（计算机应用技术专业论文）基于鱼网传感器的桥梁结构损伤实时监测系统研究.pdf

垫鱼旦篮壁壁塑堑墼缝翅塑丛塞堕堕型丕缝婴窒：盘查塑鐾 基于鱼网传感器的 桥梁结构损伤实时监测系统研究 学科专业：计算机应用技术研究方向：智能控制及应用 指导教师：张小真教授研究生：张开洪 内容摘要 我国和世界上许多国家一样，在近几十年中已建和待建的桥梁很多，这些桥梁都投 资巨大，位于所在地区的交通枢纽，在经济建设中的地位十分重要。桥梁建设过程中， 工程材料的自然缺陷、工程结构设计、建造和施工的失误难以避免，同时，桥梁使用过 程中循环荷载也会导致桥梁功能退化。因此，如何解决桥梁安全监测与客观评价的问题， 保证桥梁的使用安全，以保障国家经济建设的持续健康发展和人民的生命财产安全，就 是一个急需解决的难题。 为了实现对桥梁的健康监测与桥梁安全状况的客观评价，人们在桥梁中使用传感元 件或装置监测桥梁结构位移、变形和断裂等性能变化，通过算法处理进而判断桥梁的健 康状态。这种新思想一出现就受到了全世界的广泛关注，世界各国都对桥梁健康监测作 了深入的探索和研究。我国政府对桥梁的安全状况也非常重视，国家9 7 3 计划及交通部 九五计划等也都对桥梁健康监测系统研究进行了资助。 但目前在桥梁健康中使用的各种检测方法( 光纤传感器、应变传感器、应力传感、 加速度传感器、雷达波、声波、应力波、全球卫星定位系统( g p s ) 、空中或卫星照相、 稀疏传感器阵列等) 都不能实时全面地监控桥梁结构的实际损伤情况，只能作为桥梁健 康监测的辅助手段，且使用的传感器种类和数量多，传感器协调和监测数据分析都比较 困难。论文针对目前桥梁健康监测中检测方法存在的上述问题，提出了用基于鱼网传感 器的桥梁结构损伤实时监测系统( r e a l t i m em o n i t o rs y s t e mo nb r i d g ec o n s t r u c t i o n h u r t sa c c o r d i n gt of i s h i n gn e ts e n s o r ，简称r m s b ) 进行桥梁健康监测的方法。首 垫主鱼旦焦墅量塑煎堡彗塑塑鱼塞盟堕型墨堕堑塞：盘查煎垦 先，为实时全面地监控桥梁结构的损伤，设计了一种新型结构的传感器，即鱼网传感器 ( f i s h i n gn e ts e n s o r ) 。通过将监测线以网格的方式铺设在桥梁结构表面，构成基本 的传感单元鱼网传感器，若干个传感单元形成一个传感网络鱼网传感系统，实 时全面地监控桥梁结构的损伤。然后，在鱼网传感器的研究基础上，建立了r m s b 的模 型。r m s b 模型分为传感单元、中间处理器和终端处理器三部分。传感单元可以根据监测 需要布置到桥梁的所有监测位置，实时监测桥梁结构实际损伤情况。中间处理器( 单片 机) 构成传感单元控制和检测数据传输的中枢。终端处理器是传感网络信息处理的中枢， 根据传感网络监测数据实时模拟桥梁结构损伤情况，并分析桥梁健康状态。同时，地理 上分散的r m s b 可通过计算机网络连接起来，构成具有集群监测功能的r m s b ，实现对多 座桥梁的远程集中监控和数据处理工作量的合理分配。 r m s b 能够利用鱼网传感系统实对、全面监测桥梁结构的损伤情况，掌握桥梁的总体 健康状态，克服目前使用的各种检测方法存在的缺陷。r m s b 的研究将桥梁的损伤和断裂 理论，传感器的材料结构等涉及桥梁、力学、电子和计算机等多个学科的多种方法综 合应用于桥梁健康监测，实现对桥梁局部和总体结构损伤的早期( 裂纹萌生期) 识别和 损伤跟踪分析，因而具有十分重要的学术和工程应用意义。这一系统的实现可望帮助相 关人员进一步综合了解桥梁结构的失效行为、路径及结构的准确极限状态，以实现桥梁 安全保障的远程化、智能化、集成化，自动化，降低桥梁检修维护的成本，最终提高桥 梁设计、施工和管理水平。 本文通过对r m s b 传感单元结构、传感单元对结构损伤的判断算法和传感系统的整 体布置的研究，提出了r m s b 模型和构建r m s b 的基本方案，分析了r m s b ( 主控子系统和 各桥梁现场监测子系统) 的基本需求和具体功能，设计了其软硬件结构，并对其可行性 进行了分析。在上述工作的基础上，设计了一个基于鱼网传感器的桥梁结构损伤实时监 测实验系统( r e a l t i m em o n i t o re x p e r i m e n ts y s t e mo nb r i d g ec o n s t r u c t i o nh u r t s a c c o r d i n gt of i s h i n gn e ts e n s o r ，简称r m e s b ) ，并进行了相关实验。r m e s b 的实验 结果表明鱼网传感器的工作原理是正确的，证实r m s b 传感网络对结构损伤的检测能力 确有明显提高，验证了用r m s b 进行桥梁健康监测方法的正确性以及r m s b 设计方案中软 硬件结构的可行性和可靠性。 