桥梁施工及运营阶段智能健康监测与控制技术
2015-06-30
1 智能健康监测与控制技术系统概念
桥梁智能健康监测与控制技术是一项系统性技术，涉及到检测、计算机、通讯、网络及人工智能领域等，在桥梁智能监测和控制中包括测试技术、数据自动采集与传输技术、结构仿真分析技术及桥梁诊断评估技术。其过程为桥梁的施工及运营过程中采集关键部位的实时数据，远程传输到分析计算机系统中进行分析，再输出相应的监测结果，并给出合理的下一步施工技术方案或桥梁结构安全状态和预警，以指导施工及运营。
2 智能健康监测与控制技术系统在桥梁施工与运营中的作用
2.1 技术系统在桥梁施工阶段的主要作用
桥梁在施工阶段控制不当可能会引起桥梁线形变形、内力状态不符合设计要求、施工精度不足等问题，应用桥梁智能健康监测技术系统，监测实际每一步施工工序，获取现场关键点的参数值，对桥梁结构进行实时的理论分析和验算，根据分析的结果输出相应的施工控制指令，并能够分析施工过程中各类误差积累情况，提高施工的精度，最终实现控制施工质量的目的。
2.2 技术系统在桥梁运营阶段的主要作用
桥梁在完工之后，其运营的质量效果如何，是政府部门及人们极为关注的问题。桥梁在经历温度变化、风雨侵蚀、车辆碾压等作用后能否保持在原有的设计要求范围内，是否存在隐蔽性损伤等都是技术系统要辨别的。技术系统通过实时检测，及时发现问题所在，并输出相应的控制指令，施工人员根据输出结果针对问题部位进行补救调整。
3 智能健康监测与控制的主要技术内容
3.1 传感器及其优化布置技术
传感器是技术系统开始的源头，所以要求其具有良好的性能，如良好的可靠性、高度的敏感性及短时反应，以达到快速、准确、如实的反映出桥梁测试部位的信息。同时，要求传感器不易受周围环境影响，耐久性好及低噪音等。根据监测目的不同，传感器可以分为五种。1）环境监测，主要监测的是桥梁环境包括温度、湿度、有害气体等，此类数据的监测收集是为了评估桥梁的耐久性能；2）几何监测，桥梁不论在施工还是运营阶段都需要及时的记录下几何变化，包括平面数据和竖向数据，尤其在施工阶段有效的监测数据和结果输出，能够从根本上避免桥梁发生大的建筑问题；3）载荷监测，其监测对象包括风载、地震载荷及交通载荷等，主要是应用在桥梁运营阶段；4）结构静、动力反应监测，结构静力监测主要针对温度、不均匀沉降引起的桥梁反应，为运营的可靠性评估提供数据。结构动力监测主要针对的是风载、交通载荷等动态性载荷作用下的位移、速度及加速反应谱等 ；5）结构材质监测，结构材质监测是采用现代无损监测技术对桥梁构成材料监测，包括混凝土和钢筋强度变化和损伤情况等。采用的技术手段有超声波发、电位差法、射线法等。目前由于监测技术难以嵌入到桥梁结构中，所以该监测技术主要通过人工方式进行。
3.2 数据自动采集与传输技术
数据采集是指将传感器采集的数据进行信号放大，转换成模拟量或以数字记录。而传输技术则是指将采集转换的数据通过远程传送的方式传送到监控中心，以达到实时监控和远程监测的目标。数据的采集需要两种技术作为支撑，即数据采集的硬件技术和软件技术，数据采集的硬件技术包括信号调理、模数转化、贮存器等。其中贮存器主要起到数据缓冲作用，有时还可长期贮存数据。数据采集软件技术能够实现采集系统与计算机之间的数据通信，为用户提供系统操作界面等作用。
数据的传输技术要对实时监测数据进行压缩，并通过一定的方式传输到处理中心。同时传输技术还要能够实现“机-机”和“人-机”相互传输数据的功能。目前无线通讯技术及无线网络技术的发展为数据的传输提供了更为方便、高效的实时监控方式，但是真正实现广泛应用还需要进一步的研究。
3.3 结构仿真技术
现代计算机技术的发展，为我们模拟实际的桥梁结构提供了很好的平台。通过结构仿真技术，可以根据不同条件和要求，建立各种合理的结构力学分析模型或者构建不同形式构件组成的桥梁，来模拟分析预测桥梁结构力学中的关键点，以确定所需的材料强度特性。在桥梁施工阶段，通过仿真模拟可以突出施工中的重点和难点，以便采取有效措施避免问题发生。而在桥梁运营阶段，以采集到的数据为基础建立相关的全桥或关键结构部件的内部应力变化模型，而实现结构内力的重点监测的目的。结构仿真技术也可以实现全桥梁空间结构的模拟、加载时桥梁真实表现模拟等。
4 桥梁诊断评估技术
桥梁的诊断评估主要内容有承载能力、运营状态和耐久能力三方面的内容。在承载能力方面，其目的在于寻找确定出桥梁结构的实际安全储备，以免在使用中发生灾难性事故，是评估的主要内容。在运营状态方面，它与桥梁结构变形、裂缝及振动等相关，是指结构在正常的工作和定期护养的情况下的运营状态的评估。在耐久能力方面，主要的内容是评估桥梁的损伤情况和成因，及相应的材料的物理特性的变化。桥梁损伤可粗略分成结构性和非结构性损伤，就混凝土结构来说，结构性损伤主要是值混凝土的开裂、剥落及钢筋的腐蚀等，而非结构性损伤常会对桥梁的运营状态和耐久能力产生影响。桥梁的诊断评估工作是一个分析辨别数据，利用有效数据对桥梁进行评判的过程。目前，结构仿真技术的数据检测，多采用动力检测方法，如系统识别法、动力指纹法及神经网络法等。
5 存在的问题
在桥梁的施工过程并不是所有的方法都能实现，主要原因在于一些监测技术的实现需要有全面的布置，如传感器的布置，很难实现在施工过程中全面布置。同时一些关键技术仍有待深入的研究，包括1）系统硬件的稳定性、可靠性及抗干扰能力，桥梁搭建的地方常出在较为恶劣的环境条件下，如何有效的保证系统硬件的长期有效是值得广大相关工作者研究的，目前虽然光纤传感技术有不错的表现，但是真正实现普及应用还需一段时间。2）传感器的优化配置及数据处理，只有传感器有效配置才能实现真实反映桥梁结构变化，而数据的及时有效处理才可实现准确高效的实施施工控制或预测补救。3）规范与标准，目前针对与桥梁智能监测技术的规范和相关标准缺乏。4）有待发展成熟有效的健康诊断和安全评估方法。
6 结语
桥梁在施工和运营阶段的智能监测和控制技术综合了各方的技术优势，而实现施工和运营实时智能健康监测的目的。该技术系统的实现能很好的解决桥梁在施工和运营阶段的所遇到的问题，但是仍旧面临着很多的问题，需要研究者们进一步深入研究。
