第04章 单体桥梁结构智慧监测的硬件系统

第4章单体桥梁结构智慧监测的硬件系统桥梁工程结构智慧监测——理论与实践CONTENTS14.1单体桥梁结构监测系统的硬件标准构成24.2单体桥梁监测系统硬件选型标准第2、3章分别给出了适于网级桥梁群的智慧监测系统的物质基础条件，包括硬件技术和软件技术。本章将针对大型单体桥梁的智慧监测系统的硬件物质基础条件进行说明。不同于网级桥梁群的监测系统，大型单体桥梁往往采用在桥梁附近设置监控系统的做法，也就是利用主干通讯网络将监测信息从现场数据采集站传输到监控中心的计算机网络中。由于该监控中心配置有足够的算力资源，因此这类监测系统的智慧功能将主要发生在监控中心的计算机网络之中。本章先介绍这类监测系统的硬件条件。4.1单体桥梁结构监测系统的硬件标准构成大桥结构健康监测系统首要任务是为桥梁的管理养护服务，设定系统的主要目标为，①通过实时监测手段，对大桥的整体性能和工作条件进行监测；②保证大桥全线结构的安全性和正常使用性能；③为大桥的维护管理提供全面的科学数据和决策依据。系统的总目标体现为下面三个层次。层次一为监测项目的选择和传感器的布设以满足桥梁结构性能监测的需要和满足日常管养为目标。层次二为数据处理和在线评估、预警以满足对结构的安全状态和正常使用状态的判断为目标。层次三为对数据的知识挖掘和离线评估预案的设计以满足桥梁的管养和科学研究需要为目标。图源网络4.1.1结构健康监测系统的构成单体大桥结构智慧监测系统的硬件系统包括传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统、数据存储子系统、数据处理与控制子系统等五个部分，其中传感器子系统将结构响应和环境因素调解为各种电、光信号，数据采集与传输子系统能够将这些电、光信号解调为各种数据信息，并通过传输网络将这些数据信息传输到监控中心的数据处理与控制子系统内，数据处理与控制子系统实现监测数据的存储、显示、处理、管理以及结构评估等功能，从而达到对结构状态的准确把握。各子系统之间的关系如下图。健康监测与安全评价系统构成结构健康监测系统具有如下特点：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评估的能力；具有良好的开放性，能够融合不同方式获得的数据；具有良好的可更换性和升级能力；具有良好的人工巡检界面，满足电子化人工巡检系统的需求；满足长期稳定工作的要求。4.1.2传感器子系统桥梁实时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；结构响应方面；桥梁易发事故或者病害方面。监测类别监测项目传感器类型监测内容环境监测风速风向风速仪平均风及阵风风玫瑰图大气温度空气温湿度计大气温度大气湿度大气湿度结构响应监测整体线形GPS各种荷载环境(如风、温度、车辆等）下的整体位移、桥面及索塔位移振动加速度传感器荷载作用下的桥梁振动状况、频谱等索力荷载作用下的索的振动状况、频谱、索力等地震、船撞地震、船撞等特殊状态下的响应应力应变应变传感器荷载作用下的应力应变分布及变化状况、不同应力水平下的雨流循环计数、疲劳分析等塔柱倾斜倾斜仪荷载作用下的桥梁塔柱倾斜状态等竖向变形挠度仪荷载作用下的桥梁箱梁竖向变形等位移位移传感器监测桥梁特殊构件的位移状况，如鞍座、伸缩缝温度温度传感器钢结构有效温度变化状况4.1.3数据采集与传输子系统数据采集与传输子系统的重点和难点有以下几点：需要考虑传感器的布设位置、类型、抗干扰能力等方面的因素，合理布设数据采集工作站的位置以及工作站内的采集模块的配置；也需要设计具有良好冗余性和鲁棒性的数据传输网络，保障数据传输的稳定性；最后，还需要考虑不同工作站间数据同步。1．子系统功能数据采集与传输子系统应具有以下功能：系统具有自动对各传感器信号进行实时采集、同步传输、自动存储和便于查询的功能。系统具有识别传感器与子系统故障和自动报警的功能。各监测项目在现场具有数据的缓冲存储和数据处理功能。系统具有对所监测数据进行自检、互检和标定的功能。系统具有单点故障不影响控制网络其他部分的功能。系统具有一个或几个部件在发生临时掉电时，系统的每个部件能自行重新接通和保证同步的功能。系统具有基于无线网络的远程异地控制功能。