摘要：随着我国科学技术不断发展，当今网络监控技术在路桥领域中的应用愈加广泛。由于桥梁工程量大、结构复杂、承载系数高，因此如何实现桥梁健康状态网络化监测系统已经成为了行业重点关注的内容。基于此，本文结合网络技术，采用传感器、控制软件、系统硬件构成桥梁健康状态远程自动检测系统，可以第一时间发现桥梁工程的危险因素，旨在保障桥梁工程在实际应用中的安全。
关键词：网络化远程监测系统；桥梁工程；设计；软件
引言
在城市建设水平不断提高的背景下，桥梁工程数量也在不断增多。桥梁工程在长期使用当中，由于受到了外部、内部因素以及人为因素的影响，会导致桥梁工程结构会发生自然老化、损伤累积等问题，严重会造成安全事故，负面影响极大。因此对于桥梁运行状态进行全面监测，能够有效避免出现灾害问题，第一时间弥补桥梁工程缺陷。网络技术的出现了带动了远程监控技术的发展，针对桥梁健康状态监测工作来说，通过采用新型监测技术可以更好的掌握桥梁结构状态和性能变化，可以有效满足桥梁健康状态监测要求。
1、桥梁健康状态监测现状
现如今，大部桥梁工程在健康状态评价当中依然采用人工测量和实验室方法结合的措施。该种方法是一种非在线、离线的监测手段，所以无法第一时间发现桥梁工程现存的问题，在实际检验中存在着一定滞后性问题，特别是对于桥梁工程的内部缺陷、突发问题，无法及时做出反应，因此提高了安全事故的发生几率。再者，桥梁工程多数都是建立在交通要道地区，通常距离监控室距离较远，所以为了能够确保整体结构的安全性，除了要严格控制工程建设质量，还需要对工程进行远程监测、实时监测、自动监测。这就提高了对网络自动监测系统的需求，加强网络监测系统开发与建设有着重要意义。
2、桥梁健康状态网络化监测中的重要性
在桥梁建设与使用当中，会受到多种因素影响，如气候条件、物质侵蚀、车辆荷载、自然灾害、人为破坏等，再加上桥梁工程结构材料自身性能老化，会导致桥梁工程出现不同程度的损伤问题，不仅会缩短桥梁工程的使用寿命，还会给行车安全带来威胁。整体上桥梁工程具有投资大、规模大、服役时间长的特性，任何质量缺陷都有可能造成十分严重的后果，从而造成极大的经济损失以及人员伤亡。上世纪90年代某大桥在投入使用中，由于受到当时技术上的限制，在长期服役之后出现了各类缺陷。虽然管理单位对桥梁工程进行了维修维护，但是并未在根本上保持桥梁整体的耐久性、稳定性。随着车辆荷载增加，大桥中间出现了断裂问题，从而造成了十分严重交通事故。
为了最大程度上降低桥梁安全事故发生，要保证桥梁工程结构监测的精准性与实时性，避免隐患缺陷不断扩大，影响桥梁工程的整体质量。人工监测都是采用便携式仪器方法， 虽然在一定程度上可以找出结构中的安全隐患，但是受到人为操作不稳定的因素影响，检测精度往往有待提高，很多隐藏故障无法被发现，耽误了最佳维修时期。桥梁网络自动监测系统借用了自动化监测技术实现桥梁结构的实时监测，并且不会受到人为因素影响，监测结果更加可靠、精准性更高，为桥梁运维工作提供了十分有效、可靠的信息数据。
3、桥梁工程结构特点对网络自动监测系统的要求
3.1多传感器测量要求
由于桥梁占据的空间尺寸巨大、约束点多、结构变形复杂，并且作为一种大型的超静定结构，所以结构状态主要是决定于各个桥梁关键部位的性能参数。这就需要对桥梁工程进行全面监测，实时得到桥梁工程健康状态的参数，这就需要在不同关键部位安装多个传感器，得到多参数、多点信息，综合反映桥梁整体的健康状态。
所以桥梁网络远程监控系统要能够连接、处理多个不同类型的传感器，从而实现监测目的。并且各个传感器之间可能有非常远的空间距离，所以还需要具备远距离信号传输的能力。
