以中小跨度橋梁為代表的橋梁網(wǎng)絡，面臨來自交通負荷、運營環(huán)境等復雜條件的作用，存在材料劣化、地基沉降等因素造成的漸變型風險，以及來自車輛(船舶)撞擊、車輛超荷、危險品泄漏、自然和地質(zhì)災害等突發(fā)事件的風險。一方面，橋梁建設年代早，經(jīng)過多年運營，可能或已經(jīng)出現(xiàn)結構局部破損、銹蝕、橋面滲水、橡膠支座老化等病害；另一方面，交通負荷逐年增大，重載交通多，超載車輛對橋梁產(chǎn)生嚴重超負荷工作，縮短了橋梁壽命，使得橋梁存在一定的安全隱患。同時，大量中小橋梁養(yǎng)護經(jīng)費通常不充裕，檢測養(yǎng)護頻度不高，但承載的交通任務依然繁重，服役年數(shù)久遠，其潛在的安全隱患必須得以重視。
現(xiàn)有管養(yǎng)體系主要以人工定期巡檢為主，一來缺乏與運營安全相關指標的實時監(jiān)測；二來由于結構體量大、橋位環(huán)境復雜，使得大量橋梁巡檢可達性較差，人員安全風險高。加之惡劣環(huán)境等因素影響，難以保持高頻度巡檢，這使得運營管理工作對網(wǎng)絡化、區(qū)域化、實時性監(jiān)管技術的需求日趨迫切。
傳統(tǒng)結構監(jiān)測系統(tǒng)主要為大型橋梁設計，其結構體系復雜，體量大。一方面，在系統(tǒng)建設時，包含的傳感器設備數(shù)量眾多，許多設備和采集指標并非與結構安全直接相關，從而造成大量的設備和數(shù)據(jù)冗余，為后期系統(tǒng)養(yǎng)護和數(shù)據(jù)存儲、解釋帶來負擔。另一方面，由于傳統(tǒng)結構監(jiān)測系統(tǒng)多為“獨立” 項目，業(yè)主常需要提供專門的人力物力和辦公場所來設置監(jiān)控中心，在后期的設備維護上容易遇到資金、人力成本和技術成本上的困難。同時，傳統(tǒng)大型結構監(jiān)測系統(tǒng)初期投資巨大，性價比有限，影響業(yè)主的實施積極性，也不利于在中小橋梁管養(yǎng)的市政領域應用。
目前基于無線物聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)測方案可以有效解決傳統(tǒng)方案碰到的問題，從技術分析看，比較適合城市的中小橋梁群監(jiān)測。
針對廣大橋梁的運營需求，采用基于云平臺的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過小型化的無線傳感系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的運營商無線通信手段，在云平臺的強大運算、存儲和兼容能力支撐下，實現(xiàn)網(wǎng)絡化、集約化管理。
在中小橋梁結構關鍵位置，針對與結構安全直接相關的主要指標，部署相關傳感器，通過已有的工業(yè)級的無線低功耗傳感器或分布式無線低功耗的采集儀來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并通過現(xiàn)有成熟的運營商網(wǎng)絡（2G/3G/4G）實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)無人值守的安全監(jiān)管。
通過技術調(diào)研和分析，無線物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測整個系統(tǒng)架構主要分為三層：
1. 多種類型無線傳感節(jié)點構成的監(jiān)測網(wǎng)絡
多種類型的工業(yè)級的無線智能傳感器或是可外接傳統(tǒng)類型傳感器的分布式無線采集儀，形成無線物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的采集節(jié)點。
2. 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡
可以通過無線方式靈活組建網(wǎng)絡，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)匯集到無線匯集網(wǎng)關，再通過運營商網(wǎng)絡（2G/3G/4G）將數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。
3. 監(jiān)測云平臺系統(tǒng)
對采集的數(shù)據(jù)存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、繪圖、報表匯總以及自動預警等服務，并可通過計算機瀏覽器與移動端App訪問使用。
采用無線傳感網(wǎng)的監(jiān)測方案，能滿足快速部署需求、減少專業(yè)的網(wǎng)絡配置工作（自動組網(wǎng)），同時滿足遠程配置和分析（可自定義的采集、獲取和分析數(shù)據(jù)）。還具有以下優(yōu)勢：
? 方案簡捷易行，實用性強；
? 與傳統(tǒng)方案相比，可顯著減少濾波器、線纜等中間設備采購；
? 可隨時隨地隨需增減測點、調(diào)整測點類型，支持由小到大平滑擴建；
? 支持移動智能終端APP，有利于應急監(jiān)測的快速實施和進行；
? 無線測點自帶電源市場上有可堅持3年以上，無需供電及防雷等保護；
? 方案分布式特點，數(shù)據(jù)集中接入在線系統(tǒng)，適合大規(guī)模部署；
? 一年可完成300個橋梁的方案施工；
