（通信与信息系统专业论文）面向物联网和光纤传感技术的桥梁安全监测技术研究与应用.pdf

武汉理工人学博士学位论文 中文摘要 物联网的核心内容之一是负责信息获取的传感器网络，它是信息的源头， 是物联网技术的先导和重要基础设施。随着全球信息化和现代通讯技术的迅猛 发展，传统的感测技术已难以满足现代多元化的测试需求，近十年，光纤传感 技术在全球已引起高度重视，并得到了迅速发展。光纤传感安全监测物联网技 术的应用领域十分广泛。对于恶劣、危险、干扰大的环境，及需远程遥测的大 型工程与重要设施，光纤传感安全监测物联网具有独特的优点。桥梁是交通领 域的重要命脉，目前影响桥梁安全的灾难性事故在国内外时有发生。因此，桥 梁物联网安全监测具有重大意义。本文围绕桥梁结构对光纤物联网技术的应用， 开展了以下方面的研究工作： ( 一) 总结归纳了既有桥梁安全监测技术特点 。 1 归纳了既有桥梁安全监测技术的设计原则，主要构成，系统涉及的主要 工作内容，明确了既有桥梁安全监测系统在传感技术可靠性，传感网络健全性 及专家系统处于起步阶段的现状及不足； 2 从应用的角度结合工程实际，给出了两座不同类型，监测需求，监测规 模的既有桥梁安全监测系统的运行介绍。 ( 二) 提出了光纤物联网桥梁安全监测的技术要求 1 提出了光纤物联网桥梁安全监测应实现传感单元智能性，监测系统联网 性，决策评价主动性的技术需求。 2 明确了光纤物联网桥梁安全监测系统有关数据采集传输，处理控制的设 计要求及实现方式，针对物联网联网需求及远程访问功能分析了客户端浏览器 的实现方式。 ( 三) 研发了光纤物联网桥梁安全监测新技术 1 对大跨度桥梁的重要承载构件缆索，在既有研究成果的基础上，克服了 传感器的安装工艺，实现了适应索工作量程的可调式封装结构，成功研发了基 于光纤传感技术的满足物联网传感单元智能性要求的光纤光栅智能索，并将其 首次用于实际大桥工程。 2 对于连续梁预应力损失监测，设计了定制的三光栅结构形式，提出了对 钢束预应力损失开展监测的实施工艺，并计算分析了此工艺下测试结果的可靠 性。 武汉理l 人学博十学位论文 ( 四) 实现了光纤物联网桥梁安全监测系统应用示范 1 通过将以光纤传感技术为主的单一大跨度桥梁安全监测系统与互联网相 结合，构建了光纤物联网桥梁安全监测系统。应用示范天兴洲公铁两用长江大 桥安全监测系统，实现了结构应变、温度场，大桥现场视频等信息的远程查看 和监控。 2 多座采用光纤传感技术的桥梁安全监测系统接入互联网的模式，实现了 桥梁群概念的光纤物联网桥梁安全监测新模式。 关键词：桥梁工程；健康监测；物联网；光纤传感；智能斜拉索；预应力损失； 传感器封装 i i 武汉理i ：大学博十学位论文 a b s t r a c t s e n s o r sn e t w o r kt l l a tr e s o p o s i b l ef o r l ei n f o n 】= l a t i o na c q u l s i t i o ni so n eo ft 1 1 e c o r em i n g so f i n t 锄e to f l l l i n g s ( i o t ) a sm ei n f o 肌a t i o ns o u r c e ，s e i l s o r s r l e t w o r ki s n l ep i l o ta n di m p o r t 觚ti n 觚锄c u 仃eo fm ei o tt e c h o l o 醪w i lm er a p i d d e v e o p l m e n to ft l l e 酉o b a lm f o n n a t i o na n dm o d 锄c o m m u l l i c a t i o nt c c t l o l o g y ，i t s d i 伍c u l tf o rm e 仃i l d i t i o n a ls e n s o rt e c h n o l o g yt 0m e e tt l l ed i v e r s i t yo ft e s tr e q u i 崩n t i nm e 、釉d do ft o d 够i i lr e c e n tt e l ly c a r s ，m eo p t i c a l 舶e fs e i l s i n g ( o f s ) t e c h n o l o g ) ， h 雒a l r e a d yc a u g b tw o r l d w i d ea 仕饥t i o na n dh 嬲b e e nd e v e l o p e d 瑚【p i d l yt h es a f e t y m o i l i t o 血gt e c l l i l o l o g ) rb 嬲e do ni o ta n do f sh 弱w i d e l y 印p l i c a t i o nf i e l d s ，谢l i c h h 勰s p e c i a la d v 锄t a g ef o rt h el a 唱ee n 百n e e r i n g 锄di m p o r t a n tf a c i l i t i 馏t 0p r o c e s s r c m o t et e l e m