华阳特大桥健康监测系统

华阳特大桥健康监测系统同济大学桥梁工程系华阳特大桥健康监测系统初步技术方案同济大学桥梁工程系二零一二年三月目录第1章项目的背景和必要性 11.1工程概况 11.2桥梁健康监测系统 11.3桥梁健康监测系统的主要功能 21.4建立桥梁健康监测系统的目的和意义 3第2章系统设计原则与目标 4第3章设计依据、标准 43.1设计依据 43.2技术标准 53.3设计规范 5第4章监测内容及系统构成 64.1桥梁健康监测内容 64.2监测系统构成 74.3监测系统的拓扑结构 9第5章传感器子系统 105.1传感器子系统的设计原则 105.2传感器的类型、布设及技术要求 105.2.1雨量传感器 105.2.2空气温度计 115.2.3空气湿度计 125.2.4结构温度传感器 125.2.5加速度传感器 135.2.6应变计 145.2.7振弦式应变计 145.2.8静力水准仪 155.2.9位移传感器 165.2.10激光测距仪 165.2.11振动索力计 175.2.12桥传感器汇总 185.2.13传感器布设位置 185.3传感器测点保护 24第6章数据采集和传输子系统 246.1数据采集和传输子系统的总体设计思路 246.2工作站的组成及功能 266.3数据采集单元外围设备 286.3.1机柜 296.3.2工业级控制机柜温度调节机 296.3.3UPS及后备电池 296.4数据传输子系统的设计 306.4.1底层传输网络 306.4.2上层传输网络的设计 31第7章数据处理及管理子系统 317.1数据处理与管理子系统总体要求 317.2数据存储原则 327.3数据库访问控制设计 337.4服务器系统的设计 337.4.1服务器系统总体说明及设计原则 337.4.2服务器系统构成及逻辑拓扑 347.4.3服务器技术参数要求及设备选型 35第8章结构状态评估子系统 358.1桥梁结构状态评估子系统总体设计 368.1.1桥梁结构状态评估子系统总体框架 368.1.2在线评估方法 378.1.3离线评估方法 378.1.4评估成果 388.2预警系统的设计 39第9章软件系统集成设计 409.1业务功能总体框架描述 409.2业务功能总体数据流程描述 419.3数据采集工作站部分数据流程描述 419.3.1工作站参数配置 429.3.2信号调理与转换 429.3.3数字信号处理 439.3.4数据采样 439.3.5采样控制 439.3.6数据本地存储 449.3.7系统自检 459.3.8数据通讯 459.4数据接收和存储服务器 469.4.1数据通讯 469.4.2系统维护及自检 479.4.3人工养护数据录入 479.4.4数据库流程描述 489.5数据处理和评估服务器数据流程描述 499.5.1数据处理 509.5.2在线评估 50第10章系统造价估算 5110.1系统硬件造价 5110.2系统造价估箅 52

第1章项目的背景和必要性工程概况华阳特大桥属于华阳路南延线道路工程项目，跨越潭洲水道。该项目为南北走向，北起佛陈路碧桂花城段，南止于荷岳路，全长3.118km。华阳特大桥位于东平新城核心区，连接陈村与乐从两镇，是连接禅城区与东平新城区的重要纽带。桥址位于灯笼沙洲岛下游344m处，该处潭洲水道分南北两个航道，其中南航道槽较深，航迹线偏于南侧，较为顺直，为其主要航道。桥轴线法线方向与水流主流向的交角为6°。主桥起点桩号为K1+696，终点桩号为K2+082。北侧过渡墩位于R=1800m的平曲线上，南侧过渡墩位于R=1000m的平曲线上，两主墩位于直线段内。纵面主要位于i1=2.3%、i2=-2.5%的凸型曲线(R=3300m，T=79.2m，E=0.95m)上。主桥为双向8车道，左右幅桥面均为2%的正常横坡。主桥分为左右两幅，上部结构采用(109+168+109)m跨PC连续梁，由于左右两幅桥结构相似，所以健康监测系统采用相同布置方式。桥梁总体布置图见图1。图1桥梁总体布置图桥梁健康监测系统桥梁结构健康监测系统，是一个以桥梁结构为平台，应用现代传感技术、通信网络技术和计算机技术，优化组合结构监测、环境监测、交通监测、设备监测、综合报警、信息网络分析处理各功能子系统为一体的综合监测系统。它监测桥梁在各种环境、荷载等因素作用下的结构响应，并能有效地提供桥梁养护管理的科学依据，显著提高桥梁的整体管理水平，从而能够最大限度地确保桥梁安全运营、预诊断桥梁病害和延长桥梁使用寿命。桥梁结构健康监测系统旨在探测结构的性态变化，揭示结构损伤与结构性能劣化。理想的健康监测系统应能在结构损伤出现的较早时期发现损伤，在传感器允许的情况下，结合损伤识别技术确定损伤的位置，评估损伤程度，预测剩余的有效寿命。要实现桥梁结构的健康监测，必须要有完整的桥梁状态信息、科学的安全分析评估手段，这就要求桥梁具有感觉神经与思维判断能力，前者就是能获取桥梁状态的信息采集硬件系统，后者则是数据分析评估的软件系统。其核心内容包括：智能传感元件：需要对桥梁进行监测的主要为风、浪、冰、车辆荷载等的环境量；应力、变形、裂纹、疲劳损伤、反力等的局部量；动力特性和状态反应等的整体量。根据监测量的需要，开发满足稳定性与耐久性、可埋设或表面附着、大规模分布式的传感元件是这一部分的核心内容。数据采集与智能处理：数据采集的主要内容是各种智能传感元件的信号转换接口和采集软件的开发。信号处理的核心内容是提取结构损伤特征信息，充分利用现代信号处理方法，如高阶谱分析、时频分析、小波分析、神经网络等方法，对传感器传输来的信息进行智能处理，通过数据融合理论表征结构特征损伤信息，便于对桥梁结构进行安全与损伤评估。健康诊断与安全评估：健康诊断与安全评估主要包括损伤识别、定位与模型修正和安全评估系统与预警系统。