CN101763053B - 一种移动式桥梁安全检测分析管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明系一种移动式桥梁安全检测分析计算机网络管理的系统。一种移动式桥梁安全检测分析管理系统，包括传感器监测系统、数据采集系统、数据分析和处理系统组成。传感器监测系统包括主梁振动、主梁内力、主梁温度、桥塔位移、主梁线型、桥塔振动、缆索索力、环境监测。数据采集系统采用数据采集器接入包括温度传感器、加速度传感器、振弦式应变计，全站仪、风速风向仪和数字摄像机、超声波探伤仪。数据分析和处理系统由数据分析处理工作站计算机操作运行控制。根据采集的数据与信号反演出桥梁的结构工作状态和健康状况，识别出可能的结构损伤程度及其部位，从整体给出桥梁的安全可靠性评估，为管理养护提供技术支持，保障安全运营。

Description

一种移动式桥梁安全检测分析管理系统

(一)技术领域

本发明系一种移动式桥梁管理系统，具体是涉及一种移动式桥梁安全检测分析计算机网络管理的系统。

(二)背景技术

改革开放以来，我国交通事业得到飞速发展。据统计，我国目前共有各种桥梁31.1万座，总长度1.25万公里。这意味桥梁管理的需求加大，为避免一流桥梁、三流管理的情况出现，桥梁运营安全及养护管理技术在工程实践中应予高度关注，为我国建桥工业走向世界解决相应的配套基础技术是未来行业内需突破的关键技术。

桥梁的设计及建造，需要有对桥梁结构特性和状态的客观监测与认识；制定合理、经济、有效的桥梁管理养护措施，保障桥梁的安全运营，需要有对桥梁结构状况的长期监测；发展桥梁结构的专家管理系统和开发桥梁结构损伤识别技术，需要有对桥梁监测、分析的知识积累。

作为现有技术对桥梁的监视管理有采用对桥梁的个别位置设置监测仪、传感器进行监视测量，发现问题针对性地进行解决，虽然这样的方法能“救急”，但是总存在头痛医头脚痛医脚的现象，不能妥善管理桥梁，不能保持它良好的运行状态，减少故障，延长使用寿命。

为了对桥梁管理养护提供技术支持，保障桥梁的安全运营，迫切希望能提供一种高效的管理办法和工具。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种移动式桥梁安全检测分析管理系统，对桥梁的安全可靠性评估，为桥梁管理养护提供技术支持，保障桥梁的安全运营。

本发明的目的由以下技术方案予以实现：

1.一种移动式桥梁安全检测分析管理系统，其特征在于，所述系统包括传感器监测系统、数据采集系统、数据分析和处理系统组成，

所述传感器监测系统包括主梁振动监测、主梁内力监测、主梁温度监测、桥塔位移监测、主梁线型监测、桥塔振动监测、缆索索力监测、缆索振动监测、结构损伤监测、环境监测；

所述数据采集系统采用数据采集器接入包括温度传感器、锚索计、加速度传感器、振弦式应变计，全站仪、风速风向仪和数字摄像机、超声波探伤仪；

所述数据分析和处理系统由数据分析处理工作站计算机操作运行控制，包括以下三个部分：数据采集和传输部分及相应软件、数据采集处理和存储控制部分及相应软件，结构分析健康评估部分及相应软件。

2.根据技术方案1所述分析管理系统，其特征在于：

所述主梁振动监测为，在包括桥梁1/2节点的关键位置设置主梁振动监测截面，每个截面设置3台加速度传感器，监测顺桥向和横桥向的振动响应；

所述主梁内力监测为，选取桥梁有代表性断面进行主梁内力监测，选用包括振弦式应变计传感器，监测在包括交通荷载、风荷载、温度荷载负荷作用下桥梁重要混凝土构件或钢构件的应变情况；

