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摘要：目前国内外对桥梁健康监测技术的研究主要集中在大型桥梁，实际上由于中、小跨径桥梁的巨大基数，大部分的桥梁事故都发生中、小跨径桥梁，本文以中小跨径桥梁为研究对象，针对基于互联网的安全在线运营监测系统方案进行阐述，对今后此类中小跨径桥梁的健康监测系统研发工作具有较大的参考价值。
关键词：中小跨径桥梁；简支梁；健康监测；性能评估
1、引言
近年来，随着计算机技术以及通讯技术的飞速发展，新型传感技术不断被开发并得到应用，桥梁健康监测所需的大部分结构信息可以被较为准确、方便的获得。美国、欧洲以及日本等一些发达国家在上个世纪中期就开始了对桥梁的健康监测技术的研究，但早期的研究由于传统的测试技术的限制，并不能实现实时、持久的桥梁结构健康监测。到上个世纪八十年代中后期，随着桥梁检测手段和监测技术的渐改进，研究者逐渐改变了对桥梁安全性以及耐久性的观念，许多国家在一些大型桥梁和造型新颖独特的的桥梁上安装了健康监测系统。
我国桥梁健康监测工作起步相对较晚，始于上世纪九十年代末，但对于这样一个具有巨大社会、经济效益的研究领域，我国的政府部门、科研机构以及专家学者对其都非常重视，从起步到现在，已经做了大量的理论与实践工作。据不完全统计，近些年来国内己安装或正在安装健康监测系统的桥梁多达100多座。然而目前的桥梁安全运营监测系统主要是针对大型桥梁、投资规模大且安装运营成本高，并不利于中小型桥梁的安全运营监测。其次，中小型桥梁健康监测系统的设计缺乏整体性、规范性的指导原则，还没有建立科学、统一的设计标准，并缺乏针对性的设计概念。接着，传感器的优化布置还有待于进一步研发，并且当前系统主要以数据采集为主，并未将数据分析结合为一体。
2、桥梁监测系统方案技术路线
桥梁安全运营监测系统的最终目的是获得结构的响应、局部异常等信息，为结构高质量的安全、高效、经济运营决策等提供成套技术支持。为实现上述目的，本文以大型互联网IT系统架构为原型参考，以分布式为核心设计理念，设计从采集端到云端的整体系统架构。
在采集端，设计标准化采集协议，与多类型硬件设备进行数据对接，通过多进程模式实现数据同步采集，并将采集得到的动态监测数据，经过安全加密压缩后，通过4G网络实时传输到云平台。在云端，将平台划分为多个子系统，以微服务架构进行服务构建，实现支持分布式部署的高性能云平台。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆针对桥梁结构复杂、监测数据量大的特点，系统设计统一数据库，以结构化模式对数据进行串联存储，保障数据查询的高效以及良好的扩展性。
桥梁安全运营监测系统主要包括以下子系统：（1）自动化监测子系统；（2）数据处理子系统；（3）结构异常诊断及预警系统；（4）用户界面子系统。
3、桥梁监测系统框架建立
桥梁在线监测系统开发建设过程中，将传感器子系统、数据采集与处理及传输子系统、数据管理子系统等归属于硬件系统或软件系统，硬件系统是桥梁健康监测的基础，软件系统是桥梁健康监测的灵魂。具体的框架设计研究方案如下：
（1）硬件系统框架设计研究
桥梁健康监测的硬件方案一般有两种。一是基于板卡的集中式数据采集系统，其数据采集依赖于数据采集卡，利用这种方式组建的数据采集系统成本低、数据采集速度快；另一种是基于现场总线的分布式数据采集系统，它是一种基于公开化、标准化的数据采集系统组建方案，便于维护和管理。本研究对于大系统采用基于现场总线技术的分布式数据采集方案，对于各个分系统采用基于板卡的集中采集方案，以充分利用这两种硬件方案优点，降低系统建设费用、集成难度，提高系统稳定性和可维护性。
（2）软件系统框架设计研究
