結構健康監測系統在工程上的運用范文

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《徐州工程學院學報》2017年第2期

摘要：結構健康監測系統是國內外土木工程行業的重點關注和討論的問題之一．結構健康監測系統構是一種組成較為復雜的實時監測分析系統，涉及的專業領域較多，如傳感器技術、無線數據傳輸技術、數據分析、數據庫建立、結構分析等．該文主要闡述了健康監測系統研究的背景及意義，介紹了健康監測系統的概念、組成及各部分的作用等，討論了國內幾個建筑上應用健康監測系統的實例，并指出健康監測系統存在的問題及未來的發展趨勢．

關鍵詞：建筑結構；健康監測；監測系統

隨著科學技術的飛速發展，我國各地不斷涌現出各種大型建筑，結構難度也不斷加大．而這些建筑物盡管經過了大量的分析計算和反復論證，但由于真實環境的復雜性、易變性，工程設計也未必能夠全面綜合地考慮各種因素，做到萬無一失．因此，如何保證結構在建設過程中和使用過程中的絕對安全或是在發生安全事故之前能夠給予必要警示就顯得很有必要性．需要注意的是，疲勞效應、腐蝕效應、材料老化、環境荷載變化也考驗著已服役的建筑，尤其是老舊建筑．對那些具有較大人流量、某些特殊的使用功能或是具有某種特殊意義的建筑，一旦發生安全事故，無疑會造成巨大的生命財產損失及不利的社會影響．因此，對存在著一定危險性的建筑結構進行長期的監測并進行全面評價就顯得尤為重要．

1工程安全事故案例與研究背景

建筑的長期使用，以及荷載和環境等因素的影響，建筑結構不可避免地會出現一定程度的疲勞損傷、材料變形、性能劣化．這些損傷看似細微，但在長時間的累積下難免會加速結構的老化，導致建筑承載能力以及耐久度的降低，甚至引發一些重大的結構工程安全事故，如2016年，江西省宜春市豐城電廠一座冷卻塔施工平臺發生突然倒塌事故，造成74人遇難、2人受傷，是近十幾年電力系統傷亡最嚴重的事故之一［1］；2004年5月23日，法國巴黎戴高樂機場2E候機廳頂棚在毫無預知的情況下發生突然性坍塌事故，造成4人死亡、3人受傷，究其原因是建設時安全儲備不足，候機廳的頂棚就一直處于“瀕臨死亡”的非常危險的狀態，抵抗外力的能力一直在減弱。關于結構健康監測系統的研究，何愉舟等［3］提出了基于物聯網大數據的智能建筑健康信息服務管理系統，分析設計了健康信息服務管理的物聯網部署和大數據處理模型，形成了智能建筑健康信息服務管理系統的集成框架；李懷松等［4］針對建筑物的倒塌監測狀況，提出了基于仿真與短信平臺的建筑物健康遠程監測信息系統；歐進萍、李宏男、李惠、周奎、王小波、李鋼等［5－10］等對健康監測系統的基本概念、系統組成及其功能進行了分析，比如傳感器系統、數據采集與處理系統、損傷識別與安全性評定系統，及其工程應用．無疑，利用傳感器和無線傳輸設備進行實時的監測，可以將一些單調、重復的體力勞動或危險系數高的工作交由人工智能處理，那么在節省人力資源、降低發生工程安全事故的可能性的同時，在技術上還能避免因為大量重復操作使技術人員產生疲勞所引起的工作誤差．

2健康監測系統概述

2．1基本概念

健康監測系統，是以結構、巖土以及生命線工程等為監測對象，綜合傳感器技術、通信技術以及計算機科學技術等，由安裝在結構上的傳感器硬件系統以及數據采集與傳輸、數據處理與管理等軟件系統構成．健康監測系統最大的特點就是自動化實時監測，通過對結構的荷載與環境作用以及結構的性能與響應等參數進行測量、收集、處理、分析，并對結構正常使用水平與安全狀態進行評定和預警．它可以提供結構日常養護管理和維修加固的科學依據，明顯提升結構的整體管理水平，及早預防診斷結構的病害，進而可以最大程度地保證結構安全運營和結構使用壽命。

2．2系統結構及構成

基于物聯網技術與云計算技術相結合的健康檢測系統，憑借各種傳感器設備實時監測結構應力應變、位移、撓度、振動速度、加速度等力學參數的變化，以及溫度、濕度、風力、風向、地震等外界環境因素的變化，通過物聯網傳感器設備和結構的代表性部位和主要構件，達到互聯互通，并采用遠程監控與云計算技術，建立全面、安全、有效、科學的智能監控平臺，實時了解結構的安全情況．