桥梁健康监测系统的主要功能桥梁健康监测系统通常有如下目标：全面获取桥梁运营状况的信息，用来评估结构的安全性、耐久性和使用性；对设计假定和设计荷载进行验证，为完善设计规范提供依据；为桥梁养护、维修和管理的决策提供依据。能够自动实时监测环境条件和桥梁结构的物理及几何状态，如荷载和关键构件的物理特性等，向管理部门传送监测结果的数据和图表，提供定期的在线评估报告；能够跟踪监测结构状态并对桥梁结构的异常反应做出紧急警报；基于实际监测数据评估结构的静力和动力安全性、耐久性和使用性，并对结构异常进行识别，为大桥的维护管理决策提供依据。建立桥梁健康监测系统的目的和意义传统上，对桥梁结构的评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息进行。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。传统检测方式的不足之处主要表现在：需要大量人力、物力并有诸多检查盲点；主观性强，难于量化：经过半个多世纪的发展，虽然桥梁的分析设计与施工技术己日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的；缺少整体性：人工检查以单一构件为对象，只能提供局部的检测和诊断信息，而不能提供整体全面的结构健康检测和评估信息；影响正常交通运行：传统的人工检测需要中断交通或者封闭部分车道从而影响桥上车辆的行驶；周期长，时效性差，在突发事件时不能向决策者和公众提供即时信息。与传统的桥梁检测方法不同，桥梁结构健康监测系统重在诊断可能发生结构损伤或灾难的条件和环境因素，评估结构性能退化的征兆和趋势，以便及时采取养护维修措施。而传统的检测方法重在损伤发生后检查损伤的存在并采取维修加固的手段，因此，桥梁结构健康监测系统的概念具有革命性的变革。随着传感技术的革新和自动远程监控技术的更新换代，桥梁结构健康监测系统正向简单易装、经济可行、持久可靠的方向发展，并己开始成为许多桥梁建设工程的一部分。可见，对于桥梁成桥阶段实际结构在各种不利环境和运营条件下的工作状态和行为，有必要通过建立结构健康监测系统、获取实际结构和桥址环境的各种信息来分析和把握。第2章系统设计原则与目标桥梁健康监测与安全评价系统的设计应遵循以下原则：系统设计应根据结构健康与安全评价的要求、系统的建设规模和造价、结构特点、地理气候环境，建立一个功能齐备、性能完善、经济合理的系统，以确保系统能真正为桥梁的管理、养护提供依据；系统应采用目前世界上最成熟的技术和产品，以确保系统的可靠性和稳定性；系统应采用高精度、高耐久性的产品，以确保系统的精确性和耐久性；系统应采用模块化设计，并对整体设计进行优化，以确保系统的可替换性和经济性；系统设计应具有开放性，以确保系统良好的升级换代能力和远程数据共享及监控功能；系统的传感器数量和设备能力等应具有适度冗余，以确保系统的可靠性，和满足系统未来改进、扩展和完善的需求；系统采用实时监测和人工检测结合的办法，综合两个方面的结果对结构的状态进行综合评估；系统监测和采集的数据量大，系统应提供强大的前处理、后处理功能以便有效地处理、分析和管理这些数据。第3章设计依据、标准设计依据华阳特大桥是华阳路南延（含华阳桥）道路工程第四标段设计施工图；技术标准中华人民共和国交通部标准中华人民共和国邮电部标准中华人民共和国公安部消防安全条例国际电信联盟标准国际电工技术委员会标准美国材料与试验协会标准美国各州公路与运输协会标准日本国家标准英国国家标准设计规范《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)《公路路线设计规范》(JTGD20-2006)《公路勘测细则》(JTG/TCl0-2007)《公路工程水文勘测设计规范》(JTGC30-2002)《公路工程地质勘察规范》(JTJ064-98)《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)《公路桥梁抗震设计细则》JTG/TB02-01-2008《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01-2004)《公路桥涵施工技术规范》(JTJ0412000)《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)《内河通航标准》(GBJ50139-2004)《计算机软件开发规范》(GB/8566)《软件工程术语》(GB/T11457)《计算机软件产品开发编制指南》(GB/8567)《计算机软件配置管理计划规范》(GB/T12505)《中国工程建设标准化协会》(CECS)《国际数据库规范》(IS09001ANSISQL)参考规范及资料：BS5400《钢桥、混凝土桥及结合桥》（英国）AASHTO《美国公路桥梁设计规范》1994（美国）第4章监测内容及系统构成桥梁健康监测内容桥梁健康监测系统监测内容的确定首先考虑桥梁结构形式的特点，针对不同桥型选取不同侧重点的监测内容。另外，从运营期养护维修的角度出发，考虑提供详细必要的数据给养护管理系统，为养护需求、养护措施采用决策提供科学依据，确保结构安全运营，真正做到预防性养护。确定监测内容还需根据监测系统的自身要求来选择适合的监测项目，主要考虑到测试手段的可行性、分析方法的可靠性等因素。桥梁健康监测系统的监测内容在考虑结构形式的基础上，主要考虑以下三方面的因素而定：环境方面；养护管理方面；桥梁易发事故或者病害方面。监测部位的确定，需建立在详细的结构分析结果基础上才能保证其合理性。