桥梁健康监测系统数据对外交互的原则和边界分析20170914

1、桥梁健康监测系统数据对外交互的原则和边界分析戴红良刘清林摘要：通过调研分析9座大型桥梁的健康监测系统和实际运行情况，阐述了大型桥梁健康监 测系统数据对外交互的原则、需求以及系统数据交互的边界和作用，为桥梁健康监测大数据 汇聚、融合技术方案提供参考。主题词：桥梁健康监测对外交互原则系统边界1、前言随着我国经济实力的增强和发展的需要，我国桥梁建设事业日新月异，大型 桥梁不断地建设、建成和使用。大型桥梁由于其大长度和大跨度，对桥梁结构安 全维护提出了更高的要求。为了满足大型桥梁的日常管养需要，及时掌握大桥代 表性构件的结构使用状态，交通运输部关于进一步加强公路桥梁养护管理的若 干意见（交公路发201

2、3321号）中提出：“特大、特殊结构和特别重要桥梁的 养管单位，要利用现代信息技术，建立符合自身特点的养护管理系统和健康监测 系统”。桥梁健康监测（SHM，Structural Health Monitoring），是指利用预埋或现场安装 的、对桥梁结构安全无损的传感器元件，对结构在荷载作用下的响应以及结构系 统特性的变化进行测量，在数据分析基础上，从而达到获得桥梁构件状态、结构 损伤或退化判断的目的。近年来，我国通过桥梁结构健康监测系统，在桥梁结构 的关键部位部署相应的传感器监测节点，对桥梁的环境荷载、运营荷载、桥梁特 征和桥梁响应等参数进行实时监测。同时，利用各种数据分析方法，对监测数据

3、进行智能处理，从而有效地评估桥梁结构的健康状况。2、系统数据对外交互的原则通过对浙江省舟山跨海大桥（金塘大桥、西堠门大桥）、之江大桥、钱江三 桥、钱江五桥、钱江六桥、九堡大桥以及江苏省苏通大桥、润扬大桥等大型桥梁 的健康监测系统运行分析（见表1），所有的大型桥梁的管养单位都基于自身养 护、管理和监管的需求进行建设和使用，它们均处于独立、分散的运营状态。表1：国内部分大型桥梁结构健康监测系统调运行情况整理序 号大桥名称桥梁类型健康监测系统 设计单位监测参数运行情况桥方运 行维护数据分析状况评价情况评价1西堠门大 桥悬索桥中交公路规划 设计研究院车辆车速、温湿度、振动、 变形、索力、风速风向等 1

4、2个参数良好专业人员维护良好2金塘大桥斜拉桥中交公路规划 设计研究院车辆车速、温湿度、振动、 变形、索力、风速风向等 12个参数良好专业人员维护良好3之江大桥斜拉桥部公路科学研 究院车辆车速、气象、振动、应 变、索力、风速风向等10 个参数良好专业人员维护良好4钱江三桥斜拉桥部公路科学研 究院变形（挠度、位移）、视频 监测一般无一般5钱江五桥混凝土连续箱形梁 桥上海通济科技有限公司变形（挠度、位移）一般无一般6钱江六桥钢构连续 组合体系 梁桥部公路科学研 究院变形（挠度、位移）一般无一般7九堡大桥连续结合梁-钢拱组合体系拱桥中铁大桥局集 团武汉桥梁科 学研究院有限 公司温湿度、风速风向、变形等

5、 参数一般专业人员维护一般8苏通大桥超千米跨径斜拉桥中交公路规划 设计研究院风、大气温湿度、桥梁内部 温度、整体位移、支座位移、 加速度、应力应变良好专业人员维护良好9润扬大桥斜拉桥与 悬索桥组 成的大跨 径组合型 桥梁江苏省交通规 划设计院有限 公司索力、振动、线型监测（倾 角）、应力、温度监测、位 移与沉降、车道车辆荷载和 车流、环境风监测（风速、 风向）良好专业人员维护良好从上表分析可知，桥梁健康监测系统是桥梁管养单位按照自身要求设计和建 设的系统，可以不依托其他系统独立运行和操作。因此，桥梁健康监测系统与外 部系统的进行数据交互时，应遵循以下原则：（1）松耦合原则。对外进行数据交互需不