关键字；桥梁，损伤，实时监测，监测系统，传感器 薹鱼塑篮壁墨塑煎鋈堕塑塑鱼塞堕堕婴墨笙翌 塞：堕查塑鐾 t h e s t u d y o fr e a l t i m em o n i t o r i n g s y s t e m o n b r i d g e sc o n s t r u c t i o nh u r t s a c c o r d i n g t of i s h i n gn e ts e n s o r a b s t r a c t m a j o r ：c o m p u t c r a p p l i c a t j o nt e c h n o l o g y d i r e c t i o n ：i n t e l l i g e n c ec o n t r o la n da p p l i c a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n g x i a o z h e n a u t h o r ：z h a n gk a i h o n g t h e r ea r em a n yb u i l ta n db u i l d i n gb r i d g e sf o rr e c e n ty e a r s ，n o to l l l yi no u r c o u n t r yb u ta l s oi nal o to fc o u n t r i e si nt h ew o r l d w h i l et h eb r i d g e sa l w a y s t a k em u c hm o n e y ，l o c a t ei ns o m et r a f f i cc e n t e ra n da r ei m p o r t a n tf o rt h ee c o n o m y o ft h ep l a c e t h en a t u r eb l e m i s ho ft h ee n g i n e e r i n gm a t e r i a l ，m i s p l a yi nd e s i g n o fc o n s t r u c t i o na n dc o n s t r u c t i n gi sh a r dt oa v o i d ，a tt h es a m et i m e ，c o n t i n u a l l o a dw i l lc a u s eb r i d g ef u n c t i o nd e t e r i o r a t e di nt h eu s i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h e p r o b l e mo fb r i d g e sh e a l t h ym o n i t o r i n gm u s t b es o l v e du r g e n t l y ，i no r d e rt o g u a r a n t e et h eu s a g es a f e t yo ft h eb r i d g e ，e c o n o m i co fn a t i o n a lc o n t i n u o u s l y h e a l t hd e v e l o p m e n ta n dt h e1 i f ep r o p e r t ys a f e t yo fd o m e s t i c t or e a li z et h eb r i d g e sh e a l t h ym o n i t o r i n ga n do b j e c t i v e l ye v a l u a t eb i i d g e s s a f e t ys t a t u s ，p e o p l e u s es e n s o rt om o n i t o rt h ed a t as u c ha sd i s p l a c e m e n t ， d i s t o r t i o na n dd a m a g e t h eh e a l t h ys i t u a t i o no ft h eb r i d g ec a nb ee s t i m a t e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed a t a t h i sk i n d o ft h o u g h tc o m et op e o p l e sa t t e n t i o n i m m e d i a t e l yi nw h o l ew o r l d t h eb r i d g e sh e a l t h ym o n i t o t i n gi sd e e p l ys t u d i e d o u rg o v e r n m e n ta l s ov a l u e sv e r ym u c ht ot h eb r i d g e sh e a l t h ym o n i t o r i n g t h e b r i d g e sh e a l t h ym o n i t o r i n gp r o j e c t s a r ea i d e db