系统具有良好的兼容性、可扩展性和开放性；数据的初期报警功能，当数据发生异常时应向监控中心进行报警；精确的同步校时功能，各工作站应能进行精确同步、校时，工作在统一的时间频率里；2常用采集设备监测内容传感器信号调理器输出特性接口类型风速仪空气流速风速仪自带处理器数字信号RS232或RS485空气温湿度温湿度传感器自带处理器数字信号RS232或RS485空间变形GPS自带处理器数字信号RS232或RS485结构加速度加速度传感器动态数据采集仪模拟信号10MB/s以太网吊杆索力加速度传感器动态数据采集仪模拟信号10MB/s以太网主缆索力加速度传感器动态数据采集仪模拟信号10MB/s以太网拉索索力加速度传感器动态数据采集仪模拟信号10MB/s以太网地震、船撞温度传感器光纤光栅解调仪光信号10MB/s以太网鞍座位移鞍座位移计自带处理器数字信号RS232或RS485结构应变应变计光纤光栅解调仪光信号10MB/s以太网结构温度温度传感器光纤光栅解调仪光信号10MB/s以太网路面温度传感器红外温度传感器自带处理器数字信号RS232或RS485桥墩挠度压力变送器自带处理器数字信号RS232或RS485伸缩缝位移伸缩缝位移计自带处理器数字信号RS232或RS485索塔倾角倾角计光纤光栅解调仪数字信号10MB/s以太网依据传感器类型，常用的单体桥梁监测系统所需的采集设备如下表：3采集节点布置对于大型单体桥梁，由于各监测项目的传感器分散布设在各桥梁段，通常需要多个采集点。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。以下二图，上下图分别为左汊悬索桥及右汊斜拉桥数据采集节点布置图。初步考虑布设6个数据采集节点，其中左汊悬索桥上布设4个采集节点，右汊斜拉桥上布设2个采集节点。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表的采样制度。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。数据传输网络将现场采集到的数据实时地传输到监控中心的关键组件，选择合理的控制网络类型是本子系统研究设计的重点问题。在结合桥梁实际需求的情况，选用光交换机和环网交换机作为通讯传输设备。4常用数据采集制度传感器类型采集数据项单位采样频率采集方式风速仪风速、风向m/s,º1Hz全天空气温湿度传感器温度、湿度℃,%RH10分钟1次全天GPS空间位移mm5Hz全天加速度传感器加速度m/s250Hz全天锚索计索力kN1次/min全天鞍座位移传感器位移mm10Hz全天应变计应变10-620Hz全天结构温度传感器温度℃1次/min全天路面温度传感器温度℃1次/10mins全天压力变送器位移mm5Hz全天伸缩缝位移传感器位移mm10Hz全天倾角仪倾角°1Hz全天4.1.4数据存储子系统为了最大限度地提高设备利用率、减小数据损失的风险，本系统数据存储采用分布/集中式存储结构。分布式存储方式是指在数据采集系统中每个采集工作站的本地硬盘均作为数据存储介质，用于存储本工作站采集的数据。由于本地硬盘的大小限制，数据按时间滚动存储。集中式存储方式是指所有的监测数据，包括自动监测数据和传感参数器配置文件都按约定标准集中存放。为了保证后续数据二次处理、数据融合的性能要求，监测数据优先存储在一级存储设备即磁盘阵列上，根据服务器端请求或定时将历史监测数据转存到服务器的存储设备上。整个服务器存储设备上按就近时间至少保存一年的原始数据。数据存储子系统4.1.5数据处理与控制子系统硬件部分数据处理与控制子系统硬件部分通常由服务器、存储系统、工作站、网络控制设备等构成。常用的两种实施模式包括：（1）客户端/服务端模式；（2）客户端/中继端/服务端模式。客户端/服务端实施模式客户端/中继端/服务端实施模式数据处理与控制子系统硬件部分设计的重点和难点有以下几点：1．快速的在线数据处理方法的选择和实现；2．结构状态预警阈值以及预警方法的选择；3．结构状态评估方法的设计，以便获得结构状态实时的评估结果。一个桥梁健康监测系统工程实例，其数据处理与控制子系统硬件部分采用:1台数据服务器完成对采集到的数据的实时传输和存储服务；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；1台数据库服务器；1台磁盘备份阵列；2台应用台式机、UPS电源以及相应的配套设备。4.2单体桥梁监测系统硬件选型标准单体桥梁监测系统硬件选型总体设计，主要包括如下内容：（1）监测内容和测点的优化布置方案设计；（2）传感器子系统的设计（包括技术参数选型和工作参数设计）；（3）数据采集与传输系统设计；（4）数据存储与中央数据处理系统设计；在进行硬件系统设计时，对于监测内容和传感器测点的优化布置方案，应该围绕概念设计阶段形成的指标的测量，形成兼顾经济和信息量的测量内容和测点布置方案。优化过程应在管养因素、结构因素、力学因素、数学因素等多个层次的约束条件下进行，纯数学力学上的测点优化不应该成为测点布置的唯一指导原则。硬件系统的设计还应该注意在兼顾技术成熟度的同时尽可能采用先进、经济的技术及设备。物联网无线监测等技术可以纳入考虑范围之内；监测系统的能源供给技术需要给与足够重视。