基于健康监测数据的桥梁安全性能评价体系研究现状

xx现代远程教育专科实习报告题目基于健康监测数据侧桥梁安全性能评价体系研究现状中文摘要随着桥梁科学技术的发展，基于健康监测数据的桥梁安全性能评价体系逐渐得到广泛的应用。本文主要对基于健康监测数据的桥梁安全性能评价体系的研究现状进行总结，发现海量数据的处理一直是摆在桥梁管理者和桥梁专家面前悬而未解或没有很好解决的课题。国内上百座的大型桥梁都安装了结构健康监测系统，但由于缺乏必要的数据甄别，从而导致数据泛滥、重要数据被淹没或预警系统难以达到要求甚至出现错误等现象，严重影响监测系统运行和使用。在桥梁健康监测系统的发展期，由于当时我国正处于交通及大型桥梁建设的高潮时期，这一时代背景为我们提供了历史契机，桥梁结构的健康监测技术得到了较快的发展并取得了显著的成绩。关键词：桥梁；健康监测；安全；评价；

目录引言 引言我国的健康监测系统的研究及实施是从上世纪90年代后期开始。由于我国正处于交通及大型桥梁建设的高潮时期，这一时代背景为我们提供了历史契机，桥梁结构的健康监测技术得到了较快的发展并取得了显著的成绩。据不完全统计已经有60多座桥梁建立了健康监测系统，还有大量桥梁健康监测系统正在设计规划中。早期的健康监测系统主要集中在香港、上海、江苏和重庆等经济发达地区，最有代表性的要属香港在青马管制区的三座大桥(青马大桥、汲水门桥和汀九桥)上建立的风及结构健康监测系统(WindAndStructuralHealthMonitoringSystem(WASHMS))，这是世界上最早的综合监测系统之一。三座桥上安装的传感器系统，涉及了风速仪、加速度计、温度传感器、应变计、全球定位系统(GPS)、位移传感器、水准检测站等七类传感器共700多个。自系统开始运行到现在的十多年来，香港路政署和香港理工大学等展开对青马大桥等监测数据的分析与研究、香港科技大学展开对汲水门桥监测数据的分析、香港大学展开对汀九桥监测数据的研究。目前，已经将系统成功的经验用于深圳西部通道（香港侧）和昂船洲大桥（跨径1018m，2009年，世界第二长斜拉桥）的结构健康监测系统设计中。随着我国各地经济及桥梁建设的高速发展，结构健康监测的理论方法和工程应用的研究已初具规模，而且扩展了到了全国各地，包括徐浦大桥、江阴大桥、润扬大桥、东海大桥、洞庭湖大桥、虎门大桥、大佛寺长江大桥、南京长江大桥、钱江四桥和文晖大桥在内的多座桥梁已经建立了健康监测系统。我国的独特机遇在于没有过多传统系统的负担，可以直接采用最新的科技，而且已经取得了许多可喜的成果与进展。

1健康监测的概念、目的及意义1.1概念Housner(1997)等人首先将结构健康监测定义为：一种从营运状态的结构中获取并处理数据，评估结构的主要性能指标(如可靠性、耐久性等)的有效方法。桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁营运状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统对以下几个方面进行监控：桥梁结构在正常环境与交通条件下营运的物理与力学状态；桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施(如振动控制元件)的工作状态；结构构件耐久性；桥梁所处环境条件等。 与传统的检测技术不同，大型桥梁健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。