yn a t i o n s9 7 3p l a na n dt h e m i n i s t r yo ft r a n s d o r t a t i o n c o m m u n i c a t i o n s s9 5p l a n e t c w h e r e a st h eu s e de x a m i n a t i o nt e c h n o l o g i e s ( f i b e rs e n s o r ，d i s t o r t i o ns e n s o r ， s t r e s ss e n s o r ，a c c e l e r o m e t e r ，r a d a rw a v e ，v o i c ew a v e ，g p s ，s p a c eo rs a t e l l i t e p i c t u r e s p a r s es e n s o ra r r a ye t c ) c a n tr e a l t i m em o n i t o rt h ea c t u a ls i t u a t i o n o ft h es t r u c t u r er o u n d l y ，i sak i n do fa i d e dm e t h o d h a r m o n yo ft h es e n s o r sa n d a n a l y s i so ft h ed a t ai s d i f f i c u l tb e c a u s et h ea m o u n to fs e n s o ri sl a r g e l y t h e t h e s i sa i m sa tt h ee x a m i n a t i o nt e c h n o l o g i e s sp r o b l e m se x i s t i n gi nb r i d g eh e a l t h m o n i t o r i n g ，p u t sf o r w a r dt oe s t a b l i s ht h er e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo nb r i d g e c o n s t r u c t i o nh u r t sa c c o r d i n gt of i s h i n gn e ts e n s o r ( a b b r r m s b ) t om o n i t a rt h e h e a l t ho fb r i d g e f i r s t ，i no r d e rt or e a l t i m em o n i t o rb r i d g ec o n s t r u c t i o na c t u a l h u r tr o u n d l y 。ak i n do fn e ws e n s o r ( f i s h i n gn e ts e n s o r ) i sd e s i g n e d s o m ec h e c k 1 i n ea r ep a s t e do nt h eb r i d g ec o n s t r u c t i o ns u r f a c e ，c o n s t i t u t i n gb a s i c l ys e n s o r u n i a n ds o m es e n s o ru n i t sc o n s t r u tas e n s o rn e t w o r k ，r e a l t i m em o n l t o r l n gt h e 基士鱼塑熊壁墅艘堑鍪煞塑塑鱼塞堕堕型墨缠丛塞：豳查垫垂 b r i d g ec o n s t r u c t i o na c t u a lh u r t sr o u n d l y r m s b sm o d e li se s t a b l i s h e da c c o r d i n g t ot h ef i s h i n gn e ts e n s o r r m s b sm o d e li sd i v i d e di nt os e n s o ru n i t ，m i d d l e p r o c e s s o ru n i ta n dt e r m i n a lp r o c e s s o ru n i t t h em i d d l ep r o c e s s o r ( s i n 9 1 ec h i p m i c r o c o m p u t e r ) u n i ti sc e n t e ro nc o n t r o l i n gs e n s o ru n i t sa n dd e l i v e r i n gd a t a t h et e r m i n a lp r o c e s s o ru n iti sa nc e n t e ro ns e n s o rn e t w o r ki n f o r m a t i o n