健康监测与物联网技术在道路桥梁中的研究现状及进展

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摘要：结构健康监测(Structural health monitoring,SHM)是一种对工程结构实时在线实施损伤检测和识别的方法，目前已经在重大土木工程结构（大跨桥梁、高层结构、高速公路、海洋平台等）中进行了研究及应用。本文重点对近些年来得到广泛研究并取得一定进展的先进传感技术，如FBG、GPS、WSN等进行介绍及分析，并对SHM技术今后的研究方向进行展望。

关键词: SHM；土木工程；展望；综述

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

1．引言

水坝、桥梁、电厂、军事设施、高层建筑等重大结构工程，在遭受地震、洪水、飓风、爆炸等自然或人为灾害时的安全问题，与人民的生命财产息息相关，已经引起人们的广泛关注[1]。上述结构在经历灾害后，对他们的健康状况做出评估，实时地监测和预报结构的性能，及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，合理疏散居民，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。故而，结构的健康监测技术成为当前国内外研究的热点问题。

随着科学技术的发展，一些新的先进传感技术，如光纤光栅技术、GPS技术、疲劳应变计、磁通量(EM)传感器和声发射(AE)技术以及无线传感网络系统技术在国内受到了特别关注，其中一些新成果已在实际桥梁健康监测系统中得到应用[2]- [3]。同时，健康监测系统的整体集成技术也得到了发展。

2．构成及工作机理

结构的健康监测技术是要发展一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测.检查与损伤探测的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心，自动地报告结构状态。

一般，健康监测系统应包括以下几个部分：(1)传感系统：用于将待测物理量转变为电信号。(2)信号采集与处理系统：一般安装于待测结构中采集传感系统的数据并进行初步处理。(3)通信系统：将采集并处理过的数据传输到监控中心。(4)监控中心和报警设施：利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况做出评估，如发现异常，发出报警信息，如图1所示。

图1 健康监测系统工作流程

3．研究现状

3.1 光纤光栅(FBG)传感技术

光纤光栅传感器采用波长调制方式, 通过探测信号波长的漂移量来测量被测参数的变化。测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响, 不受电磁干扰, 寿命长, 尺寸小, 安装方便, 耐腐蚀, 可实现实时和分布式测量, 复用能力强, 多只传感器可以串接在一根光纤上, 测试精度高、重复稳定性好、远程信号传输性能优越, 可埋入复合材料或结构中来实现光纤智能材料和结构内部应变分布的实时监测, 是实现光纤灵巧结构的理想器件。

在几种光纤传感技术中，布拉格光纤光栅(FBG)传感技术在桥梁工程领域中应用最广也最为成熟。国内光纤光栅技术的研究和开发除了围绕光纤光栅传感技术的原理以及调制解调技术外，针对光纤光栅传感器封装技术、在钢或混凝土结构测试中的适用性等也开展了许多工作。目前的光纤光栅传感器以应变和温度测试为主，与传统的传感器相比，光纤光栅应变传感器的抗电磁干扰能力、抗零漂能力、可重复性都更令人满意。光纤光栅传感技术已被应用在土木结构物的监测中。

T.H.T.Chan 等人[4]利用光纤光栅传感器对香港青马大桥(世界上最长的吊桥, 同时支撑着铁路和公路交通运输) 进行结构健康监测, 他们将40 个光纤光栅传感器分成3 组, 分别安装在缆索、摇轴支座和桁架梁上, 测量桥上不同部位的应变, 并将光纤光栅传感器的性能与传统的结构监测系统———风监测和结构健康监测系统(WASHMS , 该系统自1997 年5 月青马大桥启用起就已投入运行) 进行比较, 从而得出利用光纤光栅传感器进行结构健康监测是完全可行的, 所得试验结果与WASHMS 测得的数据完全一致。传感器的布置与安装，如图2、图3所示。

图2 在青马大桥上安装40个FBG传感器来测量温度和应变图3 FBG传感器安装位置

3.2 全球卫星定位系统(GPS)技术

今天,大跨度桥梁被设计得更加灵活,可以抵抗温度、强风和地震的影响。对有限元模型的升级、结构响应预测和安全评估来说，结构响应（尤其是位移）正变得越来越重要。对于大跨度桥梁，其变形、挠度、沉降等绝对位移量的量测仍是一个技术难题。GPS是一个可供选择的技术。香港的青马大桥、汲水门大桥、汀九大桥，日本的明石海峡大桥，都安装了GPS传感器进行监测。

GPS位移监测原理：大桥位移监测系统是采用卫星定位系统。它是利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分即 RTK技术（Real Time Kinematic），实时测定大桥位移[7]。GPS RTK差分系统是由 GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。此结果将送到GPS监控中心。监控中心对接收机的GPS差分信号结果进行桥梁桥面、桥塔的位移、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析[8]，具体布置方式及原理如图5、图6、所示。

图5 GPS装置布置方案 图6 当火车经过的时候一个GPS接收器

记录Gorgopotamos Train Bridge的响应

虽然，GPS技术在健康监测应用方面取得了长足进展，然而，一些不足之处仍然限制了GPS技术的应用范围。存在的问题及未来研究的努力方向至少表现在以下几个方面。（1）GPS测量的质量有赖于某些因素，主要是卫星的能见距离、几何学的应用、信号传输的质量、GPS波通过电离层和对流层时造成的延迟。（2）由于卫星在不同位置上造成的定位质量的退化以外，其它主要考虑的问题（尤其是城市地区）为多径效应。（3）在厘米以下到毫米的精确度范围内，用GPS测量位移的精确度依赖于一些因素。

3.3 无线网络传感技术(WSN)

桥梁结构健康监测中,各传感器节点被大量布散在桥梁关键监测区域,传感器单元将采集到的数据传送给处理单元,处理单元完成数据处理和存储后,通过无线通信技术转发给网关节点,网关节点可通过Internet 等多种方式将监测数据送到监控中心,并且系统可在异常情况下进行报警,监测人员可随时了解桥梁运行情况，达到健康监测目的[9]，如图7所示。

相对于现有的分布式采集2有线数据传输-中央数据处理的传统结构健康监测系统架构,基于无线传感器网络技术的分布式采集-无线数据传输-分布式处理的新一代结构健康监测系统架构,由于具有覆盖范围广和测量精度高的特点,可以较好地解决上述问题,并且由于无线传感器网络具有分布式、自组织以及以数据为中心的特点,还可解决结构健康监测系统鲁棒性、自身寿命以及数据泛滥等问题。因此在构建新一代大型桥梁结构健康监测系统方面,无线传感器网络应用前景广阔。现在绝大多数无线网络传感技术在SHM应用中仍处于实验验证阶段，工程实例较少，图8所示为Alpha STAR无线传感器网络系统, ASWN。