使用在線監(jiān)測系統(tǒng)，按需付費的在線監(jiān)測系統(tǒng)云系統(tǒng)，因購買服務方式能有效降低系統(tǒng)使用門檻。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)，能實時數(shù)據(jù)查看、健康評估、閾值預警、時間序列分析等。系統(tǒng)應具有以下特點：
? 提供直觀明了的圖表，分析方便快捷；
? 可將多種相關因素共同繪圖，快捷、直觀地查看趨勢及關聯(lián)變化；
? 圖表數(shù)據(jù)量可簡可繁可定制，可直接用于多種工作報告；
? 提供時均值、日均值、變化速率等統(tǒng)計值的實時計算和更新；
? 提供多級閾值預警設置及對應報警，快速的風險等級評估；
? 提供數(shù)據(jù)導出，以便用戶采用第三方軟件進行分析；
? 自帶數(shù)據(jù)加密等安全機制，防止非法接入和使用；
? 提供Android和IOS APP。
參考以下在線系統(tǒng)截圖：
直觀的應變數(shù)據(jù)圖示
直觀的振動數(shù)據(jù)圖示
振動數(shù)據(jù)時域圖
振動數(shù)據(jù)頻譜圖
索力數(shù)據(jù)時域圖
索力分析用瀑布圖
能實現(xiàn)獲取更多數(shù)據(jù)，輔助指導養(yǎng)護。當日常檢測發(fā)現(xiàn)橋梁出現(xiàn)隱患，有不能確認是否需要進行大修時，可以臨時安裝相關的監(jiān)控設備，短時間連續(xù)觀察隱患是否會有惡化，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)并進行分析，能有效指導養(yǎng)護工作。
能實現(xiàn)及時預警。橋梁在運營中若某種響應超過預警值，要及時發(fā)出警報，提示出現(xiàn)非正常荷載或大橋某部位性能退化，以便加強橋梁檢查或加固維修。
以下為監(jiān)測項目及對應的無線測點設備：
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序號 |
監(jiān)測項目 |
無線測點設備 |
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1 |
傾斜 |
無線智能傾角計 |
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2 |
應變 |
分布式無線振弦采集儀+振弦式應變計 |
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3 |
位移 |
分布式無線振弦采集儀+振弦式位移計 |
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4 |
裂縫 |
分布式無線振弦采集儀+振弦式裂縫計 |
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4 |
振動加速度 |
無線智能加速度計 |
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5 |
索力 |
無線智能索力計 |
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6 |
溫濕度 |
無線智能溫濕度計 |
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7 |
沉降 |
智能靜力水準計 |
基于無線物聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)測方案，最大的好處還可方便靈活的組合所需的監(jiān)測項目，這是傳統(tǒng)監(jiān)測方案所不具備的。
采用無線智能傾角計來監(jiān)測傾斜，要求無線智能傾角計靈敏度可達0.0003度，滿足實際工作的精度測量需求。建議主要功能特點:
? 無需額外配備數(shù)據(jù)采集儀、濾波器，無需連接模擬信號線纜；
? 自動完成無線自組網(wǎng)，無需專業(yè)的網(wǎng)絡工程師配置；
? 無需額外電源，自帶電池工作壽命希望可達6-8年，最次不低于3年；
? 無線傳輸數(shù)據(jù)半徑建議支持400米，實際工作不得低于200米。
? 無線信號強弱不影響數(shù)據(jù)精準性，支持數(shù)據(jù)續(xù)傳和內(nèi)置存儲；
? 體積小巧，安裝方便，可支持拆卸多次利用；
? 數(shù)據(jù)能無線關聯(lián)到匯集網(wǎng)關，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)上傳；
在實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，采用振弦類傳感器進行較長時間的監(jiān)測具有較高的穩(wěn)定性，溫漂小。通過振弦類傳感器和分布式無線采集儀的配合使用，滿足實際工作的快速應變、位移、裂縫的安裝和數(shù)據(jù)采集。建議主要功能特點:
? 采用高質(zhì)量的振弦類應變、位移、裂縫傳感器；
? 配套分布式無線采集儀，支持所有振弦類傳感器的數(shù)據(jù)采集；
? 采集儀支持室外工作環(huán)境，防護等級高；
? 采集儀自動完成無線自組網(wǎng)，無需專業(yè)的網(wǎng)絡工程師配置；
? 采集儀無需額外電源，自帶電池工作希望可達6-8年，最次不低于3年；
