第39卷第2期土 木 工 程 学 报Vol 139No 12 2006年2月CH I N A C I V I L E NGI N EER I N G JOURNAL Jan 12006大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究李 惠1 周文松1 欧进萍1 杨永顺2(1.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150090;2.山东省交通厅公路局,山东济南250002)摘要:首先分析研究了桥梁健康监测系统的各个子系统的功能、特点、实现方法与硬软件系统,研究了完成桥梁健康监测任务对各个子系统协同工作的要求。
提出了以Lab W indows/Lab V I E W 为桥梁健康监测系统的核心软件,由它“指挥”、调用和驱动各个子系统的运行和数据的交互与通讯;以数据管理子系统的数据库作为桥梁健康监测系统的中心数据库,它不仅存储桥梁结构及其监测数据的全部信息,同时所有的数据交互均通过该数据库完成。
建议采用B r ower/Server 系统模式将桥梁结构健康监测的各子系统相互结合,建立基于网络平台的开放式的实时在线智能健康监测系统。
最后,为一座实际的三塔斜拉桥集成了一套健康监测系统。
关键词:大跨桥梁;健康监测;系统集成;网络平台;智能中图分类号:U44517 U447 文献标识码:A 文章编号:10002131X (2006)022*******A study on system i n tegra ti on techn i que of i n telli gen tm on itor i n g system s for soundness of long 2span br i dgesL i Hui 1 Zhou W ensong 1 O u J inping 1 Yang Yongshun2(1.Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150090,China2.H ighway Bureau of Trans portati on Office,Shandong Pr ovincial,J inan 250002,China )Abstract:This paper analyzed all the subsyste m s in their functi ons,characteristics,i m p le mentati ons,and their hard ware and s oft w are .A study was made on the require ment of concerted app licati on of these subsyste m s for the s oundness monit oring of l ong 2s pan bridges .It was suggested that Lab W indows/Lab V I E W is t o be used as the mainsyste m t o contr ol the running of the subsyste m s and the interchanging of infor mati on a mong the m.The database of a data menage ment syste m is used as the central database,which st ores not only the infor mati on of the bridge structure,but als o the monit oring inf or mati on .It was suggested t o use B r ower/Server syste m t o connect all the subsyste m s,and anopen,real ti m e and online s oundness monit oring syste m based on the net w ork p latfor m can be f or med .Finally,a s oundness monit oring syste m f or a three 2t o wer cable 2stayed bridge was cited as an exa mp le .Keywords:l ong 2s pan bridge;s oundness monit oring syste m;syste m integrati on;net w ork p latf or m;intelligence E 2ma il:lihui@hit 1edu 1cn基金项目:国家自然科学基金(50410133)、国家杰出青年科学基金(50525823)作者简介:李惠,教授收稿日期:2004206225引 言桥梁结构造价昂贵,投资规模大,运行或使用期长,在其长达几十年、甚至上百年的服役期间,环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等不利因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减,从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降,极端情况下可能引发灾难性的突发事故[1]。
健康监测系统可以较全面地把握桥梁结构建造与服役全过程的受力与损伤演化规律,是保障大型桥梁的建造和服役安全的有效手段之一。