1.2目的其目的是为了诊断结构中是否有损伤发生，判断损伤的位置，估计损伤的程度以及损伤对结构将要造成的后果，以确保桥梁结构的安全营运。总的来说，结构健康监测目的在于进行结构损伤识别和状态评估。1.3意义大型桥梁健康监测不只是传统的桥梁检测加结构评估技术，而是被赋予了新的意义。主要表现在如下几个方面：结构损伤识别：根据桥梁结构在荷载作用下的静力或动力反应的实测值与理论值间的关系，对结构的损伤情况进行识别，为结构评估提供依据。结构的智能化评估：对既有桥梁的整体、各有关组成部分进行考察、了解、检查、检测，经过验算分析，有时还辅以相关试验，对其病害情况、损伤程度、病害与损伤原因、实际承载能力、功能以及能否正常运营做出评估鉴定，给出明确结论。设计验证和研究与发展：桥梁结构设计时，结构理论分析常基于理想化的有限元离散模型，并且分析时常以很多假定条件为前提，这些往往与实际的真实条件不全相符。通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为可验证大桥的理论模型、计算假定等，还可为桥梁工程中的未知问题和超大跨度桥梁的研究提供了新的契机。2健康监测系统组成为了到达预期要求，桥梁结构健康监测评估系统主要由四个子系统所组成并通过网络联系而进行工作，见图1。这四个子系统分别是：传感器系统、信息收集系统、信息处理和分析系统、评估控制系统。图1：健康监测系统的拓扑结构(1)传感器系统该系统主要由各测试项目的传感设备组成的硬件系统。一般包括：风速风向仪、加速度计、位移计、应变计、温度计、水平仪、车轴车速仪、信息放大处理器及连接介面等。该系统主要任务是能感知结构的工作环境及结构静动力响应。(2)信息收集系统包括：信号采集器及相应的数据传输、存储设备。该系统主要任务是对桥梁结构的各种反应进行采集，并将信息进行传输，可以是人工采集系统、半自动采集系统以及自动、在线采集系统。（3）信息处理分析系统建立监测、分析、模型及管理等的数据库，进行相应数据的管理与处理。对桥梁进行结构分析和损伤识别，其中结构分析包括静力分析和动力分析。该系统主要任务是为结构评估提供理论数据。（4）评估控制系统包括对桥梁安全性和耐久性综合评估。该系统可根据桥梁的监测数据和表观检查信息以及理论计算的数据，参照我国现行的养护规范，综合考虑桥梁的内在信息及表观信息，运用有关的理论，编制计算机程序，对工作状态进行综合评估，供桥梁养护管理部门参考。上述四个子系统又可以分为硬件系统和软件系统两大类。硬件系统包括传感器系统、信息收集系统中的硬件系统、处理分析系统中的硬件系统以及控制系统中的电脑硬件系统；软件系统包括计算机系统运作，信息收集/处理/传送，结构分析/评估，信息存储/传送/管理以及可视化处理等。3桥梁结构监测系统中的数据失真问题研究的国内外现状3.1数据失真问题的提出桥梁结构健康监测系统在工程实践中推广应用，尤其是桥梁结构健康监测技术在信息获取环节和安全评价环节获得了一些进步和突破，引发了国内外桥梁结构健康监测更大的研究热潮，甚至使得桥梁界的部分人误认为该技术已经是一门非常成熟的技术，可以一劳永逸地保证桥梁结构安全、且可以在任何桥梁上“复制”的现成产品。然而，由于桥梁是结构工程界公认最为复杂的一类工程结构，而桥梁结构监测、故障诊断具有高度学科交叉的特点，这决定了这项起步不久的新兴技术必然存在大量需要深入研究的科学问题，其中结构状态信息本身的可靠性，即原始数据失真即是其中一个极为重要、但又处于学科交叉薄弱点上、直接影响故障诊断结果的关键核心问题。在传统的桥梁结构安全荷载实验中，为了监测桥梁结构安全而安装的测试仪器设备基本属于“一次性”使用，测试系统规模不大，不复杂，数据失真问题表现不是很严重和突出。