203个传感器实现杨浦大桥24小时全天候监测,倾角开关

2017年8月,上海杨浦大桥迎来了建桥以来的第一次大修，大修的目的就是利用最新的施工和监测技术弥补建桥时科技发展水平的不足，以进一步提高大桥的运维能力，确保结构的安全。因此本文主要阐述，如何在零起点的基础上，对既有特大型斜拉桥增设健康监测系统。通过集成结构分析计算、计算机技术、BIM技术、通信技术、网络技术、传感器技术等一系列高新技术，实现24小时全天候的大桥健康监测，以便掌握桥梁结构指标的长期变化趋势、对突发事件进行响应与评价、掌握大桥安全运行的各项要素、对结构安全进行评估与预警、对养护数据进行数字化整合和统一管理等等。

助力结构养护管理

系统完成目标及功能

杨浦大桥大修新增健康监测系统要完成以下的目标：

1.技术先进、性能优良、长期稳定和经济合理；

2.系统能长期、实时、同步、连续地采集数据；

3.系统具有强大的数据传输、处理、显示、存档和远程共享能力；

4.系统具有自检、校准、控制功能；

5.能够根据健康评价系统的指令，为其提供指定格式、内容的数据和处理结果，并调整数据采集与处理工况参数；

6.系统具有良好的可更换性和升级能力；

7.支持BIM技术，使用BIM技术辅助结构安全管理。

杨浦大桥大修新增健康监测系统具有以下功能：

1.报告大桥工作环境和荷载变化；

2.报告大桥主要构件的应力(内力)及变形状况；

3.记录异常荷载事故，例如台风、地震等；

4.报告大桥主要构件是否有损伤或累积破坏；

5.实现异常状态下（包括荷载、工作环境和结构响应）的预警。

杨浦大桥大修新增健康监测系统的本质是为结构养护管理服务，具体作用体现在以下五个方面：

第一，掌握桥梁结构指标的长期变化趋势，对桥梁做到可知可控。收集的结构响应指标包括：主梁跨中位移、塔顶位移、索力、梁端位移斜率、相邻墩台差异沉降、连续梁沉降指标、阵风系数、构件应力幅、疲劳损伤度、承台加速度反应谱、加速度幅值、振动响应峰值频率、结构频率、阻尼比。

图1 塔顶纵向位移指标长期变化趋势

第二，对突发事件进行快速响应与评价，保障结构的安全运行。系统对一些突发事件，如地震、大风、极端温度、霜冻、超荷车辆、危险品泄漏等能作出及时响应，并对突发事件后的结构安全状况进行快速评价。

例如图2的地震突发事件，监测数据推算地震反应谱，并与设计最大反应谱比较, 再将监测数据输入基准有限元模型，进行非线性时程响应分析，得出关键响应指标。

第三，支撑大桥运维管理人员掌握影响大桥安全运行的各项要素。大桥的运维管理人员通过基于BIM的安全运行平台，可以实时监控大桥安全运行的各项要素：结构评分、交通流量、当前通行状况、气象数据、结构所处工况（风险事件类型）、结构关注点等。

第四，结构安全评估与预警。对杨浦大桥进行结构安全、构件安全和运营安全综合评估，设定与安全相关的指标阈值，当桥梁遭遇风险事件或安全性耐久性时，给出预警或报警信息，通过多部门、多终端信息共享，实现联动式协同工作。

第五，数据的整合与统一。对传统纸质的设计资料，以及多个部门的分散养护数据予以数字化整合和统一平台管理。

图2 基于监测数据与基准有限元模型的地震突发事件的评估流程

系统原则

杨浦大桥大修新增健康监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、BIM技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程，为满足杨浦大桥养护管理的需要，系统会遵循如下原则：

1.统一采购、统一实施、统一维护、统一管理；

2.遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；

3.从动力、静力、耐久性方面对结构进行监测，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作；

4.以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅；

5.利用试运行期的监测数据，建立结构的基准模型；

6.系统应具有稳定性、可扩展性，须考虑与上海市已有大桥健康监测系统之间的相应数据综合利用，预留与上海已有的大桥健康监测系统相兼容的数据接口；

7.明确对数据采集系统传感器的标定方案。

图3 杨浦大桥实时监测布点图

健康监测系统构成

系统框架

系统主要由传感器、数据采集及传输设备、数据处理与控制设备三个部分组成——

1.传感器：由布置在桥梁结构上的各类传感器、专用设备和线缆等组成。

2.数据采集与传输设备：本系统又可分为数据采集系统、数据传输系统两部分。其中数据采集系统是由布置在桥梁结构内部或桥面的调理设备、采集设备、采集计算机和传感器电缆网络等组成；数据传输系统由布置在桥梁外场工作站机柜内及监控中心机房内的网络传输设备及网络传输线缆组成。

