鍵工藝模擬，提供模擬動畫的視頻文件，可以在系統中實現視頻文件的集中管理和訪問。施工模擬工作按現場施工進度同步開展。

現在新建成的特大型橋梁基本都已經配備了符合各自結構特點的健康監測系統，像楊浦大橋這類早期建成的特大型橋梁，局限于當時的科技發展水平，并沒有這么幸運。這些橋梁數量繁多，而且都已經通車運行了相當一段時間，并且還要繼續運行很長一段時間。如果可以通過現代化的科技水平，彌補建成時的不足，不論對管還是養，都是有很大裨益的。

此次楊浦大橋通過大修這一契機，實現了一座建成于90年代的特大型斜拉橋與時下最先進的橋梁健康監測系統的有機結合，不僅是對當初橋梁建設者們的一種致敬，更是為大橋安全運行的百年大計添磚加瓦。