e 臼哆i i lb a d ，d a n g e r o u s ，i n t e r f c r e n c ec i 拍m e n t b r i d g ei s 廿l ei m p o r t a n t 1 i 矗出1 0 0 do fn l e 衄l s p o r t a t i o n 丘e l d t h ed i s a s 仃0 u sb r i d g ec o l l 印s ea c c i d e n t so r o c c u ra th o m e 觚da b r o a d t h 盯e f o r c ，i t ss i g n i f i c a n tt 0c a r 巧o u tb r i d g es a f e y m o l l i t o r i r 喀b 勰e do n1 0 t 锄do f s f o c u s i n go n 廿1 et e d m o l o g ya p p l i c a t i o na b o u t i o t 锄do f si i ln 圮b r i d g cs 讯旧l 协l e ，t h i sp a p e rc a r r i e do u tt l l ef o l l o w i l l gr 懿e a r c h w o f k ： ( i ) s l = m l m a r i z o dm ee x i s 缸gb r i d g es a f 矾ym o i l i t o r i n gt e c l l i l o l o g yc h a r a c t e r i s t e r s 1 s l l m m a d z e dn l ed e s i g np 血c i p l e ，m a i l l 洲p o s i t i o 玛a n dw o r kc o n t e n to f c x i s t i n gb r i d g es 舒昌t ym o i l i t o d n gt e c h n 0 1 0 9 y t h es t a t i l sq u oa n ds h o r t i c o m i n 笋i i l r e l i a b i l i t yo fs e i l s i n gt e c h n o l o g y m a _ t u r i t ) r 趾dr o b u s n l e s so fs 吼s i n gn 咖i r o r k 趾dt l l e i i l i t i a ls t a g el c v e lo fe x p e r ts y s t e mw e r ep o i n t e do u t 2 f r o mt l l ev i e wo fm ee n g i l l e 舐n ga p p l i c a ：t i o n ，m eo p e r a t i o ns t a t i l so ft w o e x i s t i n gb r i d g es a f ：邑t ym o l l i t o 血gs y s t e m sw i l i c hh a d m ed i f j f 打c e si n 咖e ， r e q u i r e m e m 柚ds c a l ew e r ei n 仃o d u c e d ( i i ) f f o n 莉t 1 1 eb r i d g es a f e t ) ，m o i l i t o r i n gt e c l l l l o l o g yr o q u i r e m e n tb a s e do n i o ta i l do f s 1 t kt c c h n o l o g yr e q u i 崩n t so f b r i d g es a 触ym o l l i t o r i n gs y s t a mb a s e d0 n i o t 肌do f sw e r ce l i c i t e d ，n 锄e l yi n t e l l i g e n ts e n s o ru i l i t ，n e 帆o r l d n go fm o n i t o 咖g s y s t 锄孤di i l i t i a t i v em d e c i s i o nm a ：k i n g 狃de v a l u a t i o n 2 1 1 1 ed e s i 盟锄dr e a l i z a t i o nm 猢e ra b o u td a t aa o q u i s i t i o i l ，d a t a 缸觚s m i s s i i i l 武汉理t 大学博士学位论文 a n dp r o c e s s i n gc o n t r o lo fb r i d g es a f e 够m o l l i t o r i n gb a s e do ni o ta n do f sw e r e e l i c i t e d a l s om e 厅锄e w o r ko fb r o w s e r c l i e n t s e r v i n gf o r m e 似n o t ea c c e s s 缸l c t i