由于本方案为初步设计，故此处仍为根据经验确定的结构关键监测部位。桥梁的主要监测部位及监测内容如下表所示：序号监测内容监测部位监测方式监测仪器监测目的l雨量跨中桥面实时雨量计气象2空气温度跨中桥面、箱梁内部实时空气温度计环境温度3湿度跨中桥面、箱梁内部实时空气湿度计环境湿度4结构温度跨中断面实时结构温度计温度场分布5结构振动边跨跨中、中跨跨中实时加速度传感器结构动力特性6结构应变跨中、支座断面箱梁实时应变计关键截面应变、弯矩7结构长期应变跨中断面实时振弦式应变计结构长期应变、内力8桥梁静挠度L/8断面实时静力水准仪桥梁变形9桥墩沉降墩顶断面实时静力水准仪桥墩差异沉降10支座位移桥梁支座实时位移计支座变形ll伸缩缝位移伸缩缝实时位移计伸缩缝变形12桥墩纵向位移中跨桥墩实时激光测距仪桥墩相对位移13索力跨中断面实时振动式索力计体外索索力监测系统构成桥梁健康监测与安全评价系统包括数据测量系统和数据管理与分析两大子系统。其中，数据测量系统由传感器子系统和数据采集与传输子系统有机地组成；数据管理与分析系统包括数据处理和管理子系统和结构状态评估子系统。传感器系统将采集各类信号并传输到附近的工作站；工作站根据需要对各类信号进行解调和预处理，并通过传输系统将传感器的信号送到数据处理和管理系统；数据处理和管理系统对数据进行二次预处理（数据的时域、频域和幅值域显示，频度计数等）、结果显示、存档和数据入库等；结构状态评估系统对监测数据进行在线评估（如预警、初步评估等）及离线评估（如模态分析、数据融合、信息提取和挖掘、损伤识别、结构的安全性和耐久性评估）。本系统具有如下特点：具有长期、实时、同步、连续地进行数据采集的能力；具有强大的数据传输、处理、显示、存档和远程共享能力；具有自检、校准、控制功能；具有正常状态评估和突发事件况评估的能力；具有良好的可更换性和升级能力。传感器子系统：采用稳定性和耐久性较好的传感器能够保证对结构温度、加速度、结构动应变、结构长期静应变、桥梁挠度、墩顶沉降、支座位移、伸缩缝位移、索力等量的监测；雨量、空气温度、空气湿度等环境因素的监测；车辆荷载的监测；结构温度场分布特点的监测；各种传感器的耐久性与可更换性研究。数据采集和传输子系统：数据采集和传输系统总体设计；各类信号采集、处理方法研究；数据采集的控制、同步和集成化研究；系统可靠性措施研究；基于无线网络和因特网的分布式桥梁监控系统研究。数据处理及管理子系统数据处理及控制系统总体设计；数据管理、显示和控制方法研究。结构状态评估子系统反映结构状态的特征参数确定及其提取方法研究；状态参数指标的阂值与预警机制研究；结构健康评估（安全评价）系统总体设计；损伤指标、性能指标体系的建立，损伤指标、性能指标与桥梁结构健康状态之间的关系研究；健康监测数值分析模型的建立与修正；在线监测报告生成子系统的开发；利用评估系统对大桥的日常维护和运营管理提供依据和指导性建议的研究。监测系统的拓扑结构经过方案比选，我方选择数字微波的方式进行传输，整个监测网络的拓扑结构图如图1所示。图1监测系统网络拓扑结构图第5章传感器子系统传感器子系统的设计原则对结构构件进行重要性、危险性和易损性评级，将该评级结果作为传感器布置的参考指标；对特殊、重要部位进行重点监测，以分析、计算、评估重要构件的工作状态，并预测其它构件的内力分布和变化；根据结构整体损伤检测与局部损伤检测的要求，一些传感器用于整体损伤检测，另一些用于局部损伤诊断；利用尽可能少的传感器获取结构状态评估所需要的全面、精确的结构参数信息；对于结构中的易损和多病害构件的状况进行监测和评估。传感器的类型、布设及技术要求桥梁健康监测系统采用的传感器类型包括：雨量传感器、空气温度传感器、湿度传感器、结构温度传感器、加速度传感器、应变计、振弦式应变计、振动索力计、静力水准仪、位移传感器。以下传感器布置为单幅桥布置数量，另一幅桥梁中除雨量传感器、空气温度传感、湿度传感器布设数量不同外，其余均相同。雨量传感器雨量传感器主要是通过对雨量的监测来达到对拉索发生风雨振时的环境条件进行定量的描述，以便能够结合其他环境因素的监测量对拉索发生风雨振的规律和机理进行分析。雨量传感器要求有良好的耐久性和测量精度，能够对环境下雨状况有非常精确的测量，初步拟定在下述位置安装传感器。设置部位采集方法数量跨中断面实时监测1合计1技术要求如下表：项目技术要求测量范围0-4mm/min分辨率0.lmm误差±0.2mm环境温度-0°Cto+50℃相对湿度0-95%空气温度计大气温度变化是桥梁的重要荷载源之一，会引起结构变形和桥梁挠度的改变，应进行监测，采用空气温度计对大气温度进行监测。拟在桥面跨中部位、箱梁内分别布设空气温度传感器，其具体布设如下表所示。设置部位采集方法数量梁部中跨跨中及边跨跨中箱梁实时监测3桥面中跨跨中实时监测l合计4技术要求如下表：项目技术要求测量范围-50℃～+50℃（空气温度）精度±2%工作电压SV输出信号电流信号：4～20mA使用寿命≥10年空气湿度计大气相对湿度变化是影响桥梁结构状态特性的环境影响因素之一，对其进行相应的监测对于准确地评估桥梁结构的状态特性是非常必要的。拟在桥面跨中部位布设空气湿度传感器，其具体布设如下表所示。设置部位采集方法数量桥面中跨跨中实时监测1合计1技术要求如下表：项目技术要求测量范围1～100%RH（相对湿度）精度±2%工作电压SV输出信号电流信号：4～20mA工作温度-400C～800℃使用寿命≥10年结构温度传感器结构温度变化是桥梁的重要荷载源之一，结构温度监测能了解桥梁主要构件的温度及温度梯度情况，为分析结构的应力和疲劳提供依据，并用于结构状态参数的相关分析。结构温度传感器应具有良好的测量精度和耐久性，对结构温度的监测应是连续监测。