结构健康监测系统研究已经成为航空航天、国防、复合材料、土木工程等领域的热点研究方向。
各国均在新建的和已服役的重要工程结构上增设健康监测系统[2-3]。
美国20世纪80年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器,监测环境荷载、结构振动和局部应力状态,用以验证设计假定、监视施工质量和实时评定服役安全状态。
例如,佛罗里达州的Sunshine Sky way B ridge 桥上安装了500多个传感器。
美国仅1995年,就投资1144亿美元,在90座大坝上配备了安全监测设备。
香港青马大桥安装了500个加速度传感器、粘贴了大量的应变片并安装了一套GPS系统,用以长期监测桥梁服役安全性。
原中海石油渤海公司为了确保海洋平台的服役安全,对海冰条件和平台状态进行了长达10余年的监测,在此基础上,欧进萍等初步实现了渤海JZ20-2MUQ平台结构的实时监测与安全评定,并进一步研究了远程网络监测的技术[4-5]。
大型桥梁结构健康监测系统与传统检测方法的差别在于系统的实时性、自动化、集成化和网络化。
健康监测系统包括传感器子系统,数据采集与处理及传输子系统,损伤识别、模型修正、安全评定、可靠度预测和安全预警子系统,数据管理子系统。
上述各子系统分别在不同的硬件上和软件环境下运行,分别承担健康监测系统的不同功能,它们之间协同工作,完成和实现健康监测系统对重大工程结构健康与安全的诊断与预警功能。
健康监测系统的集成技术就是在一个公共的环境下,对各个子系统进行统一的控制和管理,使不同功能的子系统在物理上、逻辑上、功能上进行联动和协同工作,实现数据信息、资源和任务共享。
系统的集成程度决定了健康监测系统的智能化程度。
目前健康监测系统研究的热点课题主要为智能传感器和损伤识别方法,在桥梁上已经安装的监测系统以离线监测系统居多,即监测系统主要由传感器和数据采集子系统组成,通过传感器和数据采集子系统采集桥梁结构的荷载和反应,然后离线进行桥梁的损伤识别、模型修正和安全评定以及数据存储。
而实时在线的健康监测系统目前应用较少。
本文对在线桥梁结构健康监测系统的组成、结构和功能等进行了深入分析,进一步分析了桥梁健康监测系统的各个子系统的功能、特点、实现方法与硬软件系统,研究了完成桥梁健康监测任务对各个子系统协同工作的要求;提出了以Lab W indows/Lab V I E W为桥梁健康监测系统的核心软件,由它“指挥”、调用和驱动各个子系统的运行和数据的交互与通讯;以数据管理子系统的数据库作为桥梁健康监测系统的中心数据库,它不仅存储桥梁结构及其监测数据的全部信息,同时所有的数据交互均通过该数据库完成;建议采用B r ower/Server系统模式将桥梁结构健康监测的各子系统相互结合,建立基于网络平台的开放式的实时在线智能健康监测系统;此外,桥梁结构健康监测系统的运行会积累大量的数据,本文对如何有效地分析健康监测系统获得的海量数据,揭示桥梁结构的作用、响应与性能,进行了分析。
最后,在已经布设的传感器子系统、已经开发的数据采集子系统、已经编制的损伤识别与模型修正及安全评定软件[6]的基础上,为山东滨州黄河公路大桥(三塔斜拉桥)集成了一套健康监测系统。
1 系统集成方案分析111 桥梁结构智能健康监测系统及其功能分析桥梁健康监测系统包括智能传感器子系统,数据采集与处理及传输子系统,损伤识别与模型修正和安全评定子系统,数据管理子系统。
其中传感器子系统为硬件系统,功能为感知桥梁结构的荷载和效应信息,并以电、光、声、热等物理量形式输出,该子系统是健康监测系统最前端和最基础的子系统。
数据采集与处理及传输子系统包括硬件和软件两部分,硬件系统包括数据传输电缆/光缆、数模转换(A/D)卡等;软件系统将数字信号以一定方式存储在计算机中。
数据采集通用软件平台有VC++、Lab W indows或LabV I E W等。
采集的数据经预处理后存储在数据管理子系统中,数据采集子系统是联系传感器子系统与数据管理子系统的桥梁。
损伤识别、模型修正和安全评定子系统由损伤识别软件、模型修正软件和结构安全评定软件组成。
在该系统中,一般首先运行损伤识别软件,一旦识别桥梁发生损伤,即运行模型修正软件和安全评定软件。
损伤识别软件通常由计算分析软件平台开发,如MAT LAB等;模型修正和安全评定软件一般是结构分析软件,如ANSYS和桥梁结构分析设计专门软件等。
损伤识别是在桥梁结构反应信息基础上进行的,桥梁结构反应信息由数据采集子系统采集后存储在数据管理子系统中,因此,损伤识别软件运行时,首先能够从数据管理子系统中自动读取桥梁反应信息数据。
桥梁损伤识别和模型修正以及安全评定的结果将作为桥梁历史档案数据存储在数据管理子系统中,因此,损伤识别和模型修正以及安全评定的结果将能够自动存入数据管理子系统中。
数据管理子系统核心为数据库系统,数据库管理桥梁建造信息、几何信息、监测信息和分析结果等全部数据,它是桥梁健康监测系统的核心,承担着健康监测系统的数据管理功能。
健康监测系统各子系统之间的关系和流程如图1所示。
・74・第39卷 第2期 李 惠等・大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究图1 健康监测系统各子系统之间的关系与流程F i g11 R e l a ti o n sh i p be t w ee n the sub sys tem s o f a struc tu ra l he a lth m o n it o ri ng sys tem112 健康监测系统集成方案分析从上述分析中可以看出,桥梁健康监测系统由多个子系统组成,每个子系统承担着不同的功能,由不同的硬件和软件实现。