o n a lr e q u i r e m 饥tw 嬲a n a l y z e d ( i i i ) d e v e l o p e dn l er l e wt e c h n 0 1 0 9 ya b o u tb r i d g es a f e t ym o n i t o r i n gb 弱e d o ni o t a l l d o f s 1 c a b l ei s 缸l em o s ti m p o r t a i l tb e 撕n gs t m 弧鹏o fl 鹕es p 锄b r i d g c b a s e do n t h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，n l es e l l s o ri 1 1 s t a l l a t i o nm e 也o dw a so v e r c o m e 锄d 柚 a d j u s t a b l em g ee i l c a p s u l a t i o ns m 蜘r ew a sd e s i 舀埘w l l i c hm a d et l l es t l l d ya b o u t s m a r tc a b l ec o m e 臼眦! s u c c e s s 如l l y 丸1 dt l l ed e s i 印e ds m a r t c a b l eu s i n go f s t e c h i l o l o g ym e tt l l ei n t e l l i g e n ts e n s o ru i l i tr e q u i 豫n e l l to fi o ta n dh a sb e e i lu s e di n r c a lb r i d g ee n 舀n e e r i i 培f o rt l l ef i r s tt i i i l e 2 f o rc o n t i n u o u sb e a mp r e s 骶s sl o s i n gm o i l i t o r i n 吕ac u s t o m i z a t i o n 硒e r 丽t l l t l l r e e o p t i c a l f i b e rb r a g g 黟m i n gw a u sd e s i 盟e da n dm ec o r r e s p o n d i n gt e s t i m p l e i l l e l l t a t i o n 矾衙p r e s 骶s s c ds t e e lw i r e 、嘲p r 0 忡s e d 砧s om et e s t r e s u l t r e l i a b i l 时b 觚e d0 nt 1 1 ep r o p o s e d 斌w 勰c a c u l a t e da n d 锄a l y z e d ( i v ) r e a l i z et l l ea p p l i c a t i o nd 即n s t r a t i o no f 嘶d g e 姐触ym o m t o r i n gs y s t e m b a s e do ni o ta n do f s 1 b yc o m b i i l i n gm eo f s b a s e ds i n 百em d g es a f e t ym o 血耐n gs y s t 锄丽廿l i 1 1 t e n l e t ，ab r i d g es a f e 哆m o n i t o m gs y s t e mw i mi o ta n do f sc o n c 印tw 弱s e tu p 1 ka p p l i c a t i o nd e m o i l s 缸砸o ne i l 百n e e 血岛n a m e l 弘t i 觚) ( i n 孕h o uy a n 舀z er i v e r b r i d g es a 做ym o i l i t o 血gs y s t e mr c a | i z e dm e 阍n o t em a l l a g e 锄dc o n t r o l a b o u t s 仇l c t l 】r a is 仃a i n ，t e n 叩e r a h 鹏f i e l d ，孤d 啊d 姗e 0 姗a t i o no f b r i d g ew o r k6 e l de t c 2 t h em o d et l l a t1 i n k i n gm u l t i p l eo f s - b 弱e db r i d g es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t 锄s w i mi n t 锄e t ，r e a l i z e dm eb r i d g ec o m p l e xc o n c 印ts a f e t ) rm o i l i t o r i n gb a s e do n1 0 t a i l do f st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：b r i d g ce 1 1 百n e 舐n g ；h e a l mm o i l i t o r i n g ；i n t e n l e to f r l l i n g s ；助e r0 p t i c a l s e i l s i n g ； 鲫a r ts t a yc a b l e ；p r e s 仃镪s i n g1 0 s s ；s e n s o re l l c a p s u l a t i o n 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 桥梁安全监测重要性 大型桥梁结构是交通运输系统中的枢纽工程，对于保障“生命线”工程的畅通 和保持国民经济的持续、稳定发展起着重要作用。