但是，这些仪器设备只是为了满足短时间监测桥梁结构安全的需要，从仪器设备的可靠性、耐久性，以及安装工艺上都没有过高考虑，不能满足长期的、实时监测桥梁结构安全的需要。桥梁结构健康监测技术及系统正是为了满足这种需要而产生的，系统规模、复杂性远远大于传统的桥梁结构安全荷载实验单一的监测设备，其数据失真问题表现尤为突出。首先，在桥梁结构健康监测系统的信息获取环节，前端的信息获取环节是由多种类型的传感器以及相关仪器设备组成的硬件系统为主，因此它们的正常使用寿命与一般常规电子仪器一样只有几年；而在桥梁恶劣的野外环境(频繁振动、交变受力，高尘、高湿、高低温变化、高腐蚀性环境等)下，它们会受到各种外界干扰、并还会大大加剧性能衰退。其次，传感器系统采集的信息在传输到安全评价过程中，外部噪声干扰和信道白噪声也会使得数据在传输过程中产生失真。此外，在桥梁结构健康监测系统的安全评价环节，原则上没有导致数据产生失真和变异的可能，但是，一些不可预知的因素，如在数据存储过程中数据误操作、数据存储故障、或计算机病毒影响等因素，也有可能导致数据失真。桥梁结构健康监测系统中所有数据失真问题，大多是由信息获取环节的硬件设备造成的。据美国“智能维护系统中心”研究表明，一般系统40％以上的故障警报皆是由于传感器系统自身的故障而产生的误报警。要用这些只有短短几年使用寿命的仪器设备去监测具有数十、上百年服役年限的桥梁，两者之间就存在巨大的寿命差距，一旦监测仪器设备出现故障或失效，它将无法保证为后续的安全评价提供客观、正确、无误的原始信息，从而会对桥梁结构健康监测的最终评价结果产生严重影响，导致对桥梁结构事故预兆的漏报或误报、甚至使整个系统失去作用。因此，硬件监测仪器设备自身的可靠性及使用寿命问题，导致了桥梁结构监测系统一系列的数据失真与变异问题。数据失真问题也不仅仅在桥梁结构健康监测系统的硬件监测仪器设备中表现的突出，在其他所有的故障诊断系统中都存在，是所有故障诊断系统的共性问题。因此，解决传感器系统产生的原始信息失真问题，是桥梁结构健康监测系统以及其他故障诊断系统共同面临的重大科学技术问题。3.2数据失真的特点数据失真问题贯穿了桥梁结构健康监测系统所有环节，表现形式千差万别，其特点如下：①数据失真的普遍性数据失真现象在桥梁结构健康监测系统所有环节，所有的软件、硬件上都可能产生，包括硬件的每一个传感器、每一个电子器件，以及软件上的每一个软件模块、每一条指令等，是所有智能结构系统的共性问题。②数据失真表现的多样性数据失真的表现形式呈现多种多样的特点，可以从多个角度来划分，如从数据失真源来分，可以为传感器故障、软件故障、外部干扰；从数据失真产生的环节，可以分为信息获取环节、安全评价环节；从数据失真表现特征上，可以分为单点失真数据和连续数据段失真，等。单点数据还可以从数据失真表现特征上分为粗大值、微小异常两种类型。连续失真数据段大多是由于传感器故障产生，可以从数据失真来源上分为由于传感器漂移、精度下降、完全损坏，以及其他因素引起的数据失真。③数据失真表现的复杂性数据失真的多样性说明了桥梁结构健康监测系统的复杂性，包括数据失真识别复杂，数据失真恢复复杂，数据失真源的确定复杂，以及数据失真维护策略的复杂。数据失真复杂性正是由于桥梁是一个复杂的、巨大的结构，对其监测的桥梁结构健康监测系统也是一个复杂的系统。3.3数据失真问题研究的国内外现状桥梁结构健康监测系统的复杂性，使得其数据失真问题也绝不是一个简单的问题，它所涉及的技术基础跨越了不同专业领域，单纯依赖某一专业的人员、单从某一个方面入手、单用某一种处理方法，都是难以达到目的的。