所述主梁温度监测为，选取对主梁有代表性断面设置温度分布监测温度对主梁内力和变形的影响；

所述桥塔位移监测和主梁线型监测为，采用全站仪对主梁线型监测及桥塔位移监测；

所述桥塔振动监测为，在桥塔设置监测截面，每个截面设置3台加速度传感器，监测桥塔在包括风、交通荷载作用下的加速度响应；

所述缆索索力监测为，采用直接监测主缆索力方法，监测点设在锚室内，分别在每个主缆断面的上端索股、下端索股、左侧索股、右侧索股、中间索股进行主缆内力监测；

所述结构损伤监测为，在缆索上设置监测点，选用加速度传感器用于监测缆索顺桥向和横桥向的振动响应；

所述结构损伤监测为，采用超声波探伤仪和/或磁粉探伤仪和/或裂缝测宽仪，检测包括混凝土裂缝深度、不密实区域、蜂窝空洞、结合面质量、表面损伤层厚度、钢管混凝土内部缺陷、路面病害；

所述环境监测为，采用风速风向仪实时监测桥址处环境风力、风向，监测桥址处的环境温度、大桥主要构件的温度及温度梯度。

3.根据技术方案1所述分析管理系统，其特征在于所述结构分析健康评估部分及相应软件为包括分析评估：

桥梁结构内力的实际分布状况；

桥梁主体结构材料的徐变、收缩、松弛和桥梁基础的沉降引起的桥梁结构内力分布的变化；

各种环境条件下的桥梁主体结构内力状况；

特殊环境条件下的桥梁结构内力与位移响应的强度。

4.根据技术方案3所述分析管理系统，其特征在于所述各种环境条件下的桥梁主体结构内力状况及特殊环境条件下的桥梁结构内力与位移响应的强度分析评估，包括分析评估：

温度变化引起的桥梁挠度变化

温度变化引起的桥梁振动特性变化

风载荷引起的桥梁挠度变化

风载荷引起的桥梁振动特性变化

5.根据技术方案4所述分析管理系统，其特征在于，对于斜拉桥、悬索桥大型桥梁，所述分析评估增加：

温度变化引起的桥塔位移；

温度变化引起的拉索或吊索、主梁的应力变化；

风载荷引起的桥塔位移；

风载荷引起拉索或吊索的应力变化。

6.根据技术方案1所述分析管理系统，其特征在于所述数据采集系统：

具有与其安装位置、功能和预期寿命相适应的质量和标准；

数据采集工作站连续采样，在报警状态下特殊采样和人工干预采样；

数据采集软件具有数据采集和缓存管理功能，并对现场数据进行统计运算，显示相应信息；

传感器信号提供在线预览、滤波、变换和同步统计处理功能；

所有数据采集的参数由一个标签数据库控制，系统里的所有传感器均有一个唯一的标签，该标签包含了传感器所有有关数据采集设置的信息；

标签编辑器对所有的标签信息和数据库参数进行编辑，将编辑结果存储在配置文件里；

系统管理员在数据处理与控制工作站上运行标签编辑器，通过菜单或人机界面对包括模拟、数字和视频所有信号的包括采样频率、触发阈值、时间间隔参数进行调整；

系统软件操作权限分为多级，仅系统管理员具有包括运行标签数据库、编辑配置文件、修改传感器的校准数据在内的操作权限；

系统具有包括实时自诊断功能，能识别传感器失效、信号异常、子系统功能失效或系统异常情况，出现故障时能自动地将故障信息上传至数据处理与控制工作站，并激活警报信息，同时隔离故障传感器或子系统。

7.根据技术方案1所述分析管理系统，其特征在于所述数据采集系统采用数据采集器接入所述传感器提供串口设备通过串口转换器将信号转换为以太网信号接入系统，所述数字摄像机、超声波探伤仪其记录视频及数据直接接入数据分析处理工作站。

8.根据技术方案1所述分析管理系统，其特征在于所述结构分析健康评估部分及相应软件为：提供图形化界面；软件系统模块化；系统内设备的操作权限化；软件具有功能和远期工程扩展性；各监测子系统测点读数可相关性分析；大桥交通监控系统中可读取交通、气象环境状态检测值及与系统整体监测相关记录；包括各关联监测点的监测事件、监测实施时间、环境状况的查询模式；建立按单点单次事件、单次事件关联点共性参数、单点检测历程、关联点共性参数检测历程的查询模式。