大跨桥梁的相继建成投入使 用，可以大大改善中心城市或主干道路的交通状况，在国民经济中起着十分重 要的作用【l 】。近年来，尽管结构状态监测，评估及改进领域的研究已经取得了重 大的进展，但土木工程结构，尤其对于桥梁结构当其处于正常工作状态下的无 明显预警征兆下的结构失效例子仍然时有发生。2 0 0 7 年4 月，美国加利福尼亚州 奥罗维尔高速路桥垮塌。2 0 0 7 年8 月1 日晚交通高峰时期，美国明尼苏达州密西 西比河上的i 3 5 w 桥垮塌事件引起了广泛的社会关注【2 j 。时隔两周，2 0 0 7 年8 月1 3 日，中国湖南省凤凰县堤溪大桥施工中发生垮塌，造成6 4 人伤亡。2 0 0 7 年1 0 月 2 3 日2 3 时许，内蒙古自治区包头市民族东路高架桥桥面发生倾斜，行驶在桥上 的两辆重型货车和一辆轿车随路面侧滑到桥底，造成绕城环线铁路专用线中断。 2 0 1 0 年1 月3 日下午，昆明新机场配套引桥工程在混凝土浇筑施工中发生支架垮 塌事故，造成重大安全事故。2 0 1 0 年8 月1 9 日，四川安县先林大桥、华阳通济古 桥和宝成铁路广汉石亭江铁路等4 座桥梁在特大暴雨和洪水影响下相继垮塌。图 1 1 给出了中外桥梁垮塌的代表性工程实例。表1 1 回顾了近1 0 年来世界主要桥梁 发生垮塌的惨痛事故。 i | i 囔登 ( a ) 密西西比河i 3 5 w 桥( b ) 武夷山公馆桥 图1 2 国内外垮桥代表工程实例 武汉理t 大学博士学位论文 据美国交通部的统计，美国的5 4 7 4 6 7 1 座桥梁中，有l 3 属于“状态不佳”。每 年约有2 0 万座桥梁发生性能退化或失效，需要维护或翻建。纽约的b r o o l 【l i n 桥的 一次维修就要历时3 个月，耗资超过1 0 0 万美元。在加拿大则平均每年有3 万座这 样的桥梁需要维护。在我国，很多桥梁都建于2 0 世纪七八十年代，属于“老桥”， 急需维护和翻建，而2 5 年以上桥梁的维护费用一般是新建桥梁维护费用的几倍， 而使用3 0 年的桥梁每平方米的维护费用是1 0 年桥梁的4 倍多，2 0 1 0 年武汉城市 桥梁年度报告表明，武汉3 8 7 座桥梁中，9 8 座存在不同程度隐患，上述这些问 题都迫切需要结构健康监控技术来加以解决【3 】小0 1 。频繁的桥梁垮塌事故在造成 着巨大社会经济损失的同时，也影响着社会公众的心理。因此，有必要对结构 状态监测，评估及改进办法开展进一步的深入研究，并形成更加科学的监测方 法、更加可靠的智能监测传感元件、更加智能化的安全监测系统，来弥补现有 监测手段的单一性，状态评估对象的局限性，安全监测系统决策指导能力不足 等缺点，从而避免突然性的桥梁垮塌事故给人民生命财产所带来的损失。 表1 1 近1 0 年来世界桥梁垮塌事故 时间事件描述 2 0 0 1 年3 月 2 0 0 2 年9 月 2 0 0 3 年5 月 2 0 0 5 年9 月 2 0 0 5 年1 1 月 2 0 0 6 年8 月 2 0 0 7 年4 月 2 0 0 7 年7 月 2 0 0 7 年8 月 2 0 0 7 年9 月 2 0 0 7 年9 月 2 0 0 7 年1 0 月 2 0 0 7 年1 1 月 2 0 1 0 年1 月 2 0 1 0 年8 月 葡萄牙里斯本一座桥梁垮塌。 阿根廷南部的丘布特省一座桥梁发生坍塌。 美国内布拉斯加州西部州际公路上的一辆卡车拖车撞上桥梁支座，导致 桥梁垮塌。 印度北部一座桥梁因洪水冲击发生坍塌。 西班牙南部一座正在建设中的高速公路桥垮塌。 巴基斯坦西北部一座桥梁在大雨中坍塌。 一辆油罐车在美国旧金山奥克兰湾桥免费路段翻车起火，大火和高温造 成一段高速公路桥垮塌。 美国加利福尼亚州奥罗维尔高速路桥垮塌。 湖南省凤凰县凤大公路堤溪段沱江大桥突然发生垮塌事故。 巴基斯坦南部城市卡拉奇一座桥梁部分断塌。 印度安得拉邦首府海得拉巴一座正在修建的立交桥部分桥体突然坍塌。 内蒙古自治区包头市民族东路高架桥桥面发生倾斜。 阿联酋迪拜马里纳区一座建设中的大桥发生垮塌。 昆明新机场配套引桥工程在混凝土浇筑施工中发生支架垮塌。 四川安县4 座桥梁在特大暴雨和洪水影响下相继垮塌。 2 武汉理工大学博士学位论文 1 1 2 光纤传感技术在桥梁安全监测中的发展现状 光纤传感技术【l l 】【1 5 】在桥梁工程中的应用主要包括三方面：结构检测和损 伤评估；试验应力分析；远程智能监控系统。