4.2.1传感器子系统1传感器子系统的功能要求根据以桥梁健康监测系统概念设计得到的监测模式，确定其传感器技术方案，其功能要求如下：传感器模块应采用先进的技术、实现自动化，通过对传感器模块的采集分析能及时准确地了解各实时监测区段的桥梁建筑物的结构动静力状态。整个桥梁测点比较分散、监测区域大，监测对象是个桥梁集群，且地处野外恶劣环境，所以必须全方位地考虑整个提高传感器模块的防腐蚀、防雷击和抗干扰能力。考虑到工程的传感器数量种类众多，要求建成的健康监测系统具有稳定可靠、使用灵活、维护方便、扩展性能强的特点。监测仪器和监测系统的性能要求应是低故障率、高可靠性，基于所选择的传感器模块后建成的系统应当是实用的、能够长期稳定运行的系统。2技术选型原则根据监测项目的特点和需求，传感器选型必须要考虑耐久性、可靠性、经济性、适用性好，便于组网和可更换性好。设备选型原则主要如下：（1）先进性原则：根据监测要求，尽量选用技术成熟、性能先进的传感器；设备技术指标应符按前述的监测技术参数要求。（2）可靠性原则：保证系统在施工和使用环境下安全可靠运行，经济实用；（3）实用性原则：传感器应有很强的实用性，方便安装和使用；设备性价比高。（4）耐久性原则：选用耐久性好和抗干扰性强的传感器和传输线；（5）可维护、可扩展原则：传感器易于维护和更换；（6）精度选择原则：精度应适中，在满足监测要求的前提下，考虑经济性，选择合适精度的传感器；（7）冗余性原则：在满足监测要求的前提下，适度增加传感器的数量，保证传感器数量具有一定的冗余度。（8）强大的技术支持能力：设备生产商/供货商需具备强大的技术支持能力和长期快速维护能力。3可供选择的监测用传感器监测用传感器及相关仪器类型主要包括以下几类：（1）环境监测类传感器：1)温度监测：接触式：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器、半导体温度传感器、膨胀式温度计、光纤温度计。非接触式：红外测温仪、光学温度计。2)湿度监测：电子湿度计。3)风速监测：机械式风速仪、超声风速仪、多普勒雷达、多普勒SODAR。4)风压监测：FBG风压传感器、压电式风压传感器、密闭空腔风压监测系统5)地震监测：地震仪、强震仪。（2）几何监测类传感器：位移计、倾角仪、全球卫星定位系统（GPS）、电子测距器（EDM）、全站仪。（3）结构反应监测类传感器：1)应变监测：电阻应变计、振弦应变计、光纤应变计。2)位移监测：百分表、连通管、线性可变差动变压位移传感器（LVDT）、电阻电位计、激光测距仪、综合型加速度计（位移档）、微波干涉仪。3)转角监测：倾角仪。4)加速度监测：压电加速度计、伺服式加速度计、电容式加速度计、雷达测速仪、激光多普勒速度仪（LaserDopplerVibrometer，简称LDV）。5)速度监测：综合型加速度计（速度档）。6)内力监测：应变式压力传感器：筒式应变测压传感器、活塞式应变压力传感器、平膜片式应变压力传感器。压电式压力传感器。压阻式压力传感器：膜片式压电压力传感器、固态压阻式压力传感器。磁弹性仪。剪力销。索力：压力传感器、压力环、磁通量索力计、频率方法（加速度计）。（4）外部荷载监测类传感器：1)车速监测：雷达检测、激光检测、红外线视频检测、超声波检测、感应线圈检测、磁传感器检测、视频检测。2)车载：石英压电传感器、光纤称重传感器、压电薄膜传感器、弯板式称重系统、动态称重系统。（5）材料特性监测类传感器：1)锈蚀监测：钢筋锈蚀仪、埋入式钢筋混凝土的腐蚀检测系统。2)裂缝监测：裂缝数显显微镜、裂缝宽度测试仪、裂缝深度测试仪。3)疲劳监测：混凝土疲劳计、钢结构疲劳计。4传感器主要性能参数传感器常用的性能参数定义如下：（1）量程：传感器能测量的物理量的极值范围。（2）最大采样频率：传感器每秒从实际连续信号中提取并组成离散信号的采样最大个数。（3）线性度：传感器的输出与输入成线性关系的程度。（4）灵敏度：传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。（5）

分辨率：传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。（6）迟滞：在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等的现象。（7）