然而，由于目前从事桥梁结构监测与故障诊断技术研究的主力基本上都是结构工程领域的学者，因此他们主要从力学的角度出发开展桥梁结构的损伤识别与故障诊断方法的研究，因而对系统的原始数据失真与变异问题普遍缺乏足够的认识；而少数涉足桥梁结构监测、故障诊断及预警技术研究的信息学科的学者，则一般都是单纯从传感器与测量技术的角度出发研究及其可靠性问题，基本没有从状态监测与故障诊断系统的整体出发去探讨数据的失真与变异问题；因此桥梁结构监测与故障诊断系统的原始数据失真与变异这样一个重大共性关键科学技术问题，还处于原始的起步阶段。所以，在现在桥梁结构健康监测技术及系统研究领域，目前的针对数据失真问题的所作的工作只是“头痛医头，脚痛医脚”。①信息获取环节桥梁结构健康监测系统的信息获取环节，主要工作是利用各种类型的传感器系统获得桥梁结构状态信息，其产生的数据失真，几乎占到系统中所有数据失真90%以上。从事该领域的研究人员主要是来自仪器仪表、自动化、数据通信、计算机等背景的专家，在信息获取环节已经做了一些提高数据可靠性的工作。为了满足桥梁结构健康监测系统的需要，正确、无误地获取桥梁的各种结构状态信息，该环节的主要研究人员针对桥梁结构的特点，发展了各式各样的应变、位移、变形、动态响应、温度等传感器，以提高获取的桥梁结构状态的精度和准确度。这是从信息获取环节的硬件方面入手，来大幅度提高传感器的可靠性、环境适应性、使用寿命，也是解决传感器系统的自身故障引起数据失真的根本途径，是目前人们追求的目标，但是要将传感器系统的寿命从几年提高到几十年，这将是一个十分漫长的过程。除此之外，传统上的增加系统的硬软件冗余度也是最常规的一种方法提高系统可靠性的方法，但它会大幅度增加系统的复杂性以及成本，因此难以被桥梁界接受。而采用滤波等常规信号处理方法，对原始信号进行预处理显然是一个相对有效的低成本的方法。信息学科的研究人员尝试从信息获取环节的软件方面入手，利用信号处理的方法，研究其特定的失真信息特征及其识别、滤波、剔除的方法，试图通过对信号的预处理，来尽量降低输出状态信息的失真、提高可靠性。然而，传感器输出的桥梁结构状态信息中，传感器失效的引起的失真信息、结构故障产生的失常信息、外界干扰引起的异常信息是混杂在一起。一般的信号处理方法很可能将结构故障产生的失常信息从数据剔除掉。所以，信息获取环节的传感器系统部分，也就是信息采集单元在提高数据可靠性方面，是很难到达桥梁结构健康监测系统对数据的要求。但是，在信息环节的信息传输单元，通常是利用桥梁结构健康监测系统构造的内部局域网来实现数据传输，如以太网、NOVEL网等。其数据的可靠性是通过数据通信中的差错控制技术来保证，主要基于TCP/IP协议或其他相关的成熟通信协议来完成的，如自动重新发送(ARQ)技术等来保证数据在传输的通信信道中的可靠性，可以很好地解决信息传输单元的数据失真问题。②安全评价环节安全评价环节是桥梁结构健康监测系统的最后一个环节，将直接决定桥梁结构健康监测系统最终评价结果。不论信息获取环节传感器的故障，还是数据传输信道噪声，外部环境干扰等因素，所有的失真的数据都将最后汇聚到安全评价环节。此时的失真数据，不仅仅是某个环节单一因素引起的，也可能是前面部分或全部因素的叠加，很难简单地将失真的信息和其桥梁结构状态信息区分开。桥梁结构健康监测系统的安全评价环节的研究人员主要以结构工程为主力，其中的绝大多数研究人员想当然地认为，系统获取的全部是真实、有效、无失真的原始数据，所有数据的变异全部是由桥梁结构引起的。