9.根据技术方案1所述分析管理系统，其特征在于所述结构分析健康评估部分及相应软件为：

各监测点检测数值，包括内力、位移、振动基频、振幅比的日常状况：检测数据的波动范围、波动的统计特性与波动的物理解释；

检测参数的易识别性、重现率和数值的稳定性、数据的误码率，以及检测参数波动与环境状况变化的相关性；

选择、认识具有易分辨特征、稳定的或具有规律的结构响应参数作为进一步的监测分析目标。

10.根据技术方案1所述分析管理系统，其特征在于所述结构分析健康评估部分及相应软件为：

建立与大桥健康状况和系统监测相适应的大桥结构分析模型；

理论模型与系统实测的逼近程度和理论模型的可修正性；

以大桥结构分析模型为基础，对系统监测数据进行判读，建立波动的检测值与大桥结构状态研判的关联性；

从大桥结构分析模型上，确定与大桥结构各状态和对大桥各重要结构特性所必需的监测布置、监测模式与必要的监测技术条件；

通过对系统检测数据积累与检测数据质量的分析，评价原系统布置中有效的监测子系统和相应的检测数据处理方法。

本发明的优越性和有益效果：一种移动式桥梁安全检测分析管理系统是以普通桥梁为主要监测对象，针对混凝土结构、钢结构等多种结构型式桥梁的特点，实施长期定期监测包括内力、位移、振动、温度等的桥梁结构响应与桥梁结构健康状态分析评估的系统。系统如扩容可扩展至大型、特大型桥梁如悬索桥、斜拉桥的结构安全监测。

移动式桥梁安全检测分析管理系统通过传感器数据采集系统采集桥梁在运营状态下的各种数据和信号，并根据采集的数据与信号反演出桥梁的结构工作状态和健康状况，识别出可能的结构损伤的程度及其部位，进而给出桥梁的安全可靠性评估，为桥梁管理养护提供技术支持，保障桥梁的安全运营。

经检索，现有技术在个别、局部处对桥梁有采用监视的技术方案公开，但是国内外尚未出现从整体上对桥梁作全方位，多部位、多条件、多特性的监视、分析的技术方案，本发明看似只是由现有技术在数量和规模上进行了扩允、扩大，是一种简单的数量递加，但是其实不然。一者，是发明人经过、进行了长期实践和研究中发现大量桥梁的事故、隐患的发生不仅在局部，而且在整体上容易取得先兆信息，这类数据对于指导维护、防护更有价值，因此，提出了此课题、此项目、此技术方案、此专利；其二，由于科技手段的发展，如今也具备了具有实际价值的检测、监视、分析应对的仪器、设备和方法，过早提出此项目将无法实现，过晚提出此项目将丧失新颖性，推迟对社会作出贡献，因此，此技术方案的提出正当其时，具有突出的新颖性、创造性和实用性。

本发明从整体上对桥梁进行监控，有缺陷，无缺陷和存在潜在问题能分别及时掌握，分别处理，以最小、经济的代价，实现了最大化的管理效果。

(四)附图说明

图1为本发明一种移动式桥梁安全检测分析管理系统的总配置图；

图2为本发明的数据采集单元软件功能模块图；

图3为本发明的数据处理和存储控制软件功能模块图；

图4为本发明监测数据管理和特征分析软件功能模块图；

图5为本发明数据存储处理流程图；

图6为本发明数据查询模块流程图。

(五)具体实施方法

以下结合附图进一步详细说明本发明的结构实施方法。

一、本发明的主要内容：

1、根据桥梁结构状态物理量的变化、各物理量之间的相关性与安全的对应关系，编制分析和评估软件，为桥梁安全运营管理提供解决方案。具体要求如下：

①反映桥梁结构状态物理量的研究

②相关物理量的检测方法及可靠性

③各物理量之间的相关性

④相应物理量的变化与结构变化的对应关系

⑤根据分析为桥梁养护提供依据

2、移动式桥梁安全监测系统由传感器系统、数据采集系统及数据分析和处理系统组成。数据分析和处理系统根据桥梁监测数据库的监测数据建立各种载荷模型以及结构静力、动力和统计分析模型，并将计算分析所得数据与设计许用值、极限强度值进行比较，在此基础上进行数据的处理、分析以及对桥梁结构设计进行验证；为养护管理提供科学的依据；对桥梁的使用状况做出评估。