3.1自动测量和预处理要求
为了能够满足长期、实时在线监测要求，需要网络自动监测系统具备智能化处理功能，这样即可根据系统实际情况预定周期控制各类参数，传感器通过自动采集相关数据，并进行统一预处理、存储、判定等。为了能够保障传感器的使用寿命，还需要系统能够在监测数据中自动关闭电源，让系统处于休眠状态。为了满足桥梁工程实际使用环境，系统还需要具备长期野外工作能力，并且不得有人为干预。如果桥梁某个性能参数状态超出了运行阈值，则系统能够通过无线通讯技术向控制终端报警，第一时间转告管理人员桥梁出现了问题。
3.3远程传输功能
为了方便管理人员第一时间看到桥梁工程实际运行参数，要求自动测量系统可以快速传递检测信息，也就是在数据采集、处理、转化完成之后，将信息传输到中央控制终端中（监控室），实时展开桥梁工程健康状态诊断。考虑到监控室和工程本身的距离问题，因此传输方式要以远程传输、不受距离限制传输为主，这就需要采用无线通讯技术。远程传输作为远程监测系统的重要组成部分，要在工作人员需要时，随时获得桥梁各类健康信息或报警信号，必要时还要对信号、数据进行后续处理。为了提高系统操作的灵活性，需要制定良好的人机界面，采用图形的方法监测桥梁重要变化趋势，并带有功能、系统扩展的发展空间。
4、网络化远程桥梁健康状态监测系统设计
4.1监测系统框架结构
桥梁远程监控系统功能框架如图1。
图2 系统总体框图
为了能够实现桥梁健康状态远程自动化监控功能，整个体系必须要具备完善的功能。大体上整体系统框架是由微处理器、嵌入式操作系统组成，并且可以提供远程web服务。通过对现场传感器进行设置即可实时搜集桥梁信息，并将这些信息传递到控制中心当中。由于是基于互联网远程监控系统，需要要确保通讯功能的可靠性、实时性，在经过了综合考虑之后，软件系统可以选择嵌入式实时操作系统，并对各类任务进行科学调度。
桥梁各个重要结构部位要安装多个不同类型传感器，并且这些不同类型多个传感器分布在桥梁整体结构网络当中，复杂采集桥梁结构性能、荷载变化等信息。数据采集需要采用分布式系统，并由另一个桥梁空间跨度较大的接收器互通，二者之间的距离通常为几百米，甚至是上千米，这就需要系统具备较强的数据采集、传输能力。系统采用前后台形式开发数据、存储数据，这样可以方便于数据的维护与存储，提高数据资源的再利用率，能够和其他软件接口。根据传输距离采用RS-232串口、USB通用串行线、普通并口、RS-485或CAN总线方法解决各个板块之间的数据传输问题。系统整体框如图2。
远程传输能够将传感器模块信息传输到监控中心进行处理和分析，这样即可实现数据接受和指令发出的双向传输。由于绝大部分桥梁都会配有紧急电话。所以可以利用电信网络PSTN实现数据的远程传输，并且使用方便、价格低廉、快捷、无需维护、对环境要求低。可以子啊PSTN覆盖区域展开数据传输功能，传输距离不受空间限制，非常容易实现internet升级。
主机主要是采用传输接口命令与测量数据之间的双向传输，控制模块执行上位机下达的命令，并存储所测量的参数数据。用户可以结合实际需求查询桥梁运行参数数据，并在电脑上打印。再者，只需要在后端配备健康评价系统即可实时对桥梁健康状态进行监测和评价。
4.2硬件系统集成与连接方式
在硬件系统设计当中，需要重点考虑测量对象、数据源、关键组件，以此为中心对各个功能、结构性能进行深度分析，从而得到最优方案。
（1）核心模块
通过技术对比发现，本系统核心模块采用了C8051F单片机，与之配套的有时钟芯片、静态存储器、数据存储器、以外网控制芯片以及相关接口。如图3.