3.数据处理与控制设备：由布置在监控中心的服务器系统、工作站组成。

图4 系统构架图

传感器模块

传感器模块由传感器及连接到采集设备的信号线缆组成。根据监测项目的特点和需求，传感器设备的选择及布设依照以下原则进行——

可靠性原则：根据监测要求，尽量选用技术成熟、性能先进的传感器，保证系统在施工和使用环境下安全可靠运行，经济实用；

实用性原则：传感器应有很强的实用性，方便安装和使用；

耐久性原则：选用耐久性好、抗干扰性强的传感器和传输线；

可维护、可扩展原则：传感器易于维护和更换；

经济性：在满足要求和实际数据分析的前提下，考虑经济性，选择合适精度的传感器。

强大的技术支持能力：设备生产商/供货商需具备强大的技术支持能力和长期快速维护能力。

传感器模块主要包括：机械式风向风速仪器；温湿度传感器；光纤光栅应变传感器；光纤光栅温度传感器；加速度传感器；索力传感器；光纤光栅位移传感器；GPS传感器；地震仪；光纤光栅裂缝传感器。

数据采集与传输设备模块

数据采集与传输设备由外场工作站内的数据采集设备、数据传输网络组成。

数据采集与传输模块完成传感器数据的采集、信号调理与数据传输。各种不同类型的传感器采用不同的信号调理模块，数据采集模块完成对调理后的传感器信号的处理与转换，最终形成统一的数字信号；数据传输模块将经过采集模块获得的传感器监测参数的数字信号调制成为可供远程传输的信号，并完成信号的远程传输及解调的任务。数据采集与传输子系统同时也应作为向传感器发送采集指令的载体与通道。

数据采集与传输模块设计的主要依据是：传感器输出信号类型，信号电缆的类型和长度，采样频率以及测试精度。

从需求分析可以看出，杨浦大桥大修新增健康监测涉及的传感器种类多，输出信号类型多。必须根据不同的传感器种类、精度、采样频率的要求，采用不同的传输方案，并将采集系统集成为一个大系统。

数据处理与控制模块

数据处理与控制依靠部署在监控中心机房的服务器系统，包括数据处理与控制服务器、BIM数据库服务器、结构安全评估服务器、BIM应用数据库、GPS服务器（应用服务器）构成。

数据处理与控制服务器

此部分服务器的主要功能为接收底层工作站传输的数据，并做简单的数据处理，对它的要求主要体现在对数据并发性接收的相应能力。本系统内满负荷运转的数据量最大值估算为73 M/小时。故在此配备一台高性能LINUX/UNIX服务器。

结构安全评估服务器

此服务器主要功能是进行数据的在线分析处理，对实时数据和历史数据进行二次处理、数据融合处理，进行在线评估与预警，接收应用服务器的请求，并将各项处理结果返回。该服务器运行的是整个大桥结构监测信息管理系统的核心功能，需要处理大量的数据。故在此配备一台高性能LINUX/UNIX服务器。

BIM数据库服务器

整个监测系统运行会产生大量的数据，其中大部分数据在经过预处理后都将输入数据库系统，可以为以后的查询、运算、统计打好基础，故在此配备一台高性能LINUX/UNIX服务器。

BIM应用服务器

对三维模型的存储与管理，需要高配置的服务器。

GPS服务器（应用服务器）

此服务器主要功能是用于GPS系统数据的接收、分析与处理，作为GPS系统的专用服务器。

自动化数据监测模块

自动化数据监测模块通过传感器、数据采集、数据传输设备，实时采集杨浦大桥的结构响应及环境特征数据，并利用数据处理和控制设备对采集到的数据做进一步处理分析。该子系统主要由数据采集与传输模块、数据接收与控制模块两个部分组成——

1．数据采集与传输模块：通过自编软件实现数据采样、数据存储、数据前处理、同步、数据传输、参数配置、采样控制、系统自检等功能。

对所有传感器信号按照相应的采集制度和采样频率进行实时数据采集和预处理。

连续传输来自传感器系统、工作站、数据处理和控制系统服务器、数据评估服务器之间的实时监测数据、状态和警告信息。

2.数据接收与控制模块：由布置在监控中心的服务器系统组成，实时接收并处理数据采集及传输模块采集的数据、人工录入数据和其他系统数据，并对原始数据进行处理和在线评估，实现对原始数据和处理后数据的实时在线显示。

