基于无线传感技术的桥梁结构健康监测研究

基于无线传感技术的桥梁结构健康监测研究

李军

上海巨一科技发展有限公司 上海 200333

摘要：近年来，随着我国科学技术发展水平的不断提高，传统基础设施建设过程中的数字化转型进入了新的发展阶段，在当前我国的发展政策要求下，全面提升国民经济发展以及道路交通运输效率的提升是经济增长动力的新动力。本文在该背景下分析无线传感器技术在桥梁结构健康监测上的应用方法，分析无线传感器在桥梁结构上的布置方法，并从安全结构评估以及监测预警角度分析无线传感器网络技术下的桥梁结构健康检测系统的设计流程。

关键词：无线传感器；桥梁结构；健康检测；方法

前言

桥梁是道路交通中的重要节点，也是交通基础设施的重要组成，近年来，我国的桥梁工程建设水平不断提升，桥梁建设规模不断扩大，大部分桥梁工程在施工以及设计的过程中由于外部因素的影响，实际应用过程中可能存在较大的隐患，并且由于交通压力以及运营压力的不断提升，大部分桥梁工程的实施难以满足实际应用过程中安全性的要求。在工程建设实施现状的过程中，基于无线传感器网络技术对桥梁进行健康评估以及检测优化是目前主流的监测技术。在信息技术背景下，IoT技术可以对桥梁运行过程中的结构节点进行电子化的数据分析，通过一体化的数字性桥梁监测系统的构建全面加强桥梁的监测效果。

1 桥梁监测内容和传感器选择

1.1 桥梁监测种类

桥梁的安全监督管理是提升基础设施建设以及道路交通管理水平的有效方法，桥梁需要动态化监测的项目较多，往往需要较高水平的数据处理能力作为支撑才能够达成健康检测的目标。本文选用目前主流的无线传感器技术的桥梁健康分析展开研究。

1.1.1 环境数据监测

在对环境数据监测的过程中，桥梁周边需要对风速、温度等相关参数进行分析，由于桥梁由钢结构以及混凝土共同构成，其物理特性相对固定，通过这部分材料所构建的桥梁在实际应用过程中可能由于温差以及日照的影响，结构本身会出现不符合健康运行的内力和应力。在桥梁健康运行极端的情况下，其运行载荷会出现大幅度提升，且会对桥梁的结构稳定性以及安全性产生负面影响。在传感器节点布置的过程中，温度、风速等外部环境的变化也会对桥梁的监测产生误差干扰。现阶段，我国大部分交通工程中的桥梁建设跨度不断提高，如何优化桥梁的轻柔度是目前桥梁建设的主要话题，加强桥梁的稳定性以及抗风性是优化结构的重要措施。在这一情况下如何构建有效的桥梁健康监测方法显得尤为重要。

1.1.2 应变应力数据监测

桥梁健康的监测重点在于应变应力数据的监测，在桥梁实际使用的过程中，如果桥梁通车量较大，承载重量较高的情况下，应变过大的问题存在会对桥梁本身的结构产生负面影响，如果没有及时对桥梁的内部结构进行优化，可能会导致后续使用过程中安全事故的出现。桥梁主梁的各个结构点上布置传感器，可以精确收集桥梁在使用过程中各个结构点的应力数据，并且基于应力数据对桥梁整体的健康状态以及损伤问题进行合理评估。

1.1.3 结构变形数据

由于桥面的健康影响因素主要来自于车辆以及外部影响带来的荷载压力作用，桥梁在工作状态下其扰度的变化可能会导致桥梁出现弯曲变形的问题，通过在横截面的轴线以及形心的位置上对垂直的位移情况进行精确判断能够分析沉降的变化问题，对于特殊结构条件下，由于桥梁节点的不稳定性，节点的位置可能产生偏移的情况，此时需要结合具体结构变形情况进行数据分析，对于存在偏移的节点要进行重新布置。桥梁的健康状况与其沉降量具有直接的联系，在运用无线传感器技术对桥梁健康进行监测的过程中需要结合桥梁的线性变化问题进行精确性调整。

