健康監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在道路橋梁中的研究現(xiàn)狀及進展
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)害時的安全問題，與人民的生命財產(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，對他們的健康狀況做出評估，實時地監(jiān)測和預(yù)報結(jié)構(gòu)的性能，及時發(fā)現(xiàn)和估計結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的位置和程度，預(yù)測結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的運營效率，保障人民生命財產(chǎn)安全具有極其重大的意義。故而，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點問題。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新的先進傳感技術(shù)，如光纖光柵技術(shù)、GPS技術(shù)、疲勞應(yīng)變計、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際橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中得到應(yīng)用[2]- [3]。同時，健康監(jiān)測系統(tǒng)的整體集成技術(shù)也得到了發(fā)展。
2．構(gòu)成及工作機理
結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(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(wǎng)絡(luò)或遠程中心，自動地報告結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
一般，健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個部分：(1)傳感系統(tǒng)：用于將待測物理量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中采集傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進行初步處理。(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)控中心和報警設(shè)施：利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數(shù)據(jù)進行診斷，判斷損傷的發(fā)生、位置、程度，對結(jié)構(gòu)健康狀況做出評估，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報警信息。
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, 通過探測信號波長的漂移量來測量被測參數(shù)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(xiàn)實時和分布式測量, 復(fù)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(fù)穩(wěn)定性好、遠程信號傳輸性能優(yōu)越, 可埋入復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)中來實現(xiàn)光纖智能材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布的實時監(jiān)測, 是實現(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，針對光纖光柵傳感器封裝技術(shù)、在鋼或混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)變和溫度測試為主，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(jié)構(gòu)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(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)測系統(tǒng)———風(fēng)監(jiān)測和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是完全可行的, 所得試驗結(jié)果與WASHMS 測得的數(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)計得更加靈活,可以抵抗溫度、強風(fēng)和地震的影響。對有限元模型的升級、結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測和安全評估來說，結(jié)構(gòu)響應(yīng)（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(shù)難題。GPS是一個可供選擇的技術(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(dǎo)航衛(wèi)星載波相位進行實時相位差分即 RTK技術(shù)（Real Time Kinematic），實時測定大橋位移[7]。GPS RTK差分系統(tǒng)是由 GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測站和通信系統(tǒng)組成?；鶞?zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實時傳遞到監(jiān)測站。監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號及GPS基準(zhǔn)站信息，進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標(biāo)。此結(jié)果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對接收機的GPS差分信號結(jié)果進行橋梁橋面、橋塔的位移、轉(zhuǎn)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(yīng)
雖然，GPS技術(shù)在健康監(jiān)測應(yīng)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(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)在以下幾個方面。（1）GPS測量的質(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、信號傳輸?shù)馁|(zhì)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(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)測中,各傳感器節(jié)點被大量布散在橋梁關(guān)鍵監(jiān)測區(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)處理和存儲后,通過無線通信技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點,網(wǎng)關(guān)節(jié)點可通過Internet 等多種方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)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(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)測系統(tǒng)架構(gòu),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(wǎng)絡(luò)具有分布式、自組織以及以數(shù)據(jù)為中心的特點,還可解決結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊。現(xiàn)在絕大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)在SHM應(yīng)用中仍處于實驗驗證階段，工程實例較少。