其主要布设位置和数量分别如下：设置部位采集方法数量中跨跨中断面实时监测10边跨跨中断面实时监测20合计30技术要求如下表：项目技术要求测量范围-30℃～+80℃分辨率0.01℃精度±0.5℃使用寿命≥15年加速度传感器通过实时监测主梁等在交通、环境荷载等作用下的加速度响应，以评估结构的整体动力特性，为评价结构的结构健康与安全状况。依据相应的结构分析的结果，拟在以下位置安装结构加速度传感器。设置部位采集方法数量中跨跨中竖向实时监测2中跨跨中横向实时监测2边跨跨中竖向实时监测4边跨跨中横向实时监测4合计12技术要求如下表：项目技术要求测量范围士2g灵敏度士5V/g频率响应范围DC-120Hz动态范围>120dB线性度<1%零位漂移<500Xl0-6g/℃噪声≤10-6g环境温度-25℃to+65℃相对湿度0-90%使用寿命≥10年应变计通过实时监测在交通荷载、环境荷载作用下桥梁重要混凝土构件和钢构件的应变、应力情况，为评价结构工作状态提供相应的依据。初步拟对以下部件位置进行应力监测。设置部位采集方法数量中跨跨中实时监测12边跨跨中实时监测24合计36技术要求如下表：项目技术参数硬件构造表面焊接式应变计，温度自补偿功能测量范围>3000με分辨率lμε精度±0.1%满量程线圈阻抗120或240Ω激励电压2～10V疲劳寿命在±2400με时106循环工作环境温度：-10℃～60℃相对湿度：98%振弦式应变计通过实时监测在交通荷载、环境荷载作用下桥梁构件的静态应变、应力情况，为评价结构工作状态提供相应的依据。初步拟对以下部件位置进行应力监测。设置部位采集方法数量中跨跨中实时监测12边跨跨中实时监测24边跨、中跨1/4跨位置实时监测24合计60技术要求如下表：项目技术参数硬件构造表面焊接式应变计，温度自补偿功能测量范围>3000με分辨率1με精度±0.1%满量程线圈阻抗100或150Ω振弦热系数11ppm/℃绝缘电阻5×l012Ω激励电压2～15V疲劳寿命在士2400με时106循环工作环境温度：-10℃～60℃相对湿度：98%静力水准仪通过布设静力水准仪对桥墩的差异沉降进行观测，基于此对结构的受力状态做进一步的评估，其主要的监测部位如下表所示。设置部位采集方法数量桥梁墩台实时监测4中跨、边跨、跨中实时监测3边跨、中跨1/4跨位置实时监测6中跨1/8跨位置实时监测4合计17技术要求如下表：项目技术要求测量范围50mm分辨率0.01mm长期零飘<0.5%F.S./年温度系数<0.05%F.S./℃环境温度-25℃to+65℃位移传感器支座是桥梁结构的最重要构件之一，而支座位移则是直观评价支座以及大桥状态的重要参数，是必须监测的内容，本系统采用直线位移传感器连续监测大桥的支座位移。设置部位采集方法数量支座实时监测4伸缩缝实时监测4合计8技术要求如下表：项目技术要求量程250mm精度±0.1‰F.S.温度补偿形式自补偿使用温度-30℃～85℃激光测距仪桥墩相对位移是桥梁健康监测的重要内容，通过激光测距仪可以精确的测出桥墩相对位移，达到监测目的。激光测距仪主要由激光调制及发射模块、回波接收模块、接收及鉴相系统等组成。发射器发出经过调制的激光，经被测物反射后返回，返回光与测量光相比产生了相移△Φ，通过测量此相移，间接测出激光在测量点与目标间的往返时间，然后根据光速，求出待测距离D=(c×△Φ)/4πf。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。设置部位采集方法数量13#墩实时监测l合计1技术要求如下表：项目技术要求激光输出功率<lmW测量范围10cm-200m测量精度+2mm典型测量时间<ls最大测量时间4s振动索力计华阳特大桥主桥中跨段有体外索的存在，而索力是评价体外索状态的重要参数。系统采用加速度传感器连续监测，通过加速度传感器使用振动法测量索力能够较准确地测量出体外索索力，从而达到实时掌握索力情况，为评估桥梁的工作状况提供依据。其主要设置部位如下表设置部位采集方法数量跨中体外索实时监测4合计4技术要求如下表：项目技术要求测量范围士2g灵敏度士1.25V/g频率响应范围DC-120Hz动态范围>120dB线性度<1%零位漂移<500×l0-6g/℃噪声≤10-6g环境温度-25℃to+65℃相对湿度0-90%使用寿命≥10年桥传感器汇总编号名称单位数量单幅桥另一幅1雨量传感器个l2空气温度传感器个433空气湿度传感器个l4结构温度传感器个30305加速度传感器个12126应变传感器个36367振弦式应变计个60608静力水准仪个17179位移传感器个8810激光测距仪套l111振动索力计个44总计个345传感器布设位置该桥左右近乎对称，所以除了桥面的雨量计、空气湿度、温度计只在西幅桥跨中布置外，两幅桥传感器采取对称布置。对重要截面从北至南依次定义为1至7号截面。其中截面1与截面7，截面2与截面6，截面3与截面5传感器布置相同。另外边跨和中跨的1/4跨截面和中跨的1/8跨截面也布设传感器。所有1/4跨截面传感器布设相同，所有1/8跨截面传感器布设也相同。所以此处只描述单幅桥的1、2、3、4截面，典型的1/4跨和1/8跨截面的传感器布置，其他截面不再赘述。传感器布设示意图如下：图2华阳特大桥传感器布设示意图图3截面1传感器布设示意图图4截面2水准仪、温度传感器、纵向应变传感器布置图图5截面2结构温度、竖向应变、横向应变传感器布置图图6截面2加速度传感器布置图图7截面3传感器布置图图8截面4水准仪、温度、湿度、纵向应变传感器布置图图9截面4结构温度、加速度传感器布置图图10截面4加速度传感器、振动索力计布置图图12中跨、边跨1/4跨位置传感器布置图13中跨1/8跨截面传感器布置图14中跨桥墩激光测距仪布置图传感器测点保护为了防止环境和人为对传感器的不良影响，对每个传感器都采用了不锈钢保护盒进行保护，同时为了增加施工、维护的可操作性和灵活性，采用可拆卸的底座螺钉固定保护盒的方式安装，安装示意如下图11所示。