3、关键技术开发

①研究桥梁结构的监测方法，包括需监测的物理量以及监测的位置及方法。鉴于投资规模的考虑，实时的监测系统难以包含桥梁结构的各个方面，因此，移动式的结构综合检测设备的研究是目前最为经济、合理，使用面广的急需解决的研究课题。

②移动式状态识别、诊断分析的专家系统。移动式桥梁结构安全检测分析系统是以有效的工程结构检测为手段，以桥梁工程结构理论为依据，通过监测桥梁结构在环境载荷下的响应特征，以实现桥梁结构状态识别、结构退化诊断和科学养护的专家系统为目标的自动化结构检测、分析系统。

③科学的安全状况评估系统。根据本系统综合检测设备的监测，通过数据采集，对桥梁结构安全给出状况评估是另一个需解决的技术难点。

二、本发明的需求分析

基于现代通信、控制与计算机技术而发展起来的桥梁结构安全监测系统，是人们寄希望于现代科学技术的发展以实现对桥梁结构实时或定期监测、结构状态评判与科学维护的智能化监测的管理工程实践。

相对于庞大的桥梁结构体系、复杂的营运环境、影响结构状态的众多未知因素、相对匮乏的监测认识和人们对系统在维护桥梁结构安全方面起重要作用的期盼，系统本身具有广泛而深远的技术内涵与发展需求，具有相当广阔的技术发展空间。在目前桥梁监测系统的实施和对监测数据的评判上，需要通过不断地监测工程实践、监测知识积累和对桥梁结构响应特性的认识，以充实系统监测的运用，扩展、深化系统的监测范围和系统的监测能力。

就目前可选用的工程检测技术和系统监测运行的环境，对桥梁结构的监测运用更多体现在对被监测桥梁结构状况的整体把握与宏观了解，例如：

施工完成之后桥梁结构内力的实际分布状况；

桥梁主体结构材料的徐变、收缩、松弛和桥梁基础的沉降引起的桥梁结构内力分布的变化；

各种环境条件下的桥梁主体结构内力状况；

特殊环境条件下的桥梁结构内力与位移响应的强度；

等等，并就此开展了一系列关于桥梁结构健康响应特征和从响应特征变异推演结构状况与可能出现变异的监测技术的研究，以深化、扩大系统的监测功能与监测范围。

基于桥梁结构安全监测技术发展现状并考虑本项目的投资估算，本系统拟采用与目前世界上众多已运行的桥梁结构监测系统相同的监测模式：检测桥梁结构的力学响应(静态或动态的结构内力、变形、位移)。

针对各种普通桥梁的结构特点，选取以下监测内容：

1)主梁振动监测

2)主梁内力监测

3)主梁温度监测

4)主梁线型监测

5)结构损伤检测

6)环境监测

针对各种斜拉桥、悬索桥等特大型桥梁的结构特点，增加以下监测内容：

1)桥塔位移监测

2)桥塔振动监测

3)索力监测

4)缆索振动监测

在获得对系统监测数据的认识与客观评价的基础上，适当完善系统的监测功能。以建立对桥梁结构状况的整体把握和宏观了解的监测系统为目标，力图以可靠的检测技术与比较全面的监测；从结构受力特征与结构疲劳、腐蚀、损伤关系的分析上，指导对桥梁结构的科学维护。

在检测技术与相应的结构分析技术支持的条件下，针对桥梁维护中已经出现的影响结构安全使用的值得关注的问题(如：超重车对桥面及铺装的损伤)和需定期检测的内容(如：吊索或拉索索力及其分布)，研究设计有效的局部检测与评估方法。