6、影响桥梁健康监测系统的正常运 行，包括数据性及功能性方面的操作都不能影响，需保持桥梁健康监测系统独立 和完整性；数据交互的两个系统或平台相对独立，只提供数据交换的通路、数据 操作的服务。（2）易维护原则。桥梁健康监测系统涉及很多个传感器的数据采集、传输 和应用，与外部数据交互的系统在管理和维护上要非常便利，尽量不增加桥梁管 养单位的工作任务。网络和数据交换规模是可以进行可扩展的，无须太多开发工 作量即可完成的。（3）规范化原则。桥梁健康监测系统涉及各类传感器，数据格式多种多样， 如GPS坐标信息、感知仪器的二进制信息等，因此需要所有对外提供的数据信 息需按照原始数据进行十进制（国际单位）转换，

7、确保外部系统在数据交换、分 析和利用时，应用数据是真实的、有效地、客观的。3、系统数据交互的需求分析如果桥梁管养单位只是基于桥梁自身养护需求，一个大型桥梁健康监测系统 无须对外进行数据交互。但随着“云计算”、“大数据”等最新信息技术理念的 应用，桥梁健康监测的数据不仅仅为大型桥梁日常管养服务，可以更好的为桥梁 管养单位、健康监测系统设计单位、行业管理单位服务。（1）桥梁管养单位可以将桥梁健康监测系统、桥梁养护管理系统、桥梁事 故事件分析系统、桥梁交通流观测系统等数据信息集成在一起，完成桥梁运行“大 数据”的融合，可以全面地、连续性的掌握桥梁整体运行和结构安全状态信息。（2）设计单位可以对自身设

8、计的桥梁健康监测系统设计参数、应用环境与 实际运行的状态、运行环境进行比照，并可以对于多个桥梁健康监测系统的相关 感知设备、运行网络、维护保养和具体效果进行对比分析，获得更多基础数据的 支撑，提高设计和应用水平。（3）行业管理单位通过采集众多大型桥梁设计、运行、养护、监测、检测 数据，对类似桥梁结构、类似地理地质环境和事故、事件作用下的桥梁各种数据 信息分析，包括结构监测、日常养护、状态评估、安全预警及应急处置等各类数 据进行融合，进行定量定性的分析应用，使管养单位、设计单位、行业管理部门 在微观、宏观上把握大型桥梁运行状况、安全形势，逐渐归纳形成不同大型桥梁 的监测、维护与管理策略，为开展科

9、学的桥梁管养和行业指导提供支撑。4、系统交互边界分析（1）系统交互边界定义 桥梁健康监测系统与外部系统的数据交互边界应在桥梁健康监测系统的外部，具体如下图1所示。根据桥梁健康监测系统的原始数据提供到对应的数据交 互服务器，其与桥梁健康监测系统数据库服务器是松耦合部署的，也是对外系统 数据交互服务的边界。图1所示，桥梁健康监测系统在设计和实施时，为便于传感器的网络通讯和 维护，一般情况下将多个传感器通过一个信息子站集成这些传感器采集的信息， 再通过电信运行商的网络或桥梁业主单位自己铺设的光纤传送到传感器信息采 集服务器中，在传感器信息采集服务器很多信息是传感器的自身编码的信息，如 二进制信息、地

10、理坐标信息或者各种加密过、集成过的信息，通过转换将这些原 始信息转换为十进制信息，存储在桥梁健康监测系统的数据库服务器中，此时信 息已经可为作为桥梁健康监测系统的基础信息，进行分析和利用。图1桥梁健康监测系统与外部系统边界图（2）数据交互边界分析的作用桥梁健康监测系统数据交互的边界定义，其实将数据交互脱离了业务系统本身，既可以方便的与桥梁管养单位自身的业务信息系统集成，并在不影响桥梁健 康监测系统正常运行下与外部系统进行数据交互，可大大减少后续数据接口及数 据处理的工作量，有利于不同系统数据的整合、汇聚和更层次的利用。5、结语桥梁健康监测系统的数据对外交互，目前还没有形成主流。但随着大型桥梁从建 设期逐步进入运行维护期，桥梁管养单位、设计单位以及行业管理单位不仅仅希 望解决桥梁结构即时信