图11保护盒安装示意图对于保护盒安装底座，砼箱梁可采用膨胀螺栓的方式固定，每个底座4～6个点。第6章数据采集和传输子系统数据采集和传输子系统的总体设计思路依托先进的数据采集、自动控制、网络传输与通信技术，采用有关国际组织和国际产业部门认可的标准和通信协议，为桥梁健康监测系统建立一个技术先进、功能完善、安全可靠的数据采集和传输系统。所需采集的数据类型监测内容传感器信号调理器输出特性接口类型雨量温度传感器应变仪数字信号10M以太网空气温度温度传感器应变仪数字信号10M以太网空气湿度温度传感器应变仪数字信号10M以太网结构温度温度传感器应变仪数字信号10M以太网结构加速度加速度传感器动态数据采集仪模拟信号10M以太网结构应变应变计应变仪模拟信号10M以太网体外索索力振动索力计动态数据采集仪模拟信号10M以太网桥墩沉降、跨中挠度静力水准仪自带处理器数字信号RS232或RS485伸缩缝位移、支座位移位移计自带处理器数字信号RS232或RS485桥墩位移激光测距仪自带处理器数字信号RS232或RS485结构长期应变振弦式应变计自带处理器数字信号RS232或RS485数据采集节点由于各监测项目的传感器分散布设在不同桥梁段，为了便于数据传输，需要在传感器相对集中的断面上设置适当的数据采集汇聚节点。本方案初步考虑在每幅桥13#墩顶位置处设立1个数据采集节点。27数据采集制度依据健康监测系统总体设计思想和桥梁的结构特性，对于各种传感器拟定采用如下的采样制度。传感器类型采集数据项单位采样频率采集方式雨量传感器降雨量mm/h1次/分全天空气温度传感器温度℃1次/分全天空气湿度传感器相对湿度RH%1次/分全天结构温度传感器温度℃1次/分全天加速度传感器应变Mm/SZ50次/秒全天应变计应变με50次/秒全天振弦式应变计应变με1次/30分全天静力水准仪倾角mm1次/30分全天位移传感器位移mm1次/30分全天激光测距仪位移mm1次/30分全天振动式索力加速度m/s250次/秒全天可以根据用户需要调整采样制度，同时对于突发事件时应增大采样频率。工作站的组成及功能桥梁健康监测系统所包含的传感器种类多、分布广，为防止长距离传输造成的信号失真，同时又不大量增加工作站的数量，采用美国NI公司的PXI做为桥梁现场的数据采集站。图12工作站示意图基于PXI工作站并结合SCXI信号调理模块完成对各种不同的响应信号的调理和采集，其好处在于不需要进行系统的时间同步等设置。工作站名位置数量STl西幅桥13#墩墩顶1ST2东幅桥14#墩墩顶1工作站的功能包括：（1）信号采集本系统传感器输出的信号类型包括：模拟电压；RS232/485；本系统工作站能针对不同的输出信号，采用相应的信号采集方式。（2）信号调理传感器工作站将对从传感器采集到的信号进行预处理，利用包括数字滤波、识别等信号处理技术，滤除信号的噪声和寄生频率信号，提高信号的可靠性和可信度。信号调理的总体技术要求：信号调理装置应该包括传感器所需的电源，并可程控设置。应该包括适合所使用场合环境条件、维护要求和可靠性要求的接线端子；信号调理装置应能适应所有可能的信号强度，并能在工作站控制下对每个通道进行自动量程设置或切换；每个传感器通道应包括程控滤波器，并能在工作站控制下实现自适应抗混滤波或抗噪滤波的功能；每个信号调理通道必须在前向传感器输入和后向工作站之间起到隔离保护作用，同一工作站中不同信号调理通道之间的噪声隔离作用不低于120dB;所有主要的选件、选项或设置应采用模块化、程控化设计，模块替换、选项变更和参数重新设定后应保证通道性能稳定，响应时间不能影响数据采集工作；针对不同的输出信号，研究其相应的信号调理方式。需要信号调理模块包括：低频模拟信号调理(SCXI模块)：对采样频率小于SHz的模拟信号，采用高精度准静态测量的采集设备，输入通道的同步采样带宽大于DC～8kHz;各通道模/数转换分辨率16位，并应具有抗混、降噪滤波器.针对每个模拟输入通道提供在线和测试状态下的工况显示信息（信号电平、满度等），以确保安装和维护的方便；②动态模拟信号调理（动态传感器SCXI模块）：对采样速率大于SHz的动态信号，使用高精度动态信号采集设备，输入通道最小带宽为DC-45kHz。模块基于SCXI标准，与PXI/SCX1实时控制器及信号调理系统规范相兼容；模拟信号由16位分辨率的A/D卡采集，同步采样的速率可通过软件编程实现；所有通道应经过静态、动态校正，并且提供用户定期检验与校正的相应方法。（3）数据存储系统工作站PXI单元具有CPU、RAM及硬盘存储器，可编程，对于经信号调理后的各传感器采集数值进行存储在本地硬盘并实时传输，（4）数据通讯系统工作站通过数字微波系统实现与在公路管理处内的服务器之间的通讯。数据采集单元外围设备为确保数据现场采集单元稳定持久地正常运行，必须为数据采集工作站设计专门的机柜及其环境控制系统。另外，为了防止停电等故障对数据采集单元的影响，还需安装UPS电源。机柜根据现场情况设计并定制专用数据采集单元机柜。