埋入混凝土结构物内部或粘 贴于结构物表面的干涉型光纤传感器，适用于长期、连续的监测，可以测量应 变，探测结构损伤损伤，对结构的振动进行传感，实施整体测量和连续监测； 对于结构中混凝土的应力、应变、温度、裂缝的发生与发展等内部状态能进行 较有效的监测。在大跨度桥梁结构健康监测系统中，主要通过建立光纤应变传 感器系统，测量桥梁结构的位移、应变和振动响应。 目前，桥梁结构安全监测应用光纤传感器基本以温度和应变传感器为主， 采用较多的是f p 光纤传感器和b r a g g 光纤光栅传感器，f p 传感器主要用于局部 应力的测试，b r a g g 传感器则用于分布应力监测。以下详述光纤传感技术在国内 外桥梁安全监测领域的发展情况。 1 1 2 1 国外应用概况 在2 0 世纪8 0 年代中后期，美国已开始在多座桥梁中布设光纤传感器，开展 验证设计假定、监视施工质量和服役安全状态。美国v c 釉o n t 大学自2 0 世纪9 0 年 代初已在光纤传感器的智能化钢筋混凝土结构健康诊断以及振动监测方面进行 了一系列实用性探索。1 9 8 9 年在一座横跨w i n o o s l 【i 河的高速公路桥面埋置了光纤 传感器，对桥面在气锤冲击、载货汽车行驶时的振动情况进行了监测，同时与 采用传统传感器的监测结果相比较，两者吻合较好。1 9 9 2 年，f u l l r 和h u s t o n 等人 在v e m l o n t 大学附近的一座铁路桥中埋入和粘贴了单模光纤以及部分光纤束河光 缆，以检测铁路桥在火车经过时的振动情况，从而根据收集到的振动信息来确 定所通过列车的类型，达到控制火车流量的目的。1 9 9 5 年，f 椰h u s t o n 等人还 利用机遇铁锈测量的光纤腐蚀传感技术在桥梁结构的钢筋上安装了光纤腐蚀传 感器，以监测钢筋的锈蚀情况【1 6 】。f 例。 1 9 9 3 年，在加拿大卡尔加里建了一座名为贝宁顿特雷尔的两跨公路桥，首 次采用了碳纤维符合材料替代混凝土中的钢筋，以解决钢筋的易腐蚀问题，并 在桥梁2 6 根梁的5 根中埋设了光纤布拉格光栅传感器，用来监测使用过程中碳纤 维符合材料代替钢筋的效果及桥梁的内部应变状态。位于加拿大马尼托巴横跨 温尼伯西边的阿西尼博因河的泰勒大桥上安装了由加拿大电光设备公司和多伦 3 武汉理工大学博士学位论文 多大学光纤传感器技术试验室人员研制的光纤传感器及其监测系统，用来测量 横梁的应变、荷载和温度。1 9 9 8 年加拿大的圣安梅利、德黑兰、若夫尔等大桥 采用了埋入式、点焊式光纤传感器；1 9 9 9 年加拿大的惠林顿大桥采用了粘贴式 光纤传感器【2 0 】- 【2 3 1 。 1 1 2 2 国内应用概况 近年来，光纤传感器用于土木工程结构健康监测和诊断的系统研究和应用 得到了较大程度的重视。 欧进萍等将1 5 个光纤光栅传感器布设在呼兰河大桥的第二跨预应力箱梁 上，用于监测施工过程中梁的受力与安全情况，并在大桥运营期监测通车流量 及梁的损伤累积情况，一年后的监测结果表明，传感节点生存良好f 2 4 】e 2 5 】；此外 该团队还在哈尔滨松花江大桥的横梁与纵梁上布置了3 6 个片式封装光纤光栅应 变传感器，每一横梁两面布设传感器，先期的监测结果为后期监测桥梁和索塔 的温度变化及把握桥梁的实际应力状态打下了良好的基础【2 引。 史家钧等在卢浦大桥健康监测项目中，在选定的桥梁端面布设了8 个光纤光 栅应变传感器和4 个光纤光栅温度传感器，通过光纤连接到网络管理中心，系统 测试结果与预期结果吻合较好【2 7 1 。 东南大学结构健康监测研究所李爱群等在润扬长江大桥健康监测项目中， 在正交钢箱梁面板u 肋和面板布设了大量光纤光栅应变、温度传感器，监测主梁 的应力变化。该系统将光纤传感器的数字信号接入附近的外站并保存，同时通 过由外站连接组成的光纤传输网络，与其他类传感器数据一起传到大桥的监控 中心。光纤传感器测试结果与振弦应变计、电阻应变计的测试结果一致。系统 实现了多种传感器的数据融合和网络化数据集中管理，测试结果可用于大桥结 构的在线预警与安全评估等科研任务【2 8 】- 【3 2 1 。 重庆公路科学研究所将光纤振动传感器系统应用于虎门大桥桥面铺装结构 的模型试验中，用来监测各种桥面铺装结构经过几十万次重复加载过程中的变 形、裂缝生产和扩展等情况【3 3 1 。 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室使用自主研发的各类光纤传感 元器件，先后在武汉晴川桥【3 4 】，武汉长江二桥3 5 】_ 【3 9 】，武汉阳逻长江公路大桥 m 】【4 1 1 ，天兴洲公铁两用长江大桥【4 2 】。m ，荆岳长江公路大桥4 5 】等大型跨江、跨河 桥梁工程中实施了大规模基于光纤传感技术为主的桥梁安全监测系统，成功开 4 武汉理工大学博士学位论文 发了多类适用于桥梁结构安全监测用的光纤光栅传感器【4 6 】- 【4 9 1 ，形成了多套适用 于不同桥龄，不同桥型及不同监测目标的光纤光栅桥梁安全监测技术方案【5 0 】【州。 1 1 3 物联网的发展现状 物联网是指将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个大网络， 能使所有的物品与网络连接，便于识别和管理。物联网包括了感知全面、传递 可靠、智能处理等特点，是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息 产业浪潮。