大型桥梁智能健康监测系统集成技术研究

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。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。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 Skyway Bridge桥上安装了500多个传感器。

美国仅1995年，就投资1.44亿美元，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，欧进萍等人初步实现了渤海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。

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。

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LabWindows/LabVIEW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式通讯；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Brower/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。

（一）系统集成方案分析

1.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++、LabWindows或LabVIEW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MATLAB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。

2.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。健康监测系统的集成是指将系统内不同功能的子系统在物理上、逻辑上、功能上连接在一起，以实现信息综合和资源共享，提高系统维护和管理的自动化水平及协调运行能力。系统集成的原则：模块化、开放性、可扩充性、可靠性、容错性和易操作性。系统集成的目标：①对系统中的各子系统进行统一控制和管理，并提供用户界面，使系统在用户界面上方便地进行操作；②采用开放的数据结构，共享信息资源。系统集成提供一个开放的平台，建立统一的数据库，使各子系统可以自由选择所需数据，充分发挥各子系统的功能，提高系统的运行效率。

由于健康监测系统的集成主要是通过软件系统实现健康监测系统软硬件的接口，因此，系统集成的问题即具体为在某一通用软件平台上的各功能软硬件之间的接口和调用问题，这一通用软件平台称为系统集成的“核心软件”。此外，健康监测系统的监测信息与分析结果均需要存入数据管理子系统的数据库中，所有子系统均从数据库中读取和调用数据，因此，将数据库称为健康监测系统的“数据中心”。

其次，由于健康监测系统是多用户的，无论是现场的技术人员，还是桥梁维护的管理者和决策者，都需要时刻了解桥梁各方面状况，因此系统必须设置客户端以满足这方面的功能需要，所以系统集成涉及另外一个重要的问题就是系统的体系结构（即系统模式）的选择。通常系统模式有以下几种：①主机/终端模式；②C/S模式，即Client/Server模式；③B/S模式，即Brower/Server模式。

上述三种模式中，前两种由于资源浪费、仅限于局域网使用、系统管理和维护任务重等原因不适合用于健康监测系统。而B/S模式是基于因特网技术发展起来的一种新的应用模式，客户机可以通过局域网或因特网得到所需内容，将系统的用户接口界面从局域网延伸到因特网。系统管理维护时，不必更新所有的客户端软件，只需修改服务器端软件就可以进行系统的升级。综上所述，桥梁结构智能健康监测系统集成模式应选择基于网络平台的B/S模式。

（二）系统集成方案的软件实现(www.xing528.com)

1.中心数据库方案

桥梁健康监测系统的特点：监测信息连续变化、数据显示与安全评定的实时性要求高、数据量大，并且要求所有传感器的历史数据都完整保存以供相关人员离线分析。因此，整个系统中心数据库应由高性能的数据库系统构成，记录并管理桥梁结构服役状态的监测数据和历史档案。

中心数据库承担着记录和管理桥梁结构全系统信息和全寿命过程数据的作用，是桥梁健康监测系统的核心。它需要满足如下的功能：①能有组织地、动态地存储大量关联数据，并供多个用户访问，实现数据的充分共享、交叉访问以及与应用程序的高度独立性，起到将现场采集网络与上层管理信息系统网络连接的作用；②快速存储动态变化的实时数据，数据库中的所有实时数据都要随监测对象的状态变化而不断刷新，它作为整个监测系统的核心部分必须在线运行，而且使数据与分析结果能够实时显示；③实现各功能模块之间的数据传递、数据交换和数据共享；④中心数据库需要与因特网结合，使远程用户可以通过浏览器对数据库中的数据进行查询和浏览。