工业级控制机柜温度调节机主要技术参数如下：工作环境：最高工作温度可达680C，相对湿度：0～98%；安装形式：璧挂式；制冷量(W)：1000；电源：单相220V50/60Hz；额定电流(A)：4.8；额定功率(W)：880；内部空气循环量(m3/h)：330；控制功能：可设置高低阂值，当机箱温度低于设定值时停止制冷；当机箱温度高于设定值时开始制冷；通讯功能：RS232接口，可实现远程监控和报警；温度控制范围：0–45℃；制冷剂：R134a、0.4kg；噪音：65dB；外形尺寸：420x700x250；重量：41kg;使用寿命≥10年；UPS及后备电池主要技术参数如下：制式：PWM脉宽调制；输入电压：AC220V+15%，50Hz+10；输出电压：单相220V+10/，50Hz+0.2%；输出功率：lKVA；输出波形：纯净正弦波；谐波失真：线性负载≤3%、非线性负载<5%；蓄电池供电时间：适用于3个小时以上放电；蓄电池寿命：10年，免维护；全在线式高频UPS，带有电压调整电路，可提供稳定的电源保护；通信接口：RS232、可实现远程监控；管理软件：Power-Pac；有效功率校正功能：P.F.≥0.95；平均无故障工作时间：≥50000小时；超载能力：负载在115%以内可正常工作，150%维持30秒，大于150%立即转旁路或关机；工作环境：温度：O℃～40℃，相对湿度：20～90%；使用寿命≥10年；数据传输子系统的设计数据传输子系统包括传感器与工作站之间的底层传输网络及工作站与服务器间的上层传输网络系统两部分组成。底层传输网络1）底层传输网络的功能连接传感器与专用数字化调制解调仪；连接专用调制解调仪与工作站；连接传感器与工作站。2）底层传输网络的构成包括由各类传感器生产厂家提供的传输电缆及相关接口，所用连接方式如下表：表1底层传输网络连接形式表区间信号类型接线接口传感器与专用数字化调制解调仪模拟多芯屏蔽电缆、同轴电缆插接专用调制解调仪与工作站数字通信电缆RS232/485传感器与工作站模拟多芯屏蔽电缆、同轴电缆插接上层传输网络的设计上层网络构成根据桥梁健康监测系统的总体设计，桥梁现场工作站通过通讯光纤系统与位于管理署的数据服务器相连接。桥梁现场工作站通过各种采集模块将各类传感器监测数据汇集，然后通过通讯光纤将数据无阻塞上传到监控中心的数据接收和存储服务器，在管理署的工作站均可从数据服务器获取实时的监测数据，我方可通过远端FTP服务器的方式获得监测数据。第7章数据处理及管理子系统桥梁健康监测系统将采用l台数据服务器完成对现场2台工作站采集到的数据的实时传输、存储和数据库服务，另1台数据处理服务器完成监测数据的处理和结构状态的在线评估，同时1台磁盘阵列用于存储监测数据。数据处理与管理子系统总体要求（1）数据处理和管理系统管理工作站进行数据采集的工作；（2）所有数据采集、数据传输均由工作站承担，所有数据的处理则由数据处理和管理服务器承担；（3）数据处理和管理系统管理多个动态数据库，长期监测数据库用于存储原始数据；健康状态数据库用于存储处理数据。（4）数据库具有良好的开放性，日常定期检测数据纳入整个数据库系统。（5）原始数据在动态数据库中至少保存90天，预处理结果在动态数据库中至少保存1年。（6）以上数据需定期存档、备份，以保持数据连续性；（7）授权用户可以通过结构评估服务器访问各个动态数据库。各类传感器信号的采样频率以及每小时采集的数据量为：传感器类型通道数采样频率小时数据量(Kb)雨量传感器l1次/分0.12空气温度传感器71次/分0.84空气湿度传感器l1次/分0.12结构温度传感器601次/分7.2加速度传感器2450次/秒8640应变计7250次/秒25920振弦式应变计721次/30分0.288静力水准仪141次/30分0.056位移传感器181次/30分0.072激光测距仪21次/30分0.008振动索力计850次/秒2880合计37448.704数据存储原则（1）数据存储分为两个操作模式：系统自动保存和人为选择保存；（2）原始采样数据以二进制文件存储，文件名中包含工作站、传感器、采样时间和长度等检索信息，尽量减小历史数据所占用的空间。（3）用户可以在数据处理和评估服务器上通过数据管理与评估软件观察原始数据，并选择参数进行各种实时处理，并保存感兴趣的处理结果。或者将原始数据转换并存储成其它格式的文件。数据库访问控制设计该模块可以对桥梁的传感器数据进行在线实时显示，在专门设计的用户界面上，可以看到所有传感器的工作情况，按照所见即所得的原则，直接点击某个传感器的图标，就可以进入该传感器信号的显示界面，对其响应曲线进行观察，而且能够方便地得到该传感器数据每天、每周、每月或每年的统计资料。利用结构分析工具箱可以进行在线参数或结构分析。进而对桥梁管理的决策提供建议与帮助。并且提供多线索查询手段，比如时段、结构区域、传感器类别、检查维修记录等。数据库访问设有三个访问级别：最高权限用户、次高权限用户、最低权限用户，最高权限用户的最大特点就是可以设定和修改系统参数数据库的各种参数，包括：传感器的校准数据、传感器采样参数、数据存储参数、实时预警阀值、系统分析参数、基本结果参数。服务器系统的设计服务器系统总体说明及设计原则本系统希望建成一个高效、可靠、安全、运行稳定、易于维护的服务器环境，以支持整个项目的可靠运行，确保数据的安全性。整个健康监测系统会产生大量的并发不间断的数据流，因此将整个服务器系统分为：数据接收和存储服务器、数据处理和评估服务器两个部分。考虑到有大量数据需要存储及备份，另外建立独立的存储系统，系统内的主要服务器将共享存储系统中的磁盘阵列。（1）系统服务器的选配原则：目前国际上经验证使用性能最为可靠者；可更换性或可连续采集性；使用功能预留原则；性价比。（2）服务器功能：管理网络上各个工作站的通讯；控制各个工作站各类参数设置；实时采集、处理各个工作站上传的数据；数据分析计算；结构预警；管理存储所有数据（包括图象信息）；实时显示各传感器的工作状态、处理后的时程曲线及结构几何动态模型。服务器系统构成及逻辑拓扑主机系统的构成主机系统分为：数据接收和存储服务器、数据处理和评估服务器2个部分，以便合理分工运行，充分发挥每个独立系统服务器的最大效能。