健康監(jiān)測與物聯(lián)網技術在道路橋梁中的研究現狀及進展
2015-05-26
1．引言
水壩、橋梁、電廠、軍事設施、高層建筑等重大結構工程，在遭受地震、洪水、颶風、爆炸等自然或人為災害時的安全問題，與人民的生命財產息息相關，已經引起人們的廣泛關注[1]。上述結構在經歷災害后，對他們的健康狀況做出評估，實時地監(jiān)測和預報結構的性能，及時發(fā)現和估計結構內部損傷的位置和程度，預測結構的性能變化和剩余壽命并做出維護決定，合理疏散居民，對提高工程結構的運營效率，保障人民生命財產安全具有極其重大的意義。故而，結構的健康監(jiān)測技術成為當前國內外研究的熱點問題。
隨著科學技術的發(fā)展，一些新的先進傳感技術，如光纖光柵技術、GPS技術、疲勞應變計、磁通量(EM)傳感器和聲發(fā)射(AE)技術以及無線傳感網絡系統(tǒng)技術在國內受到了特別關注，其中一些新成果已在實際橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中得到應用[2]- [3]。同時，健康監(jiān)測系統(tǒng)的整體集成技術也得到了發(fā)展。
2．構成及工作機理
結構的健康監(jiān)測技術是要發(fā)展一種最小人工干預的結構健康的在線實時連續(xù)監(jiān)測.檢查與損傷探測的自動化系統(tǒng)，能夠通過局域網絡或遠程中心，自動地報告結構狀態(tài)。
一般，健康監(jiān)測系統(tǒng)應包括以下幾個部分：(1)傳感系統(tǒng)：用于將待測物理量轉變?yōu)殡娦盘枴?2)信號采集與處理系統(tǒng)：一般安裝于待測結構中采集傳感系統(tǒng)的數據并進行初步處理。(3)通信系統(tǒng)：將采集并處理過的數據傳輸到監(jiān)控中心。(4)監(jiān)控中心和報警設施：利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數據進行診斷，判斷損傷的發(fā)生、位置、程度，對結構健康狀況做出評估，如發(fā)現異常，發(fā)出報警信息。
3．研究現狀
3.1 光纖光柵(FBG)傳感技術
光纖光柵傳感器采用波長調制方式, 通過探測信號波長的漂移量來測量被測參數的變化。測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測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, 可實現實時和分布式測量, 復用能力強, 多只傳感器可以串接在一根光纖上, 測試精度高、重復穩(wěn)定性好、遠程信號傳輸性能優(yōu)越, 可埋入復合材料或結構中來實現光纖智能材料和結構內部應變分布的實時監(jiān)測, 是實現光纖靈巧結構的理想器件。
在幾種光纖傳感技術中，布拉格光纖光柵(FBG)傳感技術在橋梁工程領域中應用最廣也最為成熟。國內光纖光柵技術的研究和開發(fā)除了圍繞光纖光柵傳感技術的原理以及調制解調技術外，針對光纖光柵傳感器封裝技術、在鋼或混凝土結構測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變和溫度測試為主，與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖光柵應變傳感器的抗電磁干擾能力、抗零漂能力、可重復性都更令人滿意。光纖光柵傳感技術已被應用在土木結構物的監(jiān)測中。
T.H.T.Chan 等人[4]利用光纖光柵傳感器對香港青馬大橋(世界上最長的吊橋, 同時支撐著鐵路和公路交通運輸) 進行結構健康監(jiān)測, 他們將40 個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, 測量橋上不同部位的應變, 并將光纖光柵傳感器的性能與傳統(tǒng)的結構監(jiān)測系統(tǒng)———風監(jiān)測和結構健康監(jiān)測系統(tǒng)(WASHMS , 該系統(tǒng)自1997 年5 月青馬大橋啟用起就已投入運行) 進行比較, 從而得出利用光纖光柵傳感器進行結構健康監(jiān)測是完全可行的, 所得試驗結果與WASHMS 測得的數據完全一致。傳感器的布置與安裝。
3.2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)技術
今天,大跨度橋梁被設計得更加靈活,可以抵抗溫度、強風和地震的影響。對有限元模型的升級、結構響應預測和安全評估來說，結構響應（尤其是位移）正變得越來越重要。對于大跨度橋梁，其變形、撓度、沉降等絕對位移量的量測仍是一個技術難題。GPS是一個可供選擇的技術。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傳感器進行監(jiān)測。
GPS位移監(jiān)測原理：大橋位移監(jiān)測系統(tǒng)是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它是利用接收導航衛(wèi)星載波相位進行實時相位差分即 RTK技術（Real Time Kinematic），實時測定大橋位移[7]。GPS RTK差分系統(tǒng)是由 GPS基準站、GPS監(jiān)測站和通信系統(tǒng)組成?；鶞收緦⒔邮盏降男l(wèi)星差分信息經過光纖實時傳遞到監(jiān)測站。監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號及GPS基準站信息，進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標。此結果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對接收機的GPS差分信號結果進行橋梁橋面、橋塔的位移、轉角計算，提供大橋管理部門進行安全分析[8]。
記錄Gorgopotamos Train Bridge的響應
雖然，GPS技術在健康監(jiān)測應用方面取得了長足進展，然而，一些不足之處仍然限制了GPS技術的應用范圍。存在的問題及未來研究的努力方向至少表現在以下幾個方面。（1）GPS測量的質量有賴于某些因素，主要是衛(wèi)星的能見距離、幾何學的應用、信號傳輸的質量、GPS波通過電離層和對流層時造成的延遲。（2）由于衛(wèi)星在不同位置上造成的定位質量的退化以外，其它主要考慮的問題（尤其是城市地區(qū)）為多徑效應。（3）在厘米以下到毫米的精確度范圍內，用GPS測量位移的精確度依賴于一些因素。
3.3 無線網絡傳感技術(WSN)
橋梁結構健康監(jiān)測中,各傳感器節(jié)點被大量布散在橋梁關鍵監(jiān)測區(qū)域,傳感器單元將采集到的數據傳送給處理單元,處理單元完成數據處理和存儲后,通過無線通信技術轉發(fā)給網關節(jié)點,網關節(jié)點可通過Internet 等多種方式將監(jiān)測數據送到監(jiān)控中心,并且系統(tǒng)可在異常情況下進行報警,監(jiān)測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到健康監(jiān)測目的[9]，如圖7所示。
相對于現有的分布式采集2有線數據傳輸-中央數據處理的傳統(tǒng)結構健康監(jiān)測系統(tǒng)架構,基于無線傳感器網絡技術的分布式采集-無線數據傳輸-分布式處理的新一代結構健康監(jiān)測系統(tǒng)架構,由于具有覆蓋范圍廣和測量精度高的特點,可以較好地解決上述問題,并且由于無線傳感器網絡具有分布式、自組織以及以數據為中心的特點,還可解決結構健康監(jiān)測系統(tǒng)魯棒性、自身壽命以及數據泛濫等問題。因此在構建新一代大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)方面,無線傳感器網絡應用前景廣闊?，F在絕大多數無線網絡傳感技術在SHM應用中仍處于實驗驗證階段，工程實例較少。