图3 远程监测系统硬件集成结构
（2）监测网络
监测网络采用了电信双层通信系统，其中，一层设置在桥梁工程监测现场，另一层设置在远程监控中心，通信网络分别连接现场监测设备与控制终端设备。为了提高开发的便利性，监测网络采用RS-485总线接口开发。这是因为RS-485结构简单、兼容性强、扩展性强等特点，并且可以实现系统集成，综合效益非常好。
（3）外围设备
外围现场装置总共有两种类型，其中，一种类型是全天工作型；另一种是控制型。其中，全天工作型主要包含了核心控制器、光纤收发器；控制型包括各类传感器、数据信息采集模块等。通过空间元件即可实现监测设备的控制，这样可以降低能耗、提高监测设备使用年限。需要注意一点，传感器输出电压信号可能会受到外部因素的干扰，因此想要实现远程传输就要采用模块→传感器信号的A/D转换，之后再传输到核心模块当中。此外，受到自然因素的影响，桥梁工程上的监测设备可能会受到雷电浪涌的侵入，从而导致设备遭受损害。这就需要在硬件设置中增加防雷接地装置。
4.3软件系统
图4 软件监测流程
想要实现整个监测系统框架的整体功能，需要提供软件控制层面上的保障。基于此，需要开发一套可以实现远程监测的控制系统，整个系统主要包括现场软件系统、数据传输系统、远端应用软件系统组成。其中，传输系统要分别连接智能模块和PC终端上，所以可以划分为现场测量软件系统和远端自动监测应用软件系统。此系统采用了前后台形式开发，数据存储采用了数据库形式存放形式，可以方便与其他接口连接。远程监测软件系统采用了paradox7.0数据库，应用软件开发工具为，Borland Delphi5.0、MS Visual C++5.0，运行环境为Windows9.X或Windows2013。
软件监测流程如图4。智能模块在初始化之后会判断主机是否发出了相关指令，如果接收到了终端指令会完成相关动作，如控制特定位置传感器采集桥梁信息，并将最终数据信息传输到收发模块中，也可以设定系统的控制参数等。在预定采集周期下，智能模块会直接控制开关电路，采集工程运行信息并将数据存储，根据预先设定的系统参数判定是否有异常情况，如果出现了异常会自动发出警报。
图5为远端主机应用软件系统结构图，可以在不同主机上显示历史数据、存储、打印、通讯等多个功能。通讯系统主要是负责传递主机命令，例如让智能模块采集挠度信号等，并传输到智能模块中等待智能模块反馈信息。在接受完数据之后就会显示信息或直接存储。存储系统是将回传的数据按照存储标准进行存放、显示、查询。历史数据主要是将历史采集数据以柱状图、比例图等方式显示，帮助管理人员更好的掌握桥梁建筑工程结构参数的变化趋势。打印系统可以将各类信息打印到纸上，方便后续运维工作实施。
图5 远端主机应用软件系统结构
在监控系统进入到了正常运行状态后，要先完成硬件初始化，之后自行创建人物，将GPU控制权交给内核，之后系统即可进行多任务运行。此系统通过以太网、电信通讯技术作为出发点、以监测桥梁运行状态为目的，所以在系统当中，监控任务是最高优先级，要求先进入到运行状态中。在监测任务初始化后，时钟此时会自动开启，同时也要检查上位机是否发出了任务，如果没有指令则系统会自动进入到挂起状态，呈现为待机状态。在系统正常运行当中，时钟节拍会按照预定时间发出中断，如果累积时间得到了设定标准数据时，即可开启定时采集功能，让监控任务转化为运行任务。如果时钟任务和采集任务同时处于就绪状态，则因为采集数据是优先级任务，所以率先运行。设置有限运行可以避免因为软件系统同时运行出现异常问题，如果此时“看门狗”复位可能造成信息丢失问题，而设置优先级即可确保任务有序进行，保证整个系统的安全性。
4.4应用实例
为了验证远程监测系统的有效性、功能性，某桥梁工程进行了两年多的改进，经历了一年四季，从-10℃~30℃环境变化考验中获取了大量数据。此系统安装在第一个桥墩上，传感器主要监测工程应变、振动、挠度，传感器总量为18个，之间最远的距离为125m。结合智能模块的设定条件，控制传感器在指定期间内采取数据，并对数据进行处理、传输、存储。还可以结合计算机主机命令传递相关数据并指定动作。在实际应用当中，主要是记录并回传了桥梁挠度、应变等数据，采集周期为1次/h。应变、挠度、位移显示形态如图6。
图6 由上到下分别为应变、挠度、位移显示形态
由此可见，该远程监测系统不仅能够实现定时、自动控制传感器采集桥梁信息，还能够通过无线通讯技术将数据信息传输到显示终端上。还可以结合计算机指令采取数据、传递数据，实现桥梁工程结构性能的远程、实时、自动、定点测量等功能。
结束语
综上所述，通过开发设计桥梁健康状态远程自动化监测系统，能够让桥梁管理单位在控制室即可掌握桥梁工程整体性能情况。由于是通过远程、自动、实时监测，因此可以极大的提高桥梁工程安全性，保证工程管理效率和质量，同时还降低了管理成本。本文所提出的网络化远程监测系统可以定时采集桥梁各个部位的性能信息，并且监控室可以时刻得到数据图表和走向图，通过自动报警还可以实现无人值守，综合效益非常强。如果将系统进一步完善，应用更加先进的传感、通讯技术，该系统还可以应用在更大的桥梁工程中，甚至是跨海大桥和海底隧道等工程，发展空间非常广阔。
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作者简介
刘其军，男，广东广州，民族：汉。职称：高级学历：研究生。研究方向：工程信息化。
论文作者:刘其军,汪操根,蔡文举
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/27
标签：桥梁论文; 桥梁工程论文; 系统论文; 数据论文; 传感器论文; 状态论文; 监测系统论文; 《基层建设》2018年第35期论文;