1.2 传感器的合理布置

传感器的布置应该综合考虑外部环境因素的影响，并且通过有效的手段采集桥面的各类参数。另外，传感器节点的布置需要选取监测目标点的基本情况，对结构点以及关键点的数据采集可以作为桥面监测参数分析的重要指标。最后，在桥梁数据采集完成之后，应该进行合理的筛选以及监测优化，通过选取桥梁内部结构评估的代表性指标，作为桥梁修复以及建设的决策意见。

2 桥梁结构安全评估与预警

通过传感器节点上报的桥梁检测数据进行综合性统计分析，并且在数据挖掘的过程中提取各个参数值的基本特征，构建相应的桥梁健康检测模型以及数据变化趋势，对桥梁各个关键点的结构损伤情况进行状态评估。桥梁结构的安全性具体需要分析传感器的传感数据，并且按照安全评估的实际效果对预警的阈值进行综合设置，另外，可以采用数据修正结构构建有限元模型，合理判断桥梁的运营状态，并且对桥梁当前行车的状态进行综合评价。在构建完成预警指标后，需要及时设置预警的阈值标准，输入参数到控制单元，在监测数据超过阈值的情况下及时上报相关信息。设定的阈值可以通过终端进行调整，阈值的大小也可以结合控制单元上报的数据信息进行综合分析，并在超过阈值范围的情况下进行预警上报。最后，系统需要将监测的所有数据传输到分析模块中，通过图表的方式将数据进行汇总处理，并生成相应的评估管理结果，对桥梁在一条时间线上的参数监测变化情况生成修复决策建议。

3 基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测设计

基于Zigbee无线数据传输标准构建无线传感器网络，在桥梁各个节点上布置传感器设备，按照既定的无线传输标准可以实现区域内的节点自动组网，并且可以通过外部设备的引入构建自动控制以及远程控制的基本方法。在设备管理过程中，组网结构可以按照拓扑标准确定数据采集节点的类型，结合控制节点以及路由节点的基本功能进行传感器节点的合理布置。在无线传感器节点发送数据之后，通过多跳自组织的方式建立数据传输链路，在具体数据传输的过程中，部分边缘节点可能无法直接收取到其他传感器的多条数据信息，在数据信息分析过程中应该通过合理的传感器节点布局，确保每一个监测节点均能够获取到对应的传感数据。无线传感器节点可以作为监测装置，也可以作为汇聚节点接收其他无线传感器节点发送的信息，单个汇聚节点与多个无线传感器节点构建筑链路，簇链路采集的数据可以发送到终端进行数据处理和调度控制。

3.1 数据采集部分

数据采集模块包括上位机、下位机两个部分，上位机负责数据收集与通信，获取传感器节点提供的相关数据。下位机主要是具有无线传输功能的处理装置，可以获取各类数据并进行处理，发送至路由节点。

3.2 数据分析部分

数据分析模块可以通过服务器搭建分析模块，监测系统在现有网络环境下可以通过有效的配置管理方式搭建人机交互管理界面，在通信系统集成的环境下，系统收集的数据通过可视化展示的方式提升监测数据的判断需求。监控中心将数据内容存储至数据库，通过用户的历史数据查询以及实时数据监测进行智能化处理以及综合分析，通过获取相关数据内容的方式帮助管理人员判断桥梁结构的异常问题。

结语

综上所述，无线传感器网络技术在各个领域内都有着极为广泛的应用，尤其是目前关于无线传感器技术的能耗管理、边缘节点管理、传感监测技术的全面发展，无线传感器技术在桥梁健康监测方面的应用也更加广泛，通过在桥梁结构关键节点上安装无线传感器节点在很大程度上可以维持桥梁的安全性，并且为桥梁管理人员提供科学合理化的指导依据。

参考文献：

[1]周桂兰,徐恺奇.大跨径桥梁结构健康监测技术现状与发展[J].公路交通科技(应用技术版),2019,15(04):168-169.

[2]商永生.光纤光栅传感技术在桥梁结构健康监测中的应用[J].交通世界,2016(12):70-71.DOI:10.

[3]贾富贵.基于光纤光栅传感技术的桥梁结构健康监测[J].公路与汽运,2014(01):205-209.

[4]陈俊,唐余亮,雷鹰.基于桥梁结构健康监测的无线传感系统自愈性研究[J].中国新通信,2010,12(07):69-71.

[5]王怀兴.无线传感网络在桥梁结构健康监测中的应用[J].计算机测量与控制,2008(04):476-478+512.