h a n d l e i n g ， a c c o r d i n gm o n i t o td a t ai m i t a t e st h eb r i d g ec o n s t r u c t i o nh u r t sa n da n a l y z e st h e b r i d g eh e a l t ha p p e a r a n c e a tt h es a m et i m e ，d i s p e r s i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo nt h e g e o g r a p h yc a nb e1 i n k e dw i t hc o m p u t e rn e t w o r k ，c o a s t i t u t eam o n i t o r i n gs y s t e m h a v i n gg r o u pf u n c t i o n ，r e a l i z et om o n i t o rt h el o n gr a n g eo fb r i d g e sa n dr e a s o n a b l ya i l o t m e n tt h ew o r k l o a do fh a n d li n gd a t a r m s bc a nr e a l t i m em o n i t o r sb r i d g ec o n s t r u c t i o na c t u a lh u r tr o u n d l y c o n t r o l s t h et o t a lh e a l t ha p p e a r a n c eo ft h eb r i d g e ，o v e r c o m et h eb l e m i s ho fe v e r yk i n d o fe x a m i n a t i o nm e t h o du s e dn o w al o to ft b e o r i e sa r eu s e di nt h er e s e a r c ho f r m s b ，i n c l u d i n gt h et h e o r yo fb r i d g e s h u r ta n db r e a k ，t h em a t e r i a la n d c o n s t r u c t i o no fs e n s o r ，b r i d g ec o n s t r u c t i o n ，m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r e t c i ti sr e a l i z e dt oi d e n t i f y 、f o l l o wa n da n a l y z et h eh u r ti nt h ee a r l i e r p e r i o d ( t h ec r a c k sl i v i n gp e r i o d ) c o m p l e t e l y a sar e s u l t ，i n s bi sv e r yi m p o r t a n ti ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h er e a l i t yo fr m s bm a yh e l pt h e r e l a t e dp e r s o n n e lf u r t h e ru n d e r s t a n db r i d g e sc o n s t r u c t i o ne x p i r e db e h a v i o r ， p a t ha n da c c u r a t ee x t r e m e1 i m i ta p p e a r a n c e s ，a c c o r d i n g l yr e a l i z et h eh e a l t h m o n i t o r i n go fb r i d g ei ni n t e l l i g e n c e ，g r o u p ，a u t o m a t i z a t i o n ，l o w e rt h ec o s to f b r i d g e sm a i n t e n a n c e ，i n c r e a s et h e1 e v e lo fb r i d g e sd e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n d m a n a g e m e n t t h i st h e s i ss t u d i e ss t r u c t u r eo ff i s h i n gn e ts e n s o r ，a l g o r i s mo n c o n s t r u c t i o nh u r t sj u d g e m e n ta n dt h ew h o l ea r r a n g e m e n to fs e n s o rs y s t e m p u t f o r w a r dt or m s bm o d e la n dt h eb a s i cp r o j e c to ne s t a b l i s h i n gi n s b t h eb a s i cn e e d a n db a s i cf u n c t i o no fr m s b ( m a i nm o n i t o r i n gs u b 。