在相关技术领域中，随着微电子技术、智能计算技术、新一代互联 网技术以及移动通讯技术的快速发展和相互融合，使得物联网技术日趋成熟， “物物智能互联”为核心的时代即将到来【5 5 】【5 8 】 1 1 3 1 国外技术发展概况 国外对物联网的研究及应用主要集中在美国、欧洲、日本和韩国等少数国家。 2 0 0 9 年1 月，i b m 公司提出了“智慧地球”的构想，物联网成为其中不可或缺的一 部分【5 9 】。美国总统奥巴马2 0 0 9 年初宣誓就职后，对“智慧地球”构想作出了积极 回应，并将其提升至国家层级的发展战略，将“新能源”和“物联网”列为振兴经济 的两大武器，引起全世界的广泛关注。 为确保欧洲在建构物联网的过程中起主导作用，欧盟委员会在2 0 0 9 年6 月向 欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了欧盟物联网 行动计划，该项计划内容共包括十四项子内容，主要涵盖了标准化，管理，“芯 片沉默”的权利，隐私及数据保护，关键资源，潜在危险研究，公私合作，创新， 国际对话，环境问题，管理机制，统计数据和进展监督等唧】。 欧盟委员会在2 0 0 9 年1 0 月以政策文件的形式对外发布了物联网战略，提出要 让欧洲在基于互联网的智能基础设施发展上领先全球，除了通过i c t 研发计划投 资4 亿欧元，启动9 0 多个研发项目提高网络智能化水平外，欧盟委员会还承诺在 2 0 1 1 年2 0 1 3 年间每年新增2 亿欧元进一步加强研发力度，并拿出3 亿欧元专款， 支持物联网相关公私合作短期项目建设。 欧洲智能系统集成技术平台在h l t 锄e to f 啦n g si 1 12 0 2 0 报告中分析预测， 未来物联网的发展将经历四个阶段，2 0 l o 年之前r f d 被广泛应用于物流、零售 和制药领域，2 0 1 0 2 0 1 5 年物体互联，2 0 1 5 2 0 2 0 年物体进入半智能化，2 0 2 0 年之 后物体进入全智能化。但就当前而言，大量的物联网相关技术仍处于开发测试 5 武汉理= ：大学博士学位论文 阶段，离不同系统之间融合、物与物之间的普遍链接的远期目标还有着相当的 差距。 日本自上世纪9 0 年代中期以来相继制定了e j a p a n 、u j a p a i l 、i j 印锄等多项国 家信息技术发展战略，从大规模开展信息基础设施建设入手，稳步推进，不断 拓展和深化信息技术应用，以此带动本国社会、经济发展。其中，“物联网”概念 与前述u - j a p a i l 、i j 印a l l 战略间有许多相似处。日本总务省2 0 0 8 年提出的、卜j a p a l l x i c r 政策中“x ”代表不同领域乘以i c t 的含义，涉及三个领域一“地区x i c t ”、 产业x i c t 、“生活( 人) x i c ，r ，。将u j a p a i l 政策的重心从之前单纯关注居民生活 品质提升拓展到带动产业及地区发展，即通过各行业、地区与i c t 的深化融合， 进而实现经济增长的目的。日本i t 战略本部2 0 0 9 年7 月颁布了日本新一代的信息 化战略j i j a p a n ，战略，为让数字信息技术融入每一个角落，首先将政策目标 聚焦在了电子化政府治理、医疗健康信息服务、教育与人才培育三大公共事业， 提出到2 0 1 5 年，透过数位技术达到“新的行政改革”，使行政流程简化、效率化、 标准化、透明化，同时推动电子病历、远程医疗、远程教育等应用的发展。 韩国从1 9 9 7 年起也相继出台了包括i f r d 先导计划、i f r d 前面推动计划、u s n 领域测试计划等一系列用于推动国家信息化建设的产业政策。r f i d 舢s n ( 传感器 网) 就是韩国政府持续推动各项相关基础建设、核心产业技术发展的内容之一。 继日本的u - j a p 姐战略后，韩国也于2 0 0 6 年确立了u - k d r e a 战略。u - k d r e a 旨在建 立无处不在的社会，即在民众的生活环境内建立智能型网络和应用最新的技术， 让百姓可以随时随地方便享受科技智慧的服务。该项技术的终极目标，除运用n 科技为民众创造衣食住行等方面无处不在的便利生活服务外，还希望扶植r r 产业 发展最新的应用技术，强化产业优势与国家竞争力。 2 0 0 9 年1 0 月的韩国通信委员会出台的物联网基础设施构建基本规划，将 物联网市场确定为新增长动力。规划内容的目标指出，2 0 1 2 年底实现“通过构建 世界最先进的物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技 术强国”，并设定了构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、 营造物联网扩散环境等4 大领域、1 2 项详细课题内容。 1 1 3 2 国内技术发展概况 2 0 0 9 年8 月7 日，温家宝总理视察无锡微纳传感网工程技术研发中心并发表重 要讲话之后，“物联网”概念在国内迅速升温。与国外相比，我国物联网发展在最 6 武汉理- t 大学博十学位论文 近几年取得了重大进展。国家中长期科学与技术发展规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。