所以，但因为专业背景的限制，结构工程领域的技术人员只是从力学与结构角度出发考虑问题、而信息学科的技术人员则只是从传感器与仪器系统的角度出发考虑问题，根本不能解决这样一个跨学科的大问题。更为严重的是，桥梁结构监测与故障诊断技术的研究人员界普遍还没有认识到这个问题的严重性；特别是以结构工程为主力的绝大多数研究人员想当然地认为，系统获取的全部是真实、有效、无失真的原始数据，所有数据的变异全部是由桥梁结构引起的。这种认识导致桥梁结构的损伤识别与故障诊断技术在实际应用时陷入了一个“数据灾难”的困境，如投资数千万港币、建于90年代中期的香港某大桥状态监测系统，虽然采用了当时全球最为先进的硬件系统，但仍然存在各种硬件引起的原始数据大幅波动、相当比例的异常波动程度都超过了结构损伤的数据变化，使得绝大多数损伤识别与故障诊断的算法与软件都频频误报警、产生出“数据灾难”的新问题，该大桥不得不每年花巨资吸引全球结构工程领域的人才、进行结构辨识与处理算法研究，但由于始终没有考虑数据失真与变异问题的影响，故十余年的努力没有取得实质性突破，即使在近期对该桥的硬件系统进行了大幅度更新换代后，这个“数据灾难”问题依然在困扰该桥及全球的相关研究人员。4基于监测数据的桥梁安全性能评价体系研究的国内外现状对桥梁结构进行健康监测最终是要实现对桥梁结构健康状态的评估。建立完善的、性能稳定可靠的桥梁结构健康监测系统只是提供了一种获取反映桥梁结构健康状态特征即损伤特征信息的数据采集和分析的手段，更重要的是要根据所获取的损伤特征数据经过统计、对比、分析和诊断揭示桥梁结构整体性能的退化规律分析和评估桥梁结构累积损伤的程度和危害，预测损伤的发展趋势，为桥梁管理部门及时提供状态信息为桥梁结构的维修养护和管理提供科学依据。解增银（2007年）以石板坡大桥为工程背景，重点进行了其健康监测中的数据处理和安全状态评估。完成的主要工作为：①监测数据的预处理。利用各采集时段内得到的大量监测数据，经过统计分析得到具有一定可靠度的统计值，并作为该时段大桥监测的实测值，用于桥梁的安全评估；②整体安全状态评估。根据变权层次分析法，利用温度修正后的应变数据和挠度数据实测值分别进行基于承载力性能和基于正常使用性能的安全评估；③根据设计图纸，建立钢混接头的三维有限元模型，并确定典型的计算工况，对钢混接头进行静力分析，得到各工况下的静力响应和钢混接头相对位移分布特点，根据分析结果和实测数据情况，确定钢混接头的报警阈值；④钢混接头的局部安全评估。根据监测数据预处理方案，对钢混接头的监测数据进行预处理，并根据阈值对比法原理，利用钢混接头数据的实测值进行局部安全评估。胡顺仁（2007年）将数据通信领域的差错控制思想引入桥梁结构健康监测系统，从系统高度建立桥梁结构健康监测系统的差错控制理论，有望全面解决系统中的数据失真问题，提高系统数据的可靠性；结合数据挖掘和信号与系统理论建立的关联度模型，为后续差错控制分析奠定了基础；针对桥梁结构健康监测系统安全环节数据失真特点，提出的基于数据变化率、主成分分析、关联度模型、RBF神经网络模型、数据趋势曲线等方法，有效地解决了安全环节的数据失真识别和恢复问题，并在实桥的实验验证中取得了较为成功的实践效果。刘纲（2010年）利用桥梁恒载在总荷载中占较大比例，对桥梁结构损伤反应相对敏感的特点，提出从长期静态监测数据中提取恒载效应进行大型桥梁安全状态评估的方法，分别从结构恒载效应信息的提取、反演损伤识别方法和静态测点优化布设方法三个方面进行系统研究，探索大型桥梁健康监测和长期安全状态评估新的理论和方法。韩雪（2011年）提出了通过建设期预埋传感器进行监测，并在运营期通过表贴传感器与预埋传感器共同工作来保证信息传递连续，进而实现长期健康监测的工作模式。