数据接收和存储服务器在此部分服务器的主要功能为接收底层工作站传输的数据，并做简单的数据处理并将数据存储到相应的公共存储介质中。数据处理和评估服务器该服务器的主要功能是对于结构健康监测系统得到的数据先进行相应的处理和结构状态评估，并提供对监测数据和评估结构的数据库的管理。数据备份系统的构成整个系统将产生大量重要数据，而这些数据都要求进行一定时间的保存及存档。考虑到数据量的规模及数据保护的重要性，故考虑建立磁盘阵列，所有服务器将共享网络磁盘阵列进行存储。服务器技术参数要求及设备选型服务器设备选型及技术参数服务器的主要技术参数如下：处理器：英特尔®至强®四核处理器2.03GHz;内置高速缓存：8MB(lx8MB)三级高速缓存；内存：12GB(6x2GB)标配内存，可扩展至144GB；主硬盘：250G10KSAS2.5双端口热插拔；网络控制器：集成4个1000Mbps口，支持网卡冗余和负载均衡技术；电源：460W热插拔电源，支持N+l冗余双电源；光驱：52x最大可变速，DVD/CD-RW-体化；显卡：集成8M显存；监控管理功能：集成服务器管理模块，监控电压，风扇转速，CPU温度，网络远程管理等功能；光路诊断技术，可以自动识别系统部件的故障并报警；支持操作系统：Windowsserver2003;数据存储系统技术参数为确保数据的安全性和满足海量存储的需求，系统内建立网络磁盘阵列。磁盘阵列要求如下：容量：1TB～2TB硬盘转速：10000转/秒初步拟选磁盘阵列：FAST700；7X146G硬盘10K转；第8章结构状态评估子系统桥梁结构状态评估子系统总体设计桥梁结构状态评估子系统总体框架桥梁结构状态评估系统是桥梁健康监测系统的核心，为使桥梁健康监测系统真正地服务于桥梁的运营管理，为桥梁的养护维修提供科学依据，本健康监测评估系统密切结合桥梁的管养要求，力求做到“预测性维护、评估式维护”，对桥梁的健康状况以及可能的发展趋势有清晰的了解，对桥梁构件的不正常表现做出即时诊断并找出其根源，及早发现灾难性破坏的隐患，以便能采取措施加以消除或最低程度对其进行控制和延缓。结构健康状态评估系统分为在线评估和离线评估两部分。在线评估主要对实时采集的监测数据进行基本的统计分析、趋势分析，并与其阀值比对，给出结构的初步安全状态评估。离线评估又可以细分为定期评估和紧急评估两个子部，在线实时预警后应该立即启动紧急评估。对于在线评估和离线评估从层次上讲可以分为结构、部件、构件、逻辑组和传感器等五个层次。其评估层次示意图如下：图17评估层次划分结构状态评估根据本系统采集的数据、人工检查养护系统的信息，通过在线评估和离线评估，完成结构状况预警、月度报告、正常状态评估报告（年度报告）、突发事件评估报告的功能，以便对大桥的安全性、耐久性、使用性给出定性或定量的评判。大桥管理者可以根据以上报告结论，通过专家的评估与决策，给出养护维修的指导意见。在线评估方法现有的结构综合评估方法主要有层次分析法、专家打分法、权重加和方法、模糊数学理论、神经网络、遗传算法、可靠度理论、灰色理论、模糊神经网络等几种，虽然各种方法均能在一定程度上对结构的状况进行评估，但对于从结构构件到结构部件再到结构整体的性能评估都没有取得很好的解决方法，因为在这个转变的过程中不仅需要有合理的评估方法进行评估，而且更加需要依据有限元模型的大量正向模拟计算和分析。由于在线评估需要进行快速实时评估，其应该只需要进行简单的计算就能得到较为合理的评估结果，因此拟在进行在线结构评估时可以采用将系统的使用性、安全性和耐久性等三个问题区分开来，对于不同的问题建议分别采用不同的评估方法进行分析，如对于结构的使用性问题则可以采用层次分析法、模糊神经网络、模糊推理机、综合权重方法等，而结构的安全性问题和耐久性则建议采用最大-最小、最小-最大、可靠度理论（结合Bayse分析）等方法进行。采用这种评估方法的可能的结果是当结构整体处于完好状态时，结构的使用性、安全性和耐久性评估结果能够维持在一个较高的水准上；当结构出现构件层次的安全或者耐久性问题时结构使用性评估结果可能仍将维持在一个较高的水准上，而此时的安全性和耐久性的评估结果则会出现较大程度的下滑；当部件层次出现安全性和耐久性问题时结构的使用性、安全性和耐久性评估结果均表现为较大程度的下滑。这样将结构的使用性、安全性和耐久性三者分开来分析的优点在于能够在结构构件出现微小损伤或者破坏时及时提醒监测人员进行相应的维修或者加固，避免病害的进一步扩大，从长远来看能够减小养护管理费用。同时使用性能的评估结果可以表明结构是否能够继续有效运营。同样也可能结构的安全性和耐久性没有出现问题，而结构的使用性却受到极大的影响的情况。在线评估的结果必须提供结构的使用性、安全性和耐久性等三个方面的报告。离线评估方法离线评估应以安全性（损伤诊断）、使用性（维护管理状态评估）和耐久性评估等三个方面分别进行，基于五号沟泵站的结构特点及监测项目，结合各种评估方法的发展水平，拟在离线评估中采用如下的结构状态评估方法：1)趋势分析方法；2）相似类比方法；3）累计变化及剩余寿命评估方法；4)局部损伤评估方法等；5）养护管理评估方法；6）模型对比方法；7）动静结合方法；8）可靠度评估方法。评估成果1）在线评估的成果在线评估的成果主要包括有以下几个方面：①提供结构监测的实时评估结果以及月、季度和年的自动报告；②监测系统自身运营的完好性报告；⑧结构预警事件的综合报告；④结构传感器测点处、逻辑组、构件、部件和整体结构的评估结果；⑤养护管理建议；2）离线评估的成果离线评估中分为定期评估和紧急评估两部分，这两部分分别具有以下几个方面的成果。