s y s t e ma n dm o n i t o ts u b s y s t e m o nt h eb r i d g es p o t ) a r ea n a l y z e d o nt h ef o u n d a t i o no fa b o v ew o r k ar e a l t i m e m o n i t o r i n ge x p e r i m e n ts y s t e mo nb r i d g ec o n s t r u c t i o nh u r t sa c c o r d i n gt of i s h i n g n e ts e n s o r ( a b b r r m e s b ) i sd e s i g n e d t h er m e s be x p e r i m e n tr e s u l ti sr i g h ta n d o b v i o u s ，t h er e s u l tv e r i f y st h ef i s h i n gn e ts e n s o rs y s t e m sa b i l i t yt oe x a mt h e b r i d g e sc o n s t r u c t i o nh u r tb e i n go b v i o u se x a l t a t i o n ，a l s ov e r i f y ss o f t w a r ea n d h a r d w a r e ss t r u c t u r ei nt h eb a s i cd e s i g np r o j e c to ne s t a b li s h i n gr m s bi sv i a b l e a n dd e p e n d a b l e k e yw o r d s ：b r i d g e ，d a m a g e ，r e a l t i m em o n i t o r i n g ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，s e n s o r 4 箜二童煎宣 第一章前言 1 1 论文的研究背景与现状 1 1 1 桥梁健康监测的研究背景和科学意义 桥梁建设过程中，工程材料的自然缺陷、工程结构设计、建造和施：的失误难以避免，桥梁建 成之后，如何对桥梁的实际品质进行鉴定是业主最关心的问题。e 机、船舶和汽车等批量生产的机 械设备，可以通过破坏性原型试验来检验设计目标的满足程度。桥梁等建筑结构属于单件生产，不 可能进行破坏性原型试验，因此，非破坏性检验技术受到了特别的关注。巡回目检简单方便，但缺 陷也是显而易见的。不仅目检结果因人而异，而且无法对桥梁的整体品质作出定量判断。液体着色、 超声波、涡流、磁粉和x 射线等无损探伤方法具有量化特征，但庞火的实验工作量和无法直接反映结 构整体功能状况的缺点限制了它们的应用。超声波和x 射线探伤目前主要用来检验桥梁关键部位的 焊接质量。由于对成桥质量目前尚缺乏严格系统的量化检验方法，结果使些劣质工程得不到及时 发现和处理。轻则增加了日后的桥梁维修保养成本，使国家和地方财政负担加重；重则很快便发生 桥毁人亡的惨剧。 桥梁运营期间，使用不当维修失常，自然灾害，恶劣环境振动和重复荷载作用下工作等也 会导致桥梁功能退化，如何使桥梁的健康状态能够低成本地得以维持同样是业主最关心的问题。桥 梁属于公共基础设施，其物主多为国家或地方政府。研究表明，适时维修对于降低桥梁的生命周期 成本十分关键。适时维修的依据是桥粱健康状态退化的定量评估结论。因此，研究桥梁结构的健康 检测方法和技术不仅具有重要的理论价值。而且具有广阔的应用前景。 美国的桥梁研究和建设居于世界一流水平，然而1 9 8 9 年秋的一次统计表明美国5 7 7 ，7 1 0 座桥中的 4 1 ，即2 3 8 ，3 5 7 座桥或者结构缺陷或者年久失修。随着公路建设的快速发展，我国桥梁建设事业进 入了一个快速发展时期，近几十年中已建和待建的桥梁很多。截至去年底，全国共有各类公路桥梁 2 4 万座，共计8 6 5 万千米，其中特大桥1 1 3 9 座，大桥1 2 7 4 1 座，仅上海就有5 万多座桥梁。这些桥梁都 投资巨大，位于所在地区的交通枢纽，在经济建设中的地位十分重要。因此，如何解决桥梁安全监 测与客观评价的问题，保证桥梁的使用安全，以保障国家经济建设的持续健康发展和人民的生命财 产安全，就是一个急需解决的难题。 1 1 2 目前国内外桥梁健康监测研究概况及存在的问题 为了保证桥梁的安全使用，人们在桥梁中使用传感元件或装置监测桥梁结构的位移、变形和断 裂等性能变化，通过算法处理，从而能够在线监测和判断桥梁的健康状态。