作为桥梁健康监测灵魂的软件系统，本研究中将其划分为两个层次：核心功能层次和信息表现层次。对于信息表现层次，其是和将来用户息息相关的，使用者包括技术人员、桥梁管理者、维护决策者，还有一些普通的查看人员等，都需要深刻了解桥梁各方面状况，在软件体系结构上选择B/S模式，系统管理维护时，只需修改服务器端软件就可以进行系统的升级。对于核心功能层次，由于考虑到具有复杂的分析计算、数据处理等功能要求，在软件体系结构上选择C/S模式，以便个性问题个案处理。两个层次之间保持相对独立，通过中心数据库进行衔接。
4、统一数据库
数据库是系统的核心和基础，把信息系统中大量的数据按一定的模型组织起来，提供存储、维护、检索数据的功能，使信息系统可以方便、及时、准确地从数据库中获得所需的信息。由此可见，描述桥梁状态的信息种类丰富、类型多样，要真正实现桥梁运营的在线监测，须结合计算机科学领域的最新研究成果，对上述的各类信息进行充分、有效的数字化表达。对此，本文设计的统一数据库能满足以下功能：
1）能有组织地、动态地存储大量关联数据库，并供多个用户访问，实现数据的充分共享、交叉访问以及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、数据交换和共享；
4）数据库需与Internet结合，使远程用户可以通过WWW浏览器对数据库中的数据进行查询和浏览。
5、统一数据采集端
由于桥梁类型多样，针对不同监测参数，数据采集方法多种多样，甚至针对同一监测参数，不同厂家由于技术方案、研发模式的差异，最终的采集方式也都不尽相同。在互联网模式下，这种差异性一定要控制在局部范围内，最终面向用户的必须是统一的数据展现形式。因此，我们设计统一数据采集端，对各监测项目、各采集厂商设备产生差异的对接方式转换成均统一格式的数据文件，传输到监测云平台。
6、在线监测云平台
在系统开发的前期，我们调研了市场上已有的桥梁监测系统，发现目前业界的研究重点更多偏向专业的检测、监测技术，使得很多系统的发展方向更多地偏向晦涩的专业技术研究，在软件易用性、软件性能、可靠性等方面思考的较少，但在实际应用过程中，桥梁安全运营决策更多的偏向桥梁管理人员，如何提高软件友好度、稳定性是必须要重点研究的内容。
桥梁在线监测云平台是承载采集数据落地、分析、展示的核心部件，作为一套互联网架构的云平台，除了具备基本业务处理能力外，还需要具备高性能、高可靠性、高扩展性的互联网架构特征。本课题在保障高水平专业监测技术的基础上，引入互联网领域成熟的微服务架构，实现桥梁在线监测云服务。
7、结论
桥梁健康监测系统能够弥补常规桥梁检测方法的缺点及不足，对中小跨径桥梁的健康状况进行实时监测，对桥梁的使用状况及安全性能做出准确的评估，具有重大意义。本文对基于互联网的安全在线运营监测系统方案技术路线、系统框架建立、统一数据库和数据采集端以及在线监测云平台等内容进行阐述，为今后此类中、小跨径桥梁的健康监测系统研发工作具有较大的参考价值。
参考文献
[1]倪宝艳.桥梁安全监测预警系统的研究与开发[D].合肥工业大学，2007.
[2]李祥辉.中、小跨径预应力混凝土桥梁健康监测技术研究[D].吉林大学，2011.
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[4]王若林.桥梁实时在线检测与健康监测若干问题研究[D].武汉大学，2005.
[5]许建军.桥梁结构健康监测实时数据采集系统设计[D].武汉理工大学，2008.
论文作者:唐建平
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第18期
论文发表时间:2017/12/7
标签：桥梁论文; 在线论文; 数据论文; 监测系统论文; 健康论文; 互联网论文; 系统论文; 《建筑学研究前沿》2017年第18期论文;