桥梁结构健康监测系统的中心数据库一般包括以下子数据库：①桥梁结构信息数据库，主要存储桥梁结构的设计资料，如桥梁结构的CAD设计图纸等；②结构外部荷载数据库，主要记录风荷载、温度荷载、湿度、车辆荷载等的时程信息；③结构局部性态变量与整体形态变量数据库，主要记录梁、索、塔的应变、加速度、位移等信息；④结构模型数据库，主要存储基于成桥试验的健康分析模型和基于模型修正的损伤桥梁结构分析模型；⑤传感器信息数据库，主要记录传感器在桥梁结构上的安装位置信息、传感器性能指标信息及传感器与结构构件之间的对应关系；⑥结构动力性能数据库，主要记录结构振型、频率、阻尼等动力学参数的健康值、理论计算值和损伤值等；⑦结构安全评定分析结果数据库，主要记录实时在线及离线的各种安全评定结果，以及专家评价结果等信息，该数据库一般可以与桥梁养护管理系统数据库进行接口和数据共享，目前，将桥梁结构的施工监控、成桥试验、健康安全监测与养护管理系统集成为桥梁建设与管理综合安全系统是桥梁安全监测的趋势，因此，在中心数据库中，本书还增加了两个子数据库；⑧施工监控数据库，主要记录施工监控过程的全部信息；⑨成桥试验数据库，主要记录成桥试验的加载工况、试验与分析结果等。基于上述分析，并结合计算机科学领域的最新研究成果，大型网络数据库SQL Server 2000或Oracle等可作为桥梁健康监测系统的中心数据库。

2.各子系统及其软件方案

（1）数据采集子系统及其软件。

数据采集子系统连接监测系统的硬件设备和软件系统，数据采集软件最基本的功能是能够实时采集和显示传感器信号，实时存储数据，并对数据采集硬件进行实时设置。由于监测系统实时性的要求，在采集的数据判断为异常数据时，它必须能触发其他模块工作，因此，还要求数据采集软件能够触发调用其他软件模块。

目前，数据采集软件开发平台有多种选择，数据采集软件编程方法已从原来的C语言、Visual Basic和Visual C++向可视图形化编程语言发展。目前美国NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE软件开发平台应用较广泛。其中VEE主要面向仪器控制；而LabVIEW是一种图形化的软件开发环境，与传统编程语言有着相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及具有层次化、模块化的编程特点。NI公司的另一专业数据采集开发平台LabWindows是一个用C语言构建数据采集系统的交互式软件开发环境，可以模块化方式对C语言进行编辑、编译、连接和调试，与LabVIEW相比，开发软件更加灵活，代码执行效率更高，适用于开发更复杂的数据采集系统，但是其开发过程对于非专业人员来讲稍复杂一些。目前，LabWindows/LabVIEW已经成为数据采集、监测、分析等方面的领先开发平台。鉴于LabWindows/LabVIEW的上述特点，其可以作为数据采集软件的开发平台；同时由于其具备核心软件平台的特征，还可以将LabWindows/LabVIEW作为系统的核心软件平台，调用其他子系统的分析软件。

（2）损伤识别、模型修正与结构安全评定子系统。

健康监测的大量数据最终的作用是为桥梁结构的运营和养护服务。对所有数据进行统计分析可得到用于进行桥梁结构分析的荷载和效应信息。荷载数据中，风荷载需长期观测，以期得到桥位处脉动阵风功率谱、不同高度处风荷载的空间相关性等数据，用于桥梁结构动力性能分析；同样，长期的温度和车辆荷载数据统计也可为桥梁结构提供相应的荷载信息。在荷载效应数据中，对加速度传感器测试的数据进行分析，获得该桥结构的多阶模态频率、斜拉索的索力以及结构振动响应；对光纤光栅传感器的测试数据进行分析，获得该桥结构的受力状态；不仅如此，桥梁的应变、加速度、变形等还可以与规范允许值实时比较，而且也可以作为损伤识别、模型修正以及结构安全评定等的必要信息加以应用。