目 前，我国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准 提案被采纳，传感网标准化工作已经取得积极进展。2 0 0 9 年9 月1 1 日，经国家标 准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准 工作组【6 1 1 。 从中国各级政府的态度和政策来看，物联网可谓集万千宠爱于一身，但仍然 存在一定政策风险。在2 0 1 0 年两会期间，工信部和商务部等相关部门都表示要 加强协调与互动，共同推动物联网的发展，而各地政府也积极规划，加大投资， 全面抢滩物联网业。商务部部长陈德铭表示要物联网和互联网相结合建设现代 流通网络；北京政协委员说物联网可助北京建世界城市；山东提出要借助物联 网打造“智慧山东”；上海为领跑物联网业计划投资8 亿元对核心技术进行攻坚； 江苏省无锡市正在和工信部组建国家级物联网研发中心。在全国上下都热情高 涨的关注和投资物联网的同时，如何保证国家的产业政策和立法走在前面，对 蜂拥而至的热情和资金给予适当的引导；如何促使相关部门和行业尽快协调统 一技术标准，形成整合的商业模式和规模经济都需要各级政府和部门重视【6 2 j 。 从物联网相关技术积累和产业来看，中国工业和技术基础虽相对薄弱，其中 一些领域仍存在发展瓶颈。例如射频高端芯片等核心领域无法产业化，国内i 强d 仍以低端产品为主；传感器高端产品被国外厂商垄断。建立国家级和区域物联 网研究中心，掌握具有自主知识产权的核心技术将成为物联网产业发展的重中 之重。针对此存在的现实差距，我国在2 0 0 6 年国家中长期科学与技术发展规 划( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中已经将物联网的核心卜川感网列入重点研究领域， 中科院则早在1 9 9 9 年就启动了传感网的技术研究，其研发水平目前处于世界前 列。由于中国与美国、德国、英国、韩国等国均为物联网国际标准制定的主要 国家，作为主导国之一，中国专利拥有量高，在物联网领域享有国际话语权。 这种话语权不仅仅体现在技术领先，更在于我国是世界上少数能实现产业化的 国家之一。我国有较为雄厚的经济实力支持物联网发展，同时极高的无线通信 网络和宽带覆盖率也为物联网的发展提供了坚实的基础设施，这些优势使我国 在信息技术领域迎头赶上甚至占领产业价值链的高端成为可能。综合所述，物 联网在中国正处于起步阶段，政策和技术因素将共同决定其未来的发展方向。 7 武汉理下大学博士学位论文 1 2 传统桥梁安全监测存在的问题 1 2 1 监测规模局限性 虽然当今世界大型桥梁建设主要集中在中国开展，但国内大量的大跨度桥 梁健康安全监测系统的建设规模还很不全面。部分监测系统或偏重于静力指标 的数据，或偏重于动力指标的数据。传感器布置位置虽有各种传感器布点优化 算法作为参考，但由于实际项目的总体经费控制、大桥施工现场工程建设过程 的粗放性所引起的测点易被破坏的特点，桥梁结构上实际的分布监测断面及截 面上的测点数目都还十分有限，难以达到通过有限测点评估桥梁整体健康状况 的设计初衷。部分大桥健康监测系统【6 3 】由于初期规划及考虑不周全，运行几年 后又不得不重新进行监测系统的升级改造，对监测规模进行扩充。 1 2 2 直接监测手段缺乏 大跨缆索类桥梁，特别是建设中广为采用的斜拉桥结构形式，结构的重要 承载构件一斜拉索，鲜有健康安全监测系统可完成索力值及振动特性的实时远 程数据采集。多数监测系统仅能对斜拉索开展常规定期检测或对少数索安装基 于压电原理的加速度传感器进行短距离索力测试分析，且测试反应的均是斜拉 索的整体受力值，既有测试手段暂无法对索内钢丝的锈蚀情况、钢丝的破断、 钢丝的疲劳等安全状况情况进行监测。悬索桥的钢缆、斜拉桥的斜拉索通常由 大量的包着几层保护套的平行丝组成，缆索严重的腐蚀或其它引起内部钢丝 发生退化的原因将会影响结构的整体性能。针对此问题，现有的检测方法是 必须使用专用工具剥开保护套开展目视检测，该操作方式开销大，破坏性强， 且由于索长度长的原因大部分区域不便于接触到，因此，开发集成于缆索内 部的监测传感器件具有很大的吸引力和市场价值。 与此同时，不断加大建设新桥的同时，国内许多既有的大跨度连续梁、连 续刚构混凝土箱梁旧桥也出现了由于预应力损失而引发的严重跨中下挠现象 【6 4 1 。既有的监测手段还无较好处理方案来实现加固该类结构时对体外索的预应 力及加固完成后预应力损失的连续、长期监测手段。 8 武汉理工大学博士学位论文 1 2 3 单线程系统管理维护 目前的桥梁安全健康监测系统管理还多半停留于单机版的简单办公操作 管理。由于单线程的人员管理手段，对于系统发生的问题仅能开展纠正式和 预防式的维护，系统出现问题后，维护恢复起来时间慢，效率低，且通常需 要在采集站现场进行系统的恢复工作，操作起来容易受到地域空间的制约。 综上可见，传统单线程的系统管理维护手段严重影响着系统发挥其应有的功 能水平，需要有合适的远程管理维护多线程手段来替代解决这一问题，实现 预测式，评估式的系统管理维护。 1 2 4 损伤评判适用性差 在桥梁安全监测系统中的损伤识别6 5 】【7 0 1 工作目前还处于数据离线分析 的研究水平。