这种新思想一出现就受 到了全世界广泛的关注，世界各国都对桥梁健康监测作了深入的探索和研究，许多国家都在一些在 建和已建的桥梁上进行有益的尝试。如丹麦对跨径17 2 6n l 的f a r o e 跨海大桥( 斜拉桥) 进行施工 阶段及通车后的安全监测，以检查关键的设计参数，监测施工危险阶段并获取的桥梁健康记录；泰 国和韩国也已开始在重要桥梁上安装永久性的整体结构安全性监测设备。 我国政府对桥梁的安全状况也非常重视，国家9 7 3 计划及交通部九五计划等也都对桥梁健康监测 系统研究进行了资助。同时我国的专家学者也对桥梁健康监测系统进行了大量的研究，并对部分桥 梁进行了健康监测，如香港的青马大桥，重庆的红槽房大桥“等。 目前国内外学者在桥梁健康监测的研究中已经取得了一些进展，如：通过强迫振动试验，能够 分析桥梁结构模态参数对结构局部变化的影响：在车重、车速、路面及支承对桥梁模态参数的影响方 面的研究成果，证明了用环境振动法进行桥梁自动检测的可行性；对适用于桥梁监测的结构状态敏 感参数积累了理论认识和试验经验；能够利用测试的数据进行计算模型的修正：开发了各种基于频 率、振型、振型曲率、应变振型等改变量的损伤检测方法和定位技术等。 蔓二童鱼鸯 常觅的可被用于桥梁健康监测的检测方法有：a 将功能光导纤维植入或粘贴在桥梁上，通过测 量光纤变形或断裂实时判断桥梁中的变形或断裂= l ：b 将应变片、磁一弹性应变传感器“1 、压电传感 器”1 、加速度传感器等埋入或粘贴在桥梁上实时测量桥梁局部位置的变形以分析其总体健康状态； c 利用电时域反射传感器( e l e c t r i c a lt i m ed o m a i nr e f e c t o m e t r ys e n s o r ) 实时测量桥梁中变 形或断裂”1 ；d 利用雷达波、超声波”、应力波等扫描并分析桥梁健康状态；e 利用全球卫星定 位系统( g p s ) 实时分析桥梁的位移和变形情况以判断其总体健康状态。1 ；f 通过空中或卫星照相长 期监测桥梁的位移与变形判断其总体健康状态1 等等。 而常见的结构分析方法也有人： 神经网络】，基因算法“，模态识别“，系统仿真“，频率响 应特性分析，虚拟现实等等。 这些成果在桥梁健康监测中的应用还只是初步的，离全面实施还有很大的差距。尤其是在桥梁 健康监测的检测方法方面存在较大困难： 1 将功能光导纤维植入或粘贴在桥梁上，通过光纤的变形或断裂实时判断桥梁的损伤情况。但 由于成本和施工等原因，使用的光导纤维数量较少，并不能真正确定桥梁结构的实际损伤和局部健 康。 2 将应变片、磁一弹性应变传感器、压电传感器和加速度传感器等埋入或粘贴在桥梁上各个关 键位置实时测量桥梁局部位置的变形以分析其总体健康状态。但实际的桥粱失效可能并不是由于关 键位置损伤造成的，且由于设计、施工和环境变化的原因，理论上的关键位置并不一定是实际的关 键位置，从而起不到监测的作用。 3 利用雷达波、声波和应力波等实时扫描分析桥梁健康状态。这种方法不能实现实时监测，且 成本昂贵，需要长期维护与操作人员。 4 通过全球卫星定位系统( 6 p s ) 、空中或卫星照相长期监测桥梁的位移与变形从而判断其总体 健康状态。这种方法只能通过桥梁关键点的位移与变形推测其实际损伤情况和健康状态。 5 用适应( a d a p t i v e ) 方法( 根据桥梁结构及可能的失效机理) 在桥梁中使用稀疏传感器阵列 结合模态分析等方法进行健康监测，设想能够有效地解决以前只能检测关键部位结构特性的问题。 但实际的桥梁失效很可能是由于任意一处损伤演变而成，此种方法毕竟不能完全监测桥梁上的每一 处损伤情况。 即已知存在的桥梁健康监测中使用的各种检测方法由于其总存在着某种不足，不能全面。实时 地监测桥梁结构的实际损伤情况，只能部分了解桥梁的健康状态，作为一种桥梁监测的辅助手段， 且使用的传感器种类和数量多，传感器协调和监澳4 数据分析都比较困难。 1 1 3 桥梁健康监测的发展趋势和展望 桥梁健康诊断技术发展至今已经历了3 个发展阶段：第一阶段是以领域专家的感官和专业经验 为基础的经验诊断技术，对诊断信息只能作简单的数据处理：第二阶段是以传感器技术和动态测试 技术为手段，以信号处理和建模处理为基础的现代诊断技术，在工程中已得到了广泛的应用。近年 来为了满足大型复杂结构的健康诊断要求，诊断技术进入了以知识处理为核心，数据处理、信号 处理与知识处理楣融合的第三发展阶段智能诊断技术阶段 1 5 ，智能化正成为桥梁健康诊断的 主流。根据目前的发展未来大型桥梁健康诊断的研究发展方向主要体现在以下几方面： ( 1 ) 开发和应用以无线通信技术为手段的数据采集系统；开发能适用于交通荷载、风荷载及定 点测试荷载的传感器最优布设技术：能更方便、快速、准确地采集需要的数据。 ( 2 ) 自动损伤识别系统将测量系统、数据处理和识别系统一并组装到桥梁监测系统中，形成自 动识别诊断和反馈达到控制目的。 ( 3 ) 实时的监测系统与现代网络技术结合的研究和发展，实现信息网络共享。 ( 4 ) 从设计到施工和运营阶段建立可靠、完拯的数据库，积累大量土木工程领域的安全监测和 健康诊断的知识和经验，最终建立专家系统。 