? 無線傳輸數(shù)據(jù)半徑建議支持400米，實際工作不得低于200米。
? 無線信號強弱不影響數(shù)據(jù)精準性，支持數(shù)據(jù)續(xù)傳；
? 體積小巧，安裝方便，可支持拆卸多次利用；
? 采集儀建議支持1個通道和3個通道，適合分布式且性價比高
? 采集儀數(shù)據(jù)能無線關聯(lián)到匯集網(wǎng)關，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)上傳。
振弦類應變傳感器技術參數(shù)建議如下：
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標準量程 |
3000με |
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非線性度 |
直線：≤1%FS； 多項式：≤0.1%FS |
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靈 敏 度 |
1με |
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溫度范圍 |
-20～+80℃ |
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標 距 |
150mm |
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安裝方式 |
表面安裝 |
振弦類位移傳感器技術參數(shù)建議如下：
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標準量程 |
12.5、25、50、100、150、200、250、300mm |
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靈 敏 度 |
0.025%FS |
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精 度 |
±0.1%FS |
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非 線 性 |
＜0.5%FS |
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溫度范圍 |
-20～+80℃ |
振弦類裂縫傳感器技術參數(shù)建議如下：
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標準量程 |
12.5、25、50、100、150、200、250mm |
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非線性度 |
直線：≤0.5%FS； 多項式：≤0.1%FS |
|
靈 敏 度 |
0.025%FS |
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溫度范圍 |
-20～+80℃ |
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耐 水 壓 |
可按客戶要求定制耐0.5、2MPa或其它水壓 |
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標 距 |
依量程而定 |
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直 徑 |
12mm(柱身)/25mm(線圈) |
采用無線智能振動計來監(jiān)測振動，要求無線智能振動計實時傳感，但是傳輸支持多種方式，如定時傳輸，觸發(fā)傳輸?shù)葷M足實際工作的監(jiān)測需求。建議主要功能特點:
? 無需額外配備數(shù)據(jù)采集儀、濾波器，無需連接模擬信號線纜；
? 自動完成無線自組網(wǎng)，無需專業(yè)的網(wǎng)絡工程師配置；
? 無需額外電源，在觸發(fā)傳輸方式情況下，自帶電池工作壽命希望可達6-8年，最次不低于3年；
? 無線傳輸數(shù)據(jù)半徑建議支持400米，實際工作不得低于200米。
? 無線信號強弱不影響數(shù)據(jù)精準性，支持數(shù)據(jù)續(xù)傳和內(nèi)置存儲；
? 體積小巧，安裝方便，可支持拆卸多次利用；
? 數(shù)據(jù)能無線關聯(lián)到匯集網(wǎng)關，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)上傳；
? 要求傳感器一直在采集振動數(shù)據(jù)，只是處于低功耗工作方式不將數(shù)據(jù)傳輸出去，按相關傳輸方式傳出，實現(xiàn)更低功耗的長期工作。
采用無線智能索力計對纜索支承型橋梁的索力進行測量，測量原理為頻率法，能適用于絕大多數(shù)類型的斜拉索、懸索橋的索力監(jiān)測。建議主要功能特點:
? 無需額外配備數(shù)據(jù)采集儀、濾波器，無需連接模擬信號線纜；
? 自動完成無線自組網(wǎng)，無需專業(yè)的網(wǎng)絡工程師配置；
? 可自動根據(jù)被測索的振動情況選擇合適的量程；
? 可智能頻譜提取，提取拉索頻率特性，誤差 ≤ 1%FS，最優(yōu)為0.1%FS；
? 可定義切換到實時振動采樣，并支持觸發(fā)傳輸和定時傳輸方式；