多数桥梁结构安全监测系统仅是为离线对损伤进行识别理论的 研究而开展动力指纹的定期或连续采集和存储。基于动测、静测或动静测相 结合的监测数据所构造的各类监测指标虽然种类丰富，损伤识别方法虽然理 论推导逻辑严密，有限元仿真虽然效果良好，但均还仅只能是对梁、板、柱 等简单标准结构类型有较好的识别效果，但识别准确度随着噪声干扰及损伤 位置组合程度的复杂性而有所失真和降低，对工程中实际发生的微小损伤检 测或根本不适用。实际大跨桥梁结构，测试时广泛存在信号噪声干扰，测点 数目受限，边界条件难以准确界定，结构损伤位置及程度的无穷样本性等问 题，使损伤识别理论在实际大桥的损失识别应用中往往效果不佳。张启伟【7 1 】 对桥梁安全监测的适用性提出了见解，对凭借现有监测手段获得的数据是否 可以实现桥梁损伤预警提出了质疑。 1 3 面向光纤物联网桥梁安全监测技术的研究意义 由光纤光栅构成的传感网络已经应用于许多大型结构的安全监测。大跨 桥梁结构健康监测是应用光纤光栅传感网络最活跃的领域。光纤光栅传感网 络系统埋入结构中可形成智能结构。光纤光栅传感器的精度非常高，具有很 好的动态响应特性，可用于应力、应变、温度、振动等多种参数的测量，是 智能材料系统和结构中最具应用前景的光纤传感器之一。桥梁结构的安全问 9 武汉理工大学博士学位论文 题一直被学术界和工程界高度重视，结合传感技术、计算机技术、网络信息 技术和力学理论的桥梁结构健康监测技术，由于能实时在线诊断桥梁结构的 早期故障、及时发现桥梁结构的事故先兆，成为了一种替代传统桥梁现场人 工检测的理想手段，也是发展智能桥梁结构的研究基础。结合互联网技术， 桥梁安全专家系统的桥梁健康监测系统相比传统健康监测系统将更加智能， 其优势不仅将表现在监测信息的共享方式，监测信息的相关分析手段，监测 参量的自诊断等方面，而且有望化被动的海量数据分析为主动的关键监测信 息自主挖掘，为桥梁管理养护人员提供更加客观、准确和及时的桥梁安全状 态信息决策依据。 1 4 本文主要内容 光纤光栅可以直接感测温度和应变，针对不同的温度或应变影响，传感 光栅的波长将发生相应的改变，因此，光纤光栅是一种极佳的数字型传感器， 除此，由于光纤光栅传感器可运用于多点串接的分布式测量，问世以来在桥 梁、大坝、大型机械装备结构的健康监测，石油石化、隧道结构的火灾报警 监测，煤矿瓦斯浓度监测等许多领域得到了广泛的应用，已成为最具发展前 途的光纤无缘器件之一。 目前，该技术的解调技术核心部分被西方长期垄断，因此，国内大规模 采用该项技术开展工程应用的实例还很少。武汉理工大学光纤传感技术国家 工程实验室经过多年努力，突破了国外在此领域对光纤解调技术的长期技术 垄断，率先在国内形成了拥有自主知识产权的全套光纤光栅传感及解调监测 技术，与企业合作成功的将该技术实施应用于桥梁、隧道、大坝、煤矿、石 油石化、机械装备等众多领域之中，尤其在桥梁健康安全监测领域，开展了 大量的工程应用，并取得了较佳的应用效果。相比既有使用光纤光栅开展桥 梁健康监测开展的类似研究，本文将循序渐进的开展如下几方面的工作内容， 并以形成示范系统及可用于实际工程的产品为最终研究目标。 各章节构思内容简述如下： 第1 章：首先，客观评述了桥梁安全监测的重要性及频繁发生的桥梁施工、 运营服役过程中的垮塌事故带来的恶劣影响。其次，回顾了国内外光纤传感 技术在桥梁安全监测中的发展历程及现状。同时，为开展基于光纤物联网技 l o 武汉理一r 大学博十学位论文 术的桥梁安全监测研究，本章还对物联网技术的发展情况进行了简介。通过 对既有研究应用水平的分析，本章指出了传统桥梁安全监测存在的若干问题， 并以此引出了光纤物联网桥梁安全监测技术的重要意义。 第2 章：本章内容为后续光纤物联网桥梁安全监测系统的研究提供了比较 参照的基础。围绕既有桥梁安全监测系统，本章首先叙述了系统设计的原则 及系统主要构成。其次，对系统涉及的主要研究内容从传感测试技术，有限 元模型分析，损伤预警及状态评价方法四方面进行了详细的回顾。最后，本 章以晴川桥系杆索力监测系统和武汉长江二桥健康监测系统为例，介绍了上 述两系统各自的系统特点及运行情况，以此为实例展示了既有桥梁安全监测 系统所能发挥的功能及技术深度。 第3 章：本章总结概述了光纤物联网桥梁安全监测在传感单元智能性，监 测系统联网性和决策评价主动性方面所不同于既有桥梁安全监测系统的技术 需求。并从数据采集与传输，数据处理与控制及数据远程传输与控制三方面 提出了光纤物联网桥梁安全监测系统的技术要求。 第4 章：本章针对物联网感知技术的要求，在已有部分研究工作的基础上， 设计了适用于工程的光纤光栅智能索用传感器，并通过工艺改进，提高了传 感器与索钢丝间的传力效果，与电测结果相比该传感器测试性能良好，试制 智能索实索产品不与常规制索工艺相违背，在索厂超张拉力作用下表现出良 好的线性和重复性，达到了设计初衷。此外，基于实索的疲劳荷载试验检验 验证了设计智能索的长期可靠性。为解决桥梁预应力损失监测的技术难点， 本章结合实际工程施工工序的特点，设计了可构成智能钢绞线的三光栅结构， 并通过理论计算推导确定了该类实施工艺传力的可行性。 第5 章：本章主要为光纤物联网技术在实际桥梁工程中的应用情况介绍。 首先，以天兴洲长江大桥为工程背景介绍了光纤物联网概念的安全监测系统 的系统构架和拓扑关系，通过结构及视频安防监测信