目前已经发展了多种损伤识别方法，如频响函数法、曲率模态法等，均为首先对桥梁结构的振动响应信号进行模态分析，然后得到不同损伤识别方法的损伤指标。损伤识别软件可以采用科学计算软件MATLAB进行开发，损伤识别所需要的数据从数据库中调用，损伤识别的结果将存入中心数据库中。模型修正可分为基于整体形态信号的模型修正和基于局部性态的模型修正，两者所需要的结构整体动力响应结果和结构局部应力应变测试结果可从数据库中获取。通过整体和局部修正后的有限元模型的计算结果与桥梁的实测结果之间的误差最小。模型修正可采用结构分析软件，如ANSYS，配合MATLAB实现。修正的健康模型和损伤模型将存入数据库中。桥梁的安全评定分为正常使用状态安全评定和极限承载力状态安全评定。正常使用极限状态一般以桥梁的变形（与桥梁线形比较）和振动加速度（影响行车与人的舒适度）、桥面应力（与桥面开裂控制应力比较）等作为指标。

极限承载力状态安全评定分为基于构件的安全评定、桥梁整体安全评定和可靠度预测三个方面，基于构件安全评定方法主要是比较监测所得的桥梁应力、变形、加速度、桥梁性能及其衰减速率等指标与桥梁结构设计规范规定的变量允许值的大小，确定构件的安全性；桥梁整体安全评定和结构可靠度预测等需要结构分析软件完成，而结构分析软件可以采用ANSYS或专门桥梁结构分析软件。桥梁结构安全评定与模型修正直接关联，一般不必由核心软件平台LabWindows/LabVIEW调用数据库的结果，但损伤识别和模型修正软件的驱动运行需要LabWindows/LabVIEW指挥完成。采用ANSYS进行桥梁结构有限元模型修正和安全评定的方法：首先将ANSYS标准化命令流分解为模型流、加载流和求解流三部分；在得到损伤单元信息后，可将该单元的ANSYS模型重新定义，并写入健康模型流中，使得健康模型流被修正为损伤模型流；建立损伤桥梁的有限元模型后，就可以进行桥梁结构的受力分析和安全评定。

（3）软件集成技术。

软件集成主要包括两个方面的内容，一是指各子系统软件之间的接口、调用及合理的触发机制，二是指各软件同数据库之间的接口、通信。正如前述，健康监测系统的核心软件为LabWindows/LabVIEW，其他的软件有计算分析软件MATLAB、结构分析软件（ANSYS或专门的桥梁结构分析软件）和数据库系统软件，所有软件的运行和调用需要通过LabWindows/LabVIEW来完成。其中LabVIEW可以采用三种方法对MATLAB进行调用，一种方法是LabVIEW使用ActiveX技术来调用MATLAB脚本程序；另一种方法是采用MATLAB节点，将MATLAB代码直接输入到LabVIEW中运行；第三种方法是先将MATLAB程序编译为标准的动态链接库（DLL），然后通过LabVIEW提供的调用库函数节点实现动态链接库函数的调用，这种方法效率较高，适合大型的MABLAB分析程序。

另外，LabWindows也可以通过将MATLAB语句转换为C语句或调用DLL的方式调用MATLAB。通过以上两种方法，即可实现现场数据的实时在线分析。调用MATLAB的触发机制可以采用设定阈值进行触发，当某种类型传感器信号值与事先设定的阈值比较后如果前者达到或超越后者为真，即调用MATLAB进行模态和损伤识别分析。LabWindows/LabVIEW可以调用系统中任何路径的可执行文件，采用该种方法即可实现对ANSYS的调用。这种情况下ANSYS的分析方法为采用批处理式分析方法执行命令流文件，并且可将指定单元构件的某项力学指标直接写入文本书件中，供其他程序调用查询或存入数据库中。LabWindows/LabVIEW与数据库之间可采用三种方式通讯，使数据采集软件在动态显示数据的同时，在程序后台实时将数据全部存入系统数据库。