通过整合以上两个模块，最终实现数据的采集、存储、传输、自检、转发等功能。

安全分析评估预警模块

该模块应包括结构数据处理、结构安全评估、综合监控与预警、报告管理、应急事件处置。结构数据处理：根据桥梁运营管理和结构安全评估的需求，对初步处理后的数据深入分析，同时为日常的运营管理提供直接的帮助和判断指引。结构安全评估：通过该模块对传感器监测、人工检测得到的各类定量、定性的数据进行统一的数据处理分析，然后按照一定的评估模型，得到桥梁结构安全状态的评估报告，据此给出桥梁结构的管养建议。具体包括三个层次：结构数据处理、结构安全评估、报告管理。综合监控与预警：通过该模块集成大桥运行期间综合监控数据和报警信息，并基于BIM模型快速查询报警设备的空间位置、技术参数，以及其所属设备系统的相应信息，辅助分析事故发生的原因，同时提示排除故障的方案，启动基于BIM技术的应急管理流程提示。应急事件处置：通过该模块能结合BIM技术，编制各类应急预案相关的处置专案，用于应急预案处置培训及辅助预警启动应急预案后的事件管理，促进大桥安全运行。

1.预警管理

杨浦大桥结构健康监测系统预警分两个级别：系统报警（即设备的故障报警）和通道报警。

①系统/设备报警是对设备状况的监测报警，由系统自检程序完成。当设备出现故障时，通过制定响应预案，运营工程师可以对设备故障进行及时排除，保证数据采集的连续性。

②通道报警是通过设定反映结构关键指标的逻辑组，将若干个通道数据进行组合，并与预设的阈限值比较，以判断该类指标危险与否，从而推送预警信息。每个通道报警区分三类运营状态：安全状态、临界状态和异常状态。分别对应阈值以内（绿色）、阈限值之间（黄色）和超出限值（红色）。

各指标的预警参数（阈限值）由设计院、业主、科研单位、实施单位共同确定，在本系统设计中，将根据《城市桥梁养护技术规范》及大桥结构状况，以及相应的有限元模型分析结果，给出参与通道预警的阈限值推荐值。该阈限值将在后续的系统运维过程中，每年定期进行阈限值的优化与调整。

警报类型在首页总体信息框和BIM模型中实时自动显示预警信息，用户点击预警信息后可查看相关报警详情，如报警通道的时程曲线。

2.专项分析

对结构安全及运营安全做专项分析（整合BIM模型或二维示意图做专项展示），同时为管理人员提供专项决策支持。

杨浦大桥健康监测系统可以提供包括风专项、差异沉降专项在内的多种专项分析。

图5 风专项分析

图6 差异沉降专项分析

BIM模型管理模块

该模块含有BIM模型存储与BIM模型管理、BIM建模实施、BIM施工模拟相关功能。

本模块用于关联和维护BIM模型相关的分类、位置、名称、编码、厂家技术资料、质量保证资料等数据和文档。这些信息包括了大桥历史养护的记录,本次大修新设备的养护要求、图纸,以及所有设施设备的编码、名称、技术参数等。

BIM模型管理

BIM系统是基于三维模型的综合管理系统，三维模型是其基本载体。通过三维模型，可实现工程图纸、构件和设备信息、运维动态信息的查询，以及运维安全状态的直观展示。鉴于杨浦大桥东西侧各有较长的引桥部分，杨浦大桥的模型场景包括：主桥主体结构、西引桥主体结构、东引桥主体结构、附属设施、交通工程、照明、供配电、排水、健康监测、周边环境、监控中心、社会管线共12个场景。

BIM建模实施

建模深度方面，总体上要满足LOD500（运维模型）的深度，主要的设施设备、管道模型都需具备，并需关联相关数据、文档、图纸等，如构件名称、结构尺寸、材料信息、历史维护、更换信息、构件图纸、基础沉降历史数据。

模型需带材质贴图，并可通过Web端查看模型外观、附加属性、材质等情况，并在必要时，对模型进行优化处理，以满足信息的有效传递和基本的体验要求。

BIM模型施工模拟

根据项目施工图模型，对关键工艺施工模拟工作，辅助对关键工艺的施工准备工作和方案决策，暂定实现三项关键工艺模拟，提供模拟动画的视频文件，可以在系统中实现视频文件的集中管理和访问。施工模拟工作按现场施工进度同步开展。

现在新建成的特大型桥梁基本都已经配备了符合各自结构特点的健康监测系统，像杨浦大桥这类早期建成的特大型桥梁，局限于当时的科技发展水平，并没有这么幸运。这些桥梁数量繁多，而且都已经通车运行了相当一段时间，并且还要继续运行很长一段时间。如果可以通过现代化的科技水平，弥补建成时的不足，不论对管还是养，都是有很大裨益的。

此次杨浦大桥通过大修这一契机，实现了一座建成于90年代的特大型斜拉桥与时下最先进的桥梁健康监测系统的有机结合，不仅是对当初桥梁建设者们的一种致敬，更是为大桥安全运行的百年大计添砖加瓦。