2 蔓= 塞酋童 ( 5 ) 建立安全准则以及能用于桥梁整个寿命过程经济评价的估价模型，内容包括：建立基于位移 的概率评估准则；建立桥梁整个寿命期间经济评估的估价模型：建立桥梁结构的安全准则和维修决 策系统。 1 2 论文研究内容、所做的工作及意义 1 2 1 论文研究内容和所做的工作 目前在桥梁健康中使用的各种检测方法( 光纤传感器、应变传感器、应力传感、加速度传感器， 雷达波、声波、应力波、全球卫星定位系统( g p s ) 、空中或卫星照相、稀疏传感器阵列) 都不能实时 全面地监控桥梁结构的实际损伤情况，只能作为桥梁健康监测的辅助手段，且使用的传感器种类和 数量多，传感器协调和监测数据分析困难。论文针对目前桥梁健康监测中检测方法存在的上述问题， 提出了用基于鱼网传感器的桥梁结构损伤实时监测系统( r e a l t i m em o n i t o rs y s t e mo l lb r i d g e c o n s t r u c t i o nh u r t sa c c o r d i n gt of i s h i n gn e ts e n s o r ，简称p 瑚s b ) 进行桥梁健康监测的方法。 首先，为实时全面地监控桥梁结构的实际损伤，设计了一种新型结构的传感器，即鱼弼传感器 ( f i s h i n gn e ts e n s o r ) 。通过将监测线以网格的方式铺设在桥梁结构表面，构成基本的传感单元 鱼网传感器，若干个传感单元形成一个传感网络鱼网传感系统实时全面地监控桥梁结构 的损伤。然后在鱼网传感器的研究基础上，建立了p d d s b 的模型。地理上分散的p 0 4 s b 可通过计算机 网络连接起来，构成具有集群监测功能的p j l i s b 实现对多座桥梁的远程集中监控和数据处理工作量 的合理分配。 本文通过对r m s b 传感单元结构、传感单元对结构损伤的判断算法和传感系统的整体布置的研 究。提出了p - d v l s b 模型和构建i 孙t s b 的基本方案分析了r m s b ( 主控系统和箨桥梁现场监测子系统) 基本需求和具体功能，设计了其软硬件结构。并对其可行性进行了分析。在上述工作的基础上，设 计了一个基于鱼网传感器的桥梁结构损伤实时监测实验系统( r e a l t i m em o n i t o re x p e r i m e n ts y s t e m o nb r i d g ec o n s t r u c t i o nh u r t sa c c o r d i n gt of i s h i n gn e ts e n s o r ，简称i 强4 e s b ) 并进行了相关实 验。 瑚e s b 的实验结果表明鱼网传感器的工作原理是正确的，证实瑚s b 传感网络对结构损伤的检测 能力确有明显提高，验证了用r m s b 进行桥梁健康监测方法的正确性以及蹦s b 设计方案中软硬件结 构的可行性和可靠性。 1 2 2 论文的工作依据 磷s b 包括传感系统、中间处理器和终端处理器三部分。r m s b 将智能监测线以网格的方式铺设在 桥梁结构表面，构成基本的鱼网传感单元( 鱼网传感器) ，若干个鱼网传感单元形成一个鱼网传感网 络，通过监测线实时全面地监测桥梁结构实际损伤情况：中间处理器( 单片机) 构成传感单元控制 和检测数据传输的中枢，对传感单元监测线进行控制，获取桥梁结构损伤监测数据，同时通过r s 4 8 5 接口与终端处理器进行串行通信，将桥梁结构损伤监测数据传送到终端处理器：终端处理器是传感 网络信息处理的中枢，根据传感网络监测数据实时模拟桥梁结构损伤情况，并利用专家系统和梁健 康状态数据库实时分析桥梁健康状态。同时，地理上分散的桥梁监测系统可通计算机网络连接起来 构成具有集群监测功能的r m s b ，实现对多座桥梁的远程榘中监测和数据处理工作量的合理分配。 1 2 3 论文的科学意义和应用前景分析 r m s h 能够实时全面监测桥梁结构的实际损伤情况。掌握桥梁的总体健康状态，克服目前使用的 各种检测方法存在的缺陷。该系统的研究将桥梁的损伤和断裂理论，传感器的材料结构等涉及桥梁、 力学、电子和计算机等多个学科的多种方法综合应用于桥梁健康监测，首次同时实现对桥梁局部和 总体结构损伤的早期( 裂纹萌生期) 识别和损伤跟踪分析，因而具有十分重要的学术和工程应用意 义。这一系统的实现可望帮助相关人员进一步综合了解桥梁结构的失效行为、路径及结构的准确极 塑二童萱壹 一一一 限状态，以实现桥梁安全保障的远程化、智能化、集成化，自动化，降低桥梁检修维护的成本，最 终提高桥梁设计、施工和管理水平。 1 3 论文的内容安排 论文第一章介绍桥梁健康监测的研究背景、现状，存在的问题、论文的研究内容、所做的工作、 论文的工作依据及论文研究工作的意义和应用前景分析；第二章介绍论文进行研究的相荚理论、技 术基础，包括桥桥梁健康监测系统构成和基本工作原理、桥梁健康监测的内容和基本分析方法， r m s b 研究过程中用到的计算机图形学理论、串行通信和单片机等知识：第三章介绍了鱼网传感系 统及r m s b 模型，研究了鱼网传感器的构成原理、结构和对结构损伤的判断规则与相应算法，提出 了r m s b 模型：第四章研究了具有集群监测功能的r m s b 的基本方案，分析了r m s b 的需求和技 术可行性，并初步设计了r m s b 的总体结构、功能和软件系统。