定期评估方面的成果：提供结构状态的年度报告；系统运营状态的评估报告；各种监测数据及其导出量的统计值及其趋势分析；在线各种统计量的预警阂值的更新；结构传感器测点处、逻辑组、构件、部件和整体结构的评估结果；养护管理建议；紧急评估的成果应该有：事件发生的原因判断，外部环境变化还是结构自身发生改变；结构状态在损伤前后是否发生改变；结构损伤诊断结果；结构安全性评估结果；维修加固建议。预警系统的设计预警系统分为初级预警及结构预警两部分。1）初级预警模块结构性预警设置在控制中心内的数据处理服务器内。当传感器发出异常讯号时（异常信号的判别基于模型比对的结果），自动启动初级预警程序。传感器发出异常讯号一般有以下几种原因：传感器或传感器调制解调仪或者信号调理器失效；线路传输噪声（无线信号干扰、大功率机器开停时的磁场等）；结构受损。初级预警程序能识别判断并排除结构受损以外的其他因素。初级预警流程如下：讯号异常（比对）→加大采样频率及时段→讯号异常→工作站内系统自检→讯号异常→预警，通过工作站与传感器集成程序向数据通讯模块发出讯号优先传输指令，指示服务器启动预警。2）结构预警模块结构性预警设置在控制中心内的数据处理服务器内。根据多级损伤与预警策略，首先要求对桥梁整体性及某些预置参数进行实时监测和在线评估，当发现在一定时间间隔内（一小时）发生两次初级预警时，结构性预警自动启动，并根据其它监控系统及人工特殊检查信息，确定是否启动离线评估，以进一步确定结构的健康状态，并根据系统预置值，决定是否需要进行现场特殊检查或交通控制。对所有预警过程，均需录入事件记录文档，进入预警事件数据库。对结构有较大影响的事件，应形成特殊事件检测和评估报告。对于预警阈值的设定主要有两种方法：1）系统的初始运营期间通过设计、经验设定相应的阂值限，进行系统初始阶段的预警；2）待系统成功运营一段时间后，积累了大量的监测数据可以基于实际监测的数据结合统计方法设定相应的超越概率意义上的阂值限。共分为两级预警：一级预警为橙色预警，其表现为结构的测量已经超出了结构的正常使用状态时，表明结构出现了一定的异常信息；第二级预警为红色预警，其表现为结构的测量量已经超出了结构的安全界限预警值，会影响结构的安全性。两中预警级别均需启动相应的后续措施，第一级预警需要监测人员在确认后提交紧急评估数据库，请相关专业人员对结构的状态进行现场确认，第二级预警需要监测人员在确认后启动紧急预案，如封闭交通、紧急成立评估专家组等。预警阈值的设定需要依据不同的结构状态评估指标进行，由于部分结构状态特征指标会受到结构所处的环境因素的影响，需要考虑这些因素的影响从而需要采用随环境因素而改变的变化的环境阂值。第9章软件系统集成设计软件系统开发的基本流程如图13所示，按照需求专总体设计专概要设计专详细设计专编码，逐步展开、细化，本初步设计软件设计的目标是明确基本功能和实现方法，故编写至总体设计深度，以下分别按业务功能需求描述和软件系统划分与设计展开描述。图13软件系统开发基本流程图业务功能总体框架描述按照系统的基本框架及系统物理分布情况，将健康监测系统划分为五大模块：模块1：传感器系统，以下简称SS;模块2：工作站系统，以下简称DAS;模块3：数据接收和存储系统，以下简称DRS;模块4：数据处理和评估系统，以下简称DPA;其中数据接收和存储系统负责接收远端的不同现场工作站的数据并将其存入动态数据库和存储的磁盘介质。数据处理和评估系统负责对动态数据库中的数据进行处理并对结构的状态进行评估。业务功能总体数据流程描述根据业务功能所处的物理位置的不同，将系统总体流程划分为五部分，各部分主要功能如下表所示。编号该部分名称业务功能Pl数据采集工作站(DAU)工作站参数设置、信号调理与转换、数字信号处理、数据采样、采样控制、数据本地存储、工作站系统自检、DAU端数据通讯P2数据接收和存储系统(DRS)DRS端数据通讯、数据显示、数据存储、系统维护及自检P3数据处理和评估系统(DRS)数据处理、在线评估、系统维护及自检数据采集工作站部分数据流程描述数据采集工作站位于桥梁箱梁内，一端与传感器系统(SS)相连，一端通过数字微波网络与管理机房内的数据接收和存储服务器(DRS)相连。其输入输出数据可以用下表描述。数据采集工作站内的主要业务功能模块及其功能描述如下表所述。编号输入输出类型数据描述INP1输入固定布置传感器的实时监测信号，临时布置传感器的实时监测信号；DRS传送至本DAU的控制信号和参数OUTP1输出与本DAU相连的各类传感器产生的原始监测数据、一定时间段内的监测数据文件、本DAU中设备状态标识以下分别描述数据采集工作站的各个业务功能。工作站参数配置工作站参数配置的数据流程可以用下图来描述。图14工作站参数配置数据流程图本功能主要维护管理工作站内的各项参数。工作站参数可以通过数据通讯模块，由DRS或者SMC来维护设置。信号调理与转换工作站信号调理与转换的数据流程可以用下图来描述。图15信号调理与转换数据流程图上图中，传感器指与DAU相连的固定设置传感器和临时设置传感器。该业务功能针对不同类型的传感器有不同的调理方法。数字信号处理数字信号处理的数据流程可以用下图描述。图16数字信号处理数据流程图该业务功能针对不同类型的传感器有不同的数字信号运算方法。数据采样数据采样的数据流程可以用下图来描述。图17数据采样数据流程图数据采样的目的是获取并记录传感器的监测数值。采样控制采样控制的数据流程可以用下图来描述。图18采样控制数据流程图采样控制使用了数据预处理和数据比对的功能，这与后面将要描述的服务器端在线评估中的初级预警的功能是类似的，但是两者的目的不同，在工作站中的采样控制是为了实现采样数据的完整性，以避免在数字微波网络断开的情况下（DAU到DRS的数据通讯失效），遇到异常数据而未采取措施，少采集必要的监