? 無需額外電源，在智能頻譜提取或觸發(fā)傳輸方式情況下，自帶電池工作壽命希望可達6-8年，最次不低于3年；
? 無線傳輸數(shù)據(jù)半徑建議支持400米，實際工作不得低于200米。
? 無線信號強弱不影響數(shù)據(jù)精準性，支持數(shù)據(jù)續(xù)傳和內(nèi)置存儲；
? 體積小巧，安裝方便，可支持拆卸多次利用；
? 數(shù)據(jù)能無線關聯(lián)到匯集網(wǎng)關，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)上傳；
采用無線智能溫濕度計對結構表面的溫度、濕度進行測量，可用于溫濕度的長期監(jiān)測。建議主要功能特點:
? 無需額外配備數(shù)據(jù)采集儀、濾波器，無需連接模擬信號線纜；
? 自動完成無線自組網(wǎng)，無需專業(yè)的網(wǎng)絡工程師配置；
? 無需額外電源，自帶電池工作壽命希望可達6-8年，最次不低于3年；
? 無線傳輸數(shù)據(jù)半徑建議支持400米，實際工作不得低于200米。
? 無線信號強弱不影響數(shù)據(jù)精準性，支持數(shù)據(jù)續(xù)傳和內(nèi)置存儲；
? 體積小巧，安裝方便，可支持拆卸多次利用；
? 數(shù)據(jù)能無線關聯(lián)到匯集網(wǎng)關，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)上傳；
? 溫度量程：-40 ~ 80攝氏度，濕度量程：0 ~ 100%RH
經(jīng)調(diào)研，采用靜力水準計是橋梁沉降監(jiān)測最穩(wěn)定可靠，精度高的一種方式方法。靜力水準儀是一款基于連通器原理的差壓式傳感器，利用各監(jiān)測點之間的壓力值的變化計算出沉降量，專用于垂直位移測量的感測裝置，是測量兩點或多點間相對高度變化的精密儀器，廣泛應用于大型儲罐、大壩、橋梁、建筑物、基坑、隧道、地鐵等垂直位移監(jiān)測。主要功能特點：
? 系統(tǒng)由基點、儲液罐、連通管、傳感器組成，區(qū)別于傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測系統(tǒng)；
? 儲液倉采用有機玻璃，透明度好，便于觀察倉內(nèi)液體位置以及有無氣泡；
? 傳感器頂部設計有彈壓自鎖排氣裝置，便于排除儲液倉內(nèi)的氣體；
? 支持單個設備采集和廣播采集兩種采集方式；
? 需配套專業(yè)采集儀，支持無線關聯(lián)到匯集網(wǎng)關，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)上傳；
? 傳感器通過串聯(lián)方式連接電纜及連通管，安裝較為復雜；
（一）顯著降低開發(fā)和集成成本
通過在線監(jiān)測，可以一改過去“一個項目一次開發(fā)”、“項目數(shù)據(jù)無法互通互用”、“一種應用一套系統(tǒng)”等不利情況，快速、簡捷、可規(guī)?；貙⒉煌ㄓ崊f(xié)議、不同數(shù)據(jù)類型和處理方式、不同地域的傳感系統(tǒng)都整合匯聚起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和快速使用，實現(xiàn)應用的高度集成和有序管理，避免重復的系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)互兼容開發(fā)的成本，大幅縮短投入應用的時間。
（二）實現(xiàn)快速、低成本的評估
通過數(shù)據(jù)積累和統(tǒng)計識別，基于內(nèi)置的無模型分析機制，在線監(jiān)測能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)快速形成日、三日、周、月、年的分析評估結論，幫助用戶及時掌握監(jiān)測對象的狀態(tài)、周期性特征和趨勢演變情況，避免了人工檢查、經(jīng)驗判斷的局限性，提升了分析評估在時間上的分辨率，能夠滿足常時監(jiān)測評估的需要，并且無需大量增加專家/專業(yè)機構評估次數(shù)及費用。此外，隨著數(shù)據(jù)積累量的增多，評估結論的準確性會相應提升。以該方式為輔助，原有的強制性結構檢測還可獲得更多有價值的歷史參考數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更精準的檢測評估。
（三）以大數(shù)據(jù)實現(xiàn)效益更高的管養(yǎng)
在線監(jiān)測能夠通過簡明易用的大數(shù)據(jù)分析向用戶展示監(jiān)測對象的狀態(tài)及其結論，幫助用戶發(fā)現(xiàn)管養(yǎng)的關鍵點，并可有助用戶更為量化、精準地指導養(yǎng)護措施，從而減少甚至避免過度養(yǎng)護、盲目養(yǎng)護所帶來的成本，以及養(yǎng)護不足所引發(fā)的額外成本。
基于在線監(jiān)測所提供的監(jiān)測結果分析、多種風險評估、監(jiān)測參數(shù)趨勢圖，用戶可更為精準地定位病害位置及類型，從整體上考慮養(yǎng)護的辦法和優(yōu)先順序；可通過對比養(yǎng)護前后的數(shù)據(jù)變化來核實養(yǎng)護措施的效果及其可持續(xù)性，從而實現(xiàn)管養(yǎng)效益最大化。
文章來自于公眾號：結構安全監(jiān)測
