重庆交通大学 土木工程学院 400041
摘要：桥梁健康监测系统是目前在整个桥梁领域是一个十分热门的话题，这个领域处于发展阶段，相比于以前的人工检测为主的监测方法，桥梁健康监测有着巨大的优势，但是其也有很大的发展空间，本文从桥梁健康监测系统中的传感器子系统、数据采集子系统、数据处理和结构分析子系统三个方面进行阐述，分析其现状与发展前景。
关键词：桥梁健康监测系统；传感器子系统；数据采集子系统；数据处理和结构分析子系统；现状与展望
1.引 言
随着社会的发展和科技的进步，社会对交通方面的要求越来越高，而桥梁在交通领域又占据着不可动摇的地位。目前中国在役公路桥梁80万座，铁路桥梁20万座，中国以桥梁总数100万座的数量位居世界榜首，中国也正在以桥梁大国走向桥梁强国。但是中国目前的危桥也有超过10万座之多，因此桥梁结构的耐久性，安全性也越来越受到人们的关注。随着网络技术、通讯技术与传感器技术的发展，桥梁健康监测系统的研发与应用也被桥梁领域的专业人士提上日程。相比于传统的人工巡检，人工检查的内容存在局限性，难以掌握全桥的整体受力状态，难以获取桥梁所受的外部荷载和损伤过程[1]，检测结果也容易受到检测人员的主观判断和体力因素所影响，对于某些特殊部位检查难度大甚至无法检查等[2]，而且费时费力，并且效率也不高。但是桥梁健康监测系统通过传感技术和现代网络通讯为基础，可以达到实时监测，不仅可以监测到桥梁的各种响应，还可以监测到车辆、风、船舶、地震、温度等荷载[3]，为以后桥梁的研究与设计提供丰富的数据。
桥梁健康监测系统主要包括三个子系统，他们分别是传感器子系统、数据采集子系统、数据处理和结构分析子系统，这三个子系统相互联系，相互作用，联系紧密，缺一不可。下面我们分别来阐述这四个子系统。
2.传感器子系统
2.1 传感器类型
传感器类型可以总体上分为两种大类：按作用监测的传感器和按响应监测的传感器[4]。根据不同的目的选取合适的传感器十分关键，并且必须保证传感器的可靠性。
按作用监测的传感器分为：风速风向监测传感器、环境温湿度监测传感器、结构温度监测传感器、交通荷载监测传感器、偶然荷载监测传感器。其中风速风向监测传感器一般有超声波风速仪和螺旋桨风速仪，环境温湿度监测传感器一般有温湿度计，结构温度监测传感器一般为振弦式温度传感器、光纤光栅温度计、热电偶温度传感器，交通荷载监测传感器一般为车速车轴仪和数字摄像机，偶然荷载监测传感器一般为三向加速度传感器。
按响应监测的传感器分为：位移监测传感器、结构动力监测传感器、应力监测传感器、斜拉索索力监测传感器。目前位移监测常采用GPS进行监测，GPS监测的优点在于监测方便，不受地理位置和天气的影响，但是往往会存在定位不精确的情况。结构动力特性监测常常采用压电式、压阻式、电容式、力平衡式等加速度传感器。应力监测是通过应变监测的数据换算而来的，常采用的传感器有电阻式应变计、振弦式应变计和光纤光栅应变计三种。常用的斜拉索索力监测传感器有加速度传感器、压力传感器、磁弹仪、光纤光栅传感器。
2.2 传感器系统发展展望
随着传感器的发展，我们已经可以监测到各种我们想要的数据，但是传感器目前还存在很多问题，比如说由于传感器所处环境比较恶劣，容易受到环境的影响而遭到损坏，从而导致监测数据的精确性。并且一些传统的传感器会出现仪器精度不够高，仪器工作效率地下等情况[5]。但是随着光纤技术的发展，通过分析光的传输特性，如光强、相位等，可获得光纤周围的力、位移、温度、磁场、密度等参数的变化，将光纤材料植入桥梁结构中，达到对桥梁进行实时监控的目的[6]，不仅延长传感器的寿命还可以大大提高测量精度，继续在光纤领域的研究与发展将会使得传感器子系统在桥梁健康监测系统中发挥越来越大的作用。
3. 数据采集子系统
数据采集系统主要由光纤交换机、光纤等硬件设备组成[7]，目前数据采集系统的发展已经比较成熟[8] 。在动态信号采集过程中，通常可以有基于ISA、PCI总线和基于PXI总线两种数据采集系统可供选择，在静态信号采集中静态传感器的信号的传输一般选择RS-485总线网络就可以达到要求，在其他条件允许的情况下可选用Lon Works或其他类型的现场总线和设备来采集和传输静态传感器信号[9]。