深入分析了监测数据误差产生的原因、数据可靠性保证措施，及数据预处理判别、修复方法，并进行了初步应用；提出通过分析建设—运营期不同布置方式获得的预埋—表贴监测数据相关性关系，建立相应函数实现长期实时评估桥梁可靠性的方法；在统计假设检验理论的基础上，基于桥梁监测信息的活载效应最大值分布及其动态拟合技术，获取桥梁的荷载效应，并在收集结构抗力方面研究资料基础上，研究了影响桥梁抗力衰减的各个因素的相关概率模型和统计参数，建立实质的桥梁结构抗力衰减模型；最后，通过抗力及荷载效应时变模式建立基于监测信息的结构功能函数，并实现全桥的可靠性评估。邢丹丹等人（2012年）针对小波分析方法在桥梁健康监测系统中面临的小波基函数合理选择问题，采用一周期性仿真信号作为算例，考察了在其他研究领域内广泛用来进行信号去噪的Haar、Db、Sym、Coif、Bior、Rbio、Dmey等7种小波基函数，选取出去噪效果最显著的Bb8小波基函数。依托已建立的江阴大桥健康监测系统，对具有明显周期性的塔顶GPS的竖向数据进行去噪计算，并将计算结果与采用低通滤波进行去噪的结果进行比较分析。结果表明：由于小波方法采用了比低通滤波方法更为细致的处理方法，其去噪效果比低通滤波方法更有效，从而可为桥梁健康监测系统的数据分析处理创造有利条件。刘建等人（2012年）针对桥梁结构长期健康监测系统监测信息的海量数据中由于仪器设备失效或环境干扰而导致的数据失真问题，结合数据变化率和聚类变化等数学统计方法，提出基于数据变化率的识别算法。该方法主要是对比数据之间的结构特性，首先建立相应结构参数的结构特性数据库，然后训练出该类型参数的安全系数以及变化率阈值，并通过数据库的不断更新和扩大来提高安全系数和阈值的精确性，最后通过验算实时采集数据的变化率是否超过对应的样本阈值来判别该数据是否失真。通过对佛山平胜大桥长期健康监系统采集的主塔偏位和环境温度数据进行失真识别验证，表明了该算法在实际工程中运行的有效性和可靠性。

结论基于健康监测数据的桥梁安全性能评价体系虽然得到了广泛的应用，但是还存在一些问题，其中海量数据的处理一直是摆在桥梁管理者和桥梁专家面前悬而未解或没有很好解决的课题。国内上百座的大型桥梁都安装了结构健康监测系统，但由于缺乏必要的数据甄别，从而导致数据泛滥、重要数据被淹没或预警系统难以达到要求甚至出现错误等现象，严重影响监测系统运行和使用。对桥梁结构进行健康监测最终是要实现对桥梁结构健康状态的评估。建立完善的、性能稳定可靠的桥梁结构健康监测系统只是提供了一种获取反映桥梁结构健康状态特征即损伤特征信息的数据采集和分析的手段，更重要的是要根据所获取的损伤特征数据经过统计、对比、分析和诊断揭示桥梁结构整体性能的退化规律分析和评估桥梁结构累积损伤的程度和危害，预测损伤的发展趋势，为桥梁管理部门及时提供状态信息为桥梁结构的维修养护和管理提供科学依据。

致谢论文指导老师在我完成论文期间经常给我提供一些指导性的意见，在此对老师的付出表示衷心的感谢！转眼间就到了毕业的时候，在平时及论文创作过程中，无论是学习还是生活，我的同学都给了我很多帮助，在此向他们表示深深的感谢之情。同时感谢我的家人，是他们的无私付出、理解才使得我能够全身心的投入学习。

参考文献[1]ShahawyMA，ArockiasamyM.FieldInstrumentationtoStudytheTime-DependentBehaviorinSunshineSkywayBridge[J].JournalofBridgeEngineer