2．2．1傳感器系統

傳感器系統主要組成是各種傳感器等硬件．該系統的主要功能是采集結構分析所必須的參數，然后通過電、光、聲、熱等形式輸出．它處于整個健康監測系統的最底層，同時也是整個健康監測系統中最基礎的子系統，可以獲得結構的加速度、應變、應力、溫度、風速等參數．實際布置時可根據監測對象的特點，對所需的監測參數類型進行判定、選擇，并結合監測對象的結構特點，選擇特定的監測方式，進行監測點的合理布置。傳感器對結構參數的采集是通過數據采集軟件來控制的．普通數據采集軟件包括數據采集、數據顯示、存儲備份、采集控制、數據預處理、參數配置等功能模塊．數據采集模塊根據采樣策略，實現自動數據采集．數據顯示模塊可以將實時數據以一種非常直觀的形式進行動態顯示，比如想查看歷史數據，可以將歷史數據以圖表的形式進行回放．存儲備份模塊可以對實時數據進行自動數據存儲，為了防止數據丟失還可以進行自動本地存儲備份．

采集控制模塊的功能是根據監測項目特點，依照存儲策略，合理進行數據采集，如閥值采集、出發采集等．數據預處理模塊的功能是對數據進行濾波去噪，一旦發現異常數據就進行報警等．參數配置模塊支持參數設置，并根據監測需求，進行監測類型、數量的增減、數據的標定值、換算等設定．常見的數據采集軟件具有以下特點：1）C／S結構，基于VisualC＋＋平臺開發，穩定可靠；2）具有多種接口類型，支持常用的串口、PCI、PXI、網口等硬件通訊方式，實用性強；3）數據采集內容豐富，對工程中常用的19種監測內容的數據采集進行軟件集成；4）操作簡介實用，軟件將常用傳感器參數設置等交由用戶自定義，提高了軟件在工程中的通用性；5）多類型化顯示，可對同類傳感器依照傳感器數目，分為1／2／4／9／16格進行顯示；6）數據存儲多元化，包括本地存儲和局域網數據庫存儲，數據庫存儲支持工程中的常用數據庫；7）軟件安全性好，根據功能使用權限的多少，對用戶進行級別劃分，分為高級管理員、普通管理員等兩種，以區別不同用戶對軟件的使用權限，提高了軟件的安全性．

2．2．2數據傳輸系統

數據傳輸系統是將傳感器系統收集的數據傳輸到數據采集軟件里，然后進行后續的數據處理、分析等．傳輸系統有兩個區別很大的分支，一個是無線傳輸系統，另一個是有線傳輸系統．隨著科學技術的日新月異，無線傳輸技術得以快速發展，無線傳輸技術穩定性、精確性等先天劣勢得到了很大的改善．無線傳輸方式相對于有線傳輸方式來講，施工簡單、安裝方便等方面的優勢就更加明顯．目前比較流行的無線傳輸系統是由多通道無線化采集節點、基站、無線通信協議、計算機及采集處理軟件組成的以數據為中心的無線自組織網絡系統．無線傳輸系統性能優越，安裝簡便，可同時采集多種不同類型傳感器數據，其兼容性好，節點與基站的穩定傳輸距離可達1000m以上，能夠實現數據采集、無線傳輸、數據存儲、數據分析處理等多種功能．

2．2．3數據管理、分析及評價系統

數據管理系統主要對由傳感器系統和數據采集及傳輸系統采集、傳輸而來的數據進行分類、匯總、存儲等，同時借助結構分析軟件對結構進行整體分析與評價．結構評價方法需要數學上一些算法，常用的有神經網絡、小波變換法和Hilbert－Huang變換法、動力指紋分析法、遺傳算法、模型修正與系統識別法等．對于一般的健康監測系統，其功能可以分為下面5個模塊：1）數據管理模塊．根據不同類型，先對監測數據進行分層、分類，然后高效存儲，進行統一有效管理．2）用戶界面模塊．結構三維模型展示，監測數據，評定結果，預警信息，顯示系統狀態．3）數據分析模塊．對監測數據進行預處理和全面數據分析．（4）安全評定與預警模塊．實時安全評定與自動化在線預警，特殊事件專項評定，綜合安全預警．5）報告報表模塊．根據數據分析結果、安全評定結果等自動生成月報、季報、年報，提供特殊事件后的專項評定報告報表．結構健康監控系統魯棒性主要體現在以下方面：1）強大的自動數據處理分析能力．能快速地對監測數據進行數據預處理、統計分析、特殊分析等．2）分析全面，評定準確，通用性強．為結構提供專家級別的數據分析與安全評定，滿足各種監測工程的需求．3）實時、多級別、多方式預警．對監測數據和結構狀態進行不同等級的在線預警，并給出建議；預警信息可通過實時監控畫面、Email、短信、廣播等多種方式送達至用戶．4）完善的數據管理，為結構提供“全壽命服役信息檔案”．5）用戶界面友好清晰．交互性強，3D模型展示，畫面內容豐富．6）報告報表可以自行生成，而且內容全面．提供數據分析、安全評定、專項評定等報告報表，給日常的運營維護提供全面有效的參考．7）安全性好．多用戶權限對軟件系統進行管理，為每類用戶分配不同的操作和管理權限．8）穩定易用、平滑易用．基于Window平臺開發，長期運行穩定，方便易用；系統平滑升級，節約用戶軟硬件投資和運營維護成本．