重复性：传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时所得的输入-输出特性曲线的一致程度。（8）漂移：传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。（9）供电方式：传感器采用直流电供电还是交流电供电。（10）寿命：传感器的有效期。5常用传感器的基本参数要求（1）应变类传感器埋入式：精度和分辨率均宜达到1。对于动态测量，采样频率宜设置为50~100Hz，量程宜不小于2000×10-6。外贴式：分辨率均宜小于0.2，精度宜小于等于1。对于动态应变，采样频率宜设置为50~100Hz，量程宜不超过100。（2）位移类传感器量程因测量部位或用途而异。分辨率及精度建议在0.1~1mm之内。（3）加速度类传感器测量范围：±0.5g（单向及双向加速度计）；±2.0g（承台顶三向加速度计）；灵敏度：±2.5V/g采样频率50~100Hz建议搭配16位以上采集卡，以便获得足够的分辨率。4.2.2数据采集子系统数据采集与传输模块设计的主要依据是：集约化设计的监测模式规定的传感器输出信号类型;信号电缆的类型和长度;采样频率以及测试精度。数据采集与传输模块完成传感器数据的采集、信号调理与数据传输。各种不同类型的传感器采用不同的信号调理模块，数据采集模块完成对调理后的传感器信号的处理与转换，最终形成统一的数字信号；数据传输模块将经过采集模块获得的传感器监测参数的数字信号调制成为可供远程传输的信号，并完成信号的远程传输及解调的任务。数据采集与传输子系统同时也应作为向传感器发送采集指令的载体与通道。1采集工作站总体要求传感器工作站是为户外运行而设计的，与在实验室和工业环境条件下使用的系统不同，传感器工作站完全工作在一个纯自然的环境下工作。所以系统要具备在温度变化范围大、湿度高的环境下工作的能力，同时具有抗风吹日晒和抗击震动的能力。现场采集工作站允许工作条件：（1）允许工作温度范围：-20℃~60℃；（2）防水，防潮，防尘，满足防护IP65工业标准；（3）抗主要的化学腐蚀，特别是盐的腐蚀。（4）工作站中的电源系统应具有强大电源净化和电力后备功能，保证系统在恶劣的电网环境下正常工作。2功能要求基本要求如下：(1)系统应具有与其安装位置、功能和预期寿命相适应的质量和标准。通信协议、电气、机械、安装规范应采用相应国家标准或兼容规范。(2)系统具有自动对各传感器信号进行实时采集、同步传输、自动存储和便于查询的功能。(3)系统应能在无人职守条件下连续运行，采集得到的数据可供远程传输和共享，采样参数可远程在线设置,系统具有基于因特网的远程异地控制功能。(4)外场工作站宜采用的成熟稳定产品，确保系统的稳定性、耐久性和高精度，能连续采样，并能在报警状态下(台风、地震、船撞等)进行特殊采样和人工干预采样。(5)工作站应具有适当的数据预处理能力和充足的缓冲存储器容量，以保存一定时段的采样数据。(6)系统具有良好的兼容性、可扩展性和开放性。其它要求还包括：系统具有识别传感器与子系统故障和自动报警的功能。系统具有对所监测数据进行自检、互检和标定的功能。系统具有单点故障不影响控制网络其他部分的功能。系统具有一个或几个部件在发生临时断电时，系统的每个部件能自行重新接通和保证同步的功能。3选型原则(1)设备生产商/供货商需具备强大的技术支持能力和长期快速维护能力；(2)充分考虑系统的稳定性、耐久性和高精度。(3)采用世界先进的成熟产品。(4)设备性价比要高。4时间同步作为一个集成系统，其数据采集过程必须有较好的时间同步设计。所有采集过程应采用单一的时间参照系确定标准时间，从而保证系统具有较高的时间精度，并便于操作。常用的同步方式是在监控中心设置一台基准时钟接收设备，定时接收卫星发布的时间信息，并通过RS232接口与监测中心计算机服务器通信。监测中心作为本系统最高级别的时间控制中心，系统中的所用其它设备都将服从中心的时间更新命令。监测中心服务器将通过应用程序和网络将接收到的基准时间信息发送到各设备，各设备根据收到的时间信息校准自己的系统时间，及时更新，以保证系统各设备更新后的时间具有较高的一致性，因而实现系统的严格同步。时间的发送更新频率可根据需要进行调整和设置（如每半时一次），授时精度<10us。4.2.3数据传输子系统数据传输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。1底层传输网络底层传输网络的功能包括：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。其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，所用连接方式见表：底层传输网络连接形式表2上层传输网络桥梁现场工作站（采集站）通过光纤以太网交换机与监控中心的数据服务器相连接。建议以选择光纤千兆以太网来实现数据传输通讯硬件载体，也可采用无线方式实现。桥梁现场工作站通过光纤串行总线、光纤传感网络及同轴电缆网络将各类传感器监测数据汇集，然后通过光纤以