讨论了主控子系统和各桥梁现场监 测子系统方案：第五章设计了r m s e b ，并对实验设备和实验过程进行了描述，对实验结果进行了分 析，包括混凝土试件、鱼网传感器、实验系统硬件和实验系统软件等内容，实验系统运行环境和软 件界面的描述，实验数据、比较对象和实验结果分析；第六章是研究工作的总结和展望。 4 第二章相关理论、技术基础 论文的研究涉及到桥梁健康监测理论、计算机图形学、串行通信和单片机等相关理论和技术 下面对所用到的知识进行简要的阐述。 2 1 桥梁健康监测理论 2 1 1 桥梁健康监测系统构成和基本工作原理 桥梁健康监测系统一般包括硬件系统和软件系统，而硬件系统由检测( 传感) 、传输和控制部 分所构成，软件系统则包括数据分析、专家系统和系统仿真三部分。 检测( 传感) 部分获取桥梁的状态参数，通过传输部分送到控制系统，进行分析和处理。而控 制系统运行的软件则包含对数据的分析，利用专家系统对桥梁健康状态评估并进行系统仿真。 典型的桥梁健康监测系统包含了加速度传感器、位移传感器、应变传感器、应力传感器和g p s 等检测手段，且传感器的布置是精心设计的。数据记录装置能自动记录数据并实现数据缓冲。多种 供电方式( 包括直流电源、u p s 、太阳能嵌板和可充电电池) 保证系统在发生地震等其它自然灾害时 也能保持正常工作。为了克服电磁干扰和解决布线的困难，光纤传感器和无线传感器被大量应用。 包含人工智能思想的软件系统大量应用于桥梁健康监测系统中，这种软件的1 二作过程一般包括 以下步骤：( 1 ) 评估模型的建立；( 2 ) 状态参数的实时获取；( 3 ) 通过评估模型对数据进行分析 处理，评估桥梁的健康状态。 为了实现远程数据获取，高性能的实时无线i n t e r n e t 技术已得到了应用，对于位置遥远，无电 话和d s l 设备可用的桥梁，可使用定向天线和无线i n t e r n e t 进行数据和控制命令的传输。 2 1 - 2 桥梁健康监测的主要内容 桥梁的健康监测可以分为施工阶段的健康监测和运营阶段的健康监测，这两个阶段的监测内容 和侧重点各不相同。 1 施工阶段的健康监测 大跨径桥梁施工阶段的健康监测的主要目的是首先确保施工中桥梁结构的健康，其次是保证结 构的外形和内力状态满足设计的要求，其监测的主要内容包括以下几个方面。 ( 1 ) 几何形态监测主要是获取已经完成的结构的实际几何形态参数，如高程、跨度、结构或 缆索的线形、构造物的变形和位移等。 ( 2 ) 桥梁结构的截面应力监测是桥梁施工阶段健康监测最重要的内容，其包括混凝土应力、 钢筋应力和钢结构应力的监测，它是桥梁施工过程的健康预警系统。 ( 3 ) 索力监测大跨径桥梁采用斜拉桥和悬索桥等缆索承重结构越来越普遍，斜拉桥的斜拉 索、悬索桥的主缆索及吊索的索力是设计的重要参数，也是桥梁健康监测主要监测内容。 ( 4 ) 预应力监测主要对预应力筋的张拉真实应力、预应力管道摩阻损失以及永久颈应力值进 行监测。 ( 5 ) 温度监测对大跨径桥梁，特别是斜拉桥或悬索桥，其温度效应十分明显。斜拉桥的斜拉 索随温度变化的伸缩将直接影响主梁的标高：悬索桥主缆索的线形也将随温度而变化，这时对温 度进行监测十分必要。 ( 6 ) 下部结构的监测对于斜拉桥和悬索桥等特大型桥梁，其构筑物基础分稚集中荷载集度 非常大，因而必须对地基的内、外部变形、地锚的应力以及主塔桩基的轴力等进行监测。 2 运营阶段的健康监测 桥梁结构在运营的过程中，使用不当，维修失常。自然灾害，恶劣环境振动和重复荷载作用 下工作等也会导致桥梁功能退化，因而必须建立大桥实时监测系统对运营中的桥梁进行实时监测 5 一一一 蔓三霎担羞垄鎏：垫垄茎熊 或定期检测，及时发现结构的异常和损伤，以避免发生重大事故、造成巨大经济损失和不良社会影 响a 运营阶段桥梁结构的健康监测通常包括结构的状态监测与损伤诊断两个方面。 ( 1 ) 桥梁结构状态监铡 a 振动监测，即对结构的振动、冲击、机械导纳以及模态参数的监测。 b 声学监测，即对噪声、声阻、超声、声发射的监测。 c 温度监测，即对温度、温差、温度场的监测。 d ，性能趋向监测，即对结构的各种主要性能指标的监测。 e 强度监测。即对力、应力、应变的监测。 f 表面形貌监测，即对变形、裂纹、斑点、凹坑等的监测。 上述监测中。监测对象的选择是结构检测中至关重要的一步，通常选择灵敏度较高的特征参数 作为监测对象，或以几种参数联合使用。 ( 2 ) 桥梁结构损伤诊断 桥梁结构损伤诊断的目的是对通过状态监测判定为有异常的结构进行专门的测量、分析和判别。 最后确定采取哪些必要的技术措施。桥梁结构损伤的预防和控制是损伤诊断的晟终目的。当桥梁结 构出现损伤时，结构的各种参量或其中的部分参数将表现出与正常状态不同的特征，如何找到这些 损伤的特征描述，并利用它们进行损伤诊断和结构健康度的评缡是运营期闯挢粱结构健康监测的主 要任务。 2 1 3 桥梁结构损伤诊断的基本方法 传统的桥梁结构状态监测方法是对桥梁的外观以及某些结构特征进行监测，监测的结果一般也 能基本反映结构的当前状态，但是却难以全面反映桥粱的健康状态，尤