3應用實例健康監測系統

主要是針對建筑物的健康狀況進行監控、分析、評價等，已經廣泛應用于土木工程各個方向，如對于交通工程，可以應用到橋梁、隧道、機場、鐵路、公路、碼頭、軌道交通等；對于建筑物，可以應用到高層建筑、體育場館、博物館、古建筑海洋平臺等；對于水利工程，可以應用到堤壩、水電站、水閘、船閘、渡槽等；對于電力工程，可以應用到輸電線塔、核電站變電站、電力電纜等；對于生命線工程，可以應用到輸油管道、燃氣管網、供水管網城市排水管道等；對于巖土工程，可以應用到邊坡、滑坡、基坑、基礎、地下空間、尾礦庫等；對于特種設備，可以應用到儲油罐、港口起重機、公路鐵路架橋機、造船門機、建筑塔機等．

3．1東營黃河公路大橋健康監測系統

山東東營黃河公路大橋主橋總長為652．8m，每跨的長度分別為116m、200m、220m、200m、116m．結構采用了預應力混凝土剛構－連續組合梁．該橋是國內第一個進行施工監控、荷載試驗及運營健康監測等三位一體全壽命性能監測的橋梁，布設光纖光柵傳感器1800余個，也是目前世界上光纖光柵應用數量最多的橋梁．針對項目的需要，對該橋的幾何線形、結構應變、溫度及環境參數進行了施工監測；荷載試驗內容有靜載試驗、模態試驗及動載試驗三種；運營監測方面，對溫度、結構應力應變、位移及線性、震動加速度、車輛荷載及車輛視頻等進行實施在線監測．該項目于2002年開始進行施工監控，2005年7月進行荷載試驗，8月實施運營健康監測［13］．

3．2湖南吉茶高速公路矮寨大橋健康監測系統

矮寨大橋是一座鋼桁架勁梁單跨懸索橋，主跨長1176m．矮寨大橋監測系統共使用各類傳感器112個，可實時監測矮寨大橋的風速風向、降雨量、溫濕度等環境氣象數據以及伸縮縫位移、鎖夾位移、吊索拉力、橋主梁與橋塔的應力應變、加速度和位移等結構相應數據．2013年系統建成運行［14］．

3．3國家游泳中心健康監測系統

國家游泳中心（水立方）是一個非常具有代表性和標志性的建筑，建筑總面積達到80000m2，長和寬均為177m，高度達到30m．水立方的主體結構由三大部分組成，分別是鋼筋混凝土框架筒體結構、空間鋼結構和ETFE膜充氣枕．水立方鋼膜結構健康監測系統從2004年開始設計，隨后投入使用，其監測對象是水立方的鋼膜結構，對溫度、風荷載、關鍵構件的應力應變、鋼膜結構的振動等進行了施工與運營監測，對國家游泳中心鋼結構工程施工及運營管理進行自動化實時監測［15］．

4結語健康監控系統應用前景

廣闊，發展空間巨大，已經引起了土木工程行業和其他相關行業的極大關注．美國和歐洲定期舉辦國際性的健康監控系統的研討會，一定程度上推動了健康監控系統的發展．結構健康監測系統雖有較大的發展空間，且具有一定量的工程經驗，但還存在著一些問題和需要改進的地方．

1）新型傳感器的發展．傳感器系統作為整個健康監控系統的基礎，其建設直接影響著整個健康監控系統的優良．而傳感器系統中的核心部件就是傳感器，未來研究應著重如何提高傳感器的精確度、穩定性等性能，以增強整個系統的可靠性和穩定性．

2）傳感器的布置．傳感器系統是整個結構健康監測系統的基礎，單個傳感器的精度、穩定性等直接關系到采集數據的質量，進而影響系統的優劣，同時對健康監測系統作用的能否充分發揮有著重要影響．

3）通用的損傷量化指標可對結構的損傷進行量化，便于不同建筑、同一建筑的不同階段的直觀比較．我國相關行業關于健康監控系統的設計與應用仍缺乏標準與規范的支撐．

參考文獻：

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［15］劉迅．基于健康監測的國家游泳中心風荷載和風致響應研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

作者：丁北斗a，崔杰b，陳潔a；彭康佑b；王武斌a 單位：中國礦業大學a．力學與土木工程學院；b．國際學院