由于现代Internet的高速发展，将网络通讯技术与桥梁健康监测系统相结合，从而发展成为具有远程硬件管理、远程数据管理等功能的新一代网络化智能桥梁健康监测系统，这种新一代的系统更加的具有时效性，工作人员可以利用网络达到实时监控的目的，可以提高工作效率，节约人力资源。
4. 数据处理和结构分析子系统
4.1数据处理
目前在信息处理方面，进行数据分析处理的方法有神经网络、高阶谱分析等方法，进行健康评估的方法有有限元分析、神经网络、层次分析、遗传算法、构件分析等方法[10，11]。对于数据处理，小波变换是对于收集得到的信号进行时间与空间在频域上的局部分析[12]，将监测得到的以为数据进行小波变换，可以更加本质的得到数据的结构和其复杂程度。
为了对数据的的走势进行预测，可以利用回归预测分析，比如采用指数、对数、乘幂、直线以及多项式回归拟合算法[13]，四种回归算法见表1所示：
表1 四种回归算法
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4.2结构分析与评估
对于采取和分析的数据，对桥梁结构进行评估分析，进行评估分析前需要建立一个精确的结构有限元模型，不同于其他结构有限元模型，该模型是经过修正的有限元模型，模型修正方法分为矩阵型修正法[14，15]和参数型修正法[16，17]，修正后的结构有限元模型求出的特征值与实测值更加吻合。在建立桥梁评估指标体系的建立时，一般采用层次分析法，即把实测得到的数据通过变权的方式，更具个指标的权重进行分层分析，将某些影响状态相似的因素放在一层，建立起多个层次的评价体系，如东海大桥就是采用这种评价体系进行桥梁评估的[18]。
一般在完成在线评估后可通过安全预警系统进行预测和报警[19]，通过有限元的计算，设置参数的预警值[20]，当评估结果超过预警值时管养部门就会进行维护与维修，但是如果当桥梁出现较大安全隐患时，就还需要专家进行离线评估，在综合考虑在线评估结果给出全面细致的结论与维护方案。
5. 总结
可以看出传感器子系统、数据采集子系统、数据处理和结构分析子系统这三个子系统是密不可分的，每一个子系统都承担着十分重要的角色。桥梁健康监测系统将桥梁直接或者间接承受的影响作用进行采集，然后进行分析预测，最后得出评估结果，不仅保证了桥梁在运营过程中正常使用安全性，也为今后桥梁的设计与发展奠定了大量的数据基础。随着科技的进步，桥梁健康监测系统肯定会越来越朝着智能化、精确化、经济化发展。
6. 提出问题及解决方案
如前所述，传感器多为电子设备，在一线环境中容易受到各种恶劣天气和认为因素的破坏，会造成不必要的损失，虽然随着光纤技术的出现，将光纤材料植入了桥梁结构中，不仅延长传感器的寿命还可以大大提高测量精度。但是还是会存在浪费材料等问题。
此外还可以通过传感器的布设方面入手：
（1）优化传感器的布设，避免冗杂的布设传感器，争取做到使桥梁美观，并且可以尽量多的测量到关键数据。比如结合层次分析法，通过权重的大小来决定某一部件的传感器布设数量，在权重少的地方少布设传感器，在权重大的地方可以稍微将传感器布设密集一些，这样在保证减少传感器布设的同时还可以保证结构分析的精度。
（2）可以根据桥梁的不同使用阶段来布设传感器，比如在施工阶段，可根据不同施工阶段的施工内力不同和施工要求不同在关键点布设传感器即可。在桥梁成桥时，这是整个桥梁通常是没有什么病害的，这时就只需要在桥梁关键位置布设传感器，如如支点出、四分之一跨处、二分之一跨处，对于有索类桥梁，在拉索和主梁连接处布设传感器。此时传感器测量的数据一般是为桥梁积累重要原始数据。随着桥梁使用寿命的增加，桥梁结构出现老化，这时就可以根据现场的实际情况来增加传感器的布设，达到随时监测桥梁的安全问题的目的。通过这种分阶段布设传感器的方案，可以减少前期传感器不必要的浪费，使得传感器在整个桥梁寿命中都可以发挥重要积极的作用。
总之，可以从传感器的材料和传感器的布设数量和位置两个方面来解决传感器的优化问题，在保证了传感器子系统的高效率工作的前提条件下，才可以保证后续工作的正常进行，桥梁健康监测系统才可以在整个桥梁领域发挥越来越大的作用。
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