对于桥梁即时运行状态，结构安全监测系统对各独立参数进行综合数据分析，用图形方式直观标绘出桥梁即时运行状态。

系统依据桥梁环境温度、风速、风向参数，对采集到的数据进行相关性分析，对桥梁运行状态进行预警分析和报告。

针对各种普通桥梁，系统可对以下数据进行相关性分析：

①温度变化引起的桥梁挠度变化

②温度变化引起的桥梁振动特性变化

③风载荷引起的桥梁挠度变化

④风载荷引起的桥梁振动特性变化

针对各种斜拉桥、悬索桥等特大型桥梁，系统增加对以下数据的相关性分析：

⑤温度变化引起的桥塔位移

⑥温度变化引起的拉索或吊索、主梁的应力变化

⑦风载荷引起的桥塔位移

⑧风载荷引起拉索或吊索的应力变化

三、系统说明

1.监测内容

移动式桥梁安全检测分析管理系统监测内容首先考虑桥梁结构形式的特点，针对不同桥型选取不同侧重点的监测内容。另外，从运营期养护维修的角度出发，考虑提供必要的数据，为养护需求、养护措施决策采用提供科学依据，确保结构安全运营，真正做到预防性养护。确定监测内容还需根据监测系统的自身要求来选择适合的监测项目，主要考虑到测试手段的可行性、分析方法的可靠性等因素。移动式桥梁安全检测分析管理系统的监测内容在考虑不同结构形式的特点基础上，考虑以下三方面的因素而定：

①环境方面；

②养护管理方面；

③桥梁易发事故方面。

环境方面，环境温度及风是对桥梁结构的正常使用产生影响的基本因素，因此需对其进行监测。

根据桥梁养护管理的要求，如墩、塔的沉降位移、桥跨结构的变形等均是桥梁管养方面重要指标，监测系统需对此进行监测，以便反映结构的真实状态，监测内容如与养护管理系统有机的结合可高效地发挥桥梁健康监测系统的作用。

桥梁易发事故方面，根据不同类型桥梁的结构特点，有目的的监测其可能造成损伤的部件及引发结构损伤、事故的的参数等。如斜拉桥的动力特性、混凝土桥的挠度变形等。

综合以上因素，移动式桥梁安全检测分析管理系统对桥址环境、结构特性、结构静动态响应进行实时或定期监测。

I环境监测：

①大气温度；

②风；

II结构特性：

①结构静力影响系数；

②结构动力特性(即频率、模态、阻尼、质量参与系数等)。

III结构静动态响应：

①整体结构几何变形；

②构件应力变化及分布状况；

③斜拉索索力状况；

④结构损伤状况；

⑤桥墩沉降状况等。

2.系统构成

移动式桥梁安全监测系统主要由传感器系统、数据采集系统、数据分析和处理系统(软件系统)等组成。

传感器系统由主梁振动监测、主梁内力监测、主梁温度监测、主梁线型监测、结构损伤监测、环境监测、桥塔位移监测、桥塔振动监测、缆索索力监测、缆索振动监测传感器组成；其中振动监测采用加速度传感器，内力监测采用振弦式应变仪，损伤监测采用超声波探伤仪，结构温度监测利用振弦式应变仪内置的温度传感器，环境监测采用风速风向仪及温度传感器，主梁线型及桥塔位移监测采用高精度全站仪，索力监测采用智能型锚索计。

数据采集系统采用数据采集器接入温度传感器、锚索计、加速度传感器、振弦式应变计，全站仪、风速风向仪等可提供串口设备通过串口转换器将信号转换为以太网信号接入系统，数字摄像机、超声波探伤仪其记录视频及数据直接接入数据分析处理工作站进行存储及分析、处理。

3.传感器系统

系统采用的传感器类型包括：风速风向仪、温度传感器、加速度传感器、振弦式应变计、超声波探伤检测仪、全站仪用于完成主梁振动监测、主梁内力监测、主梁温度监测、主梁线型及桥塔位移监测、桥塔振动监测、缆索索力监测、缆索振动监测、交通流量监测、环境监测等相关工作内容。

振弦式应变计(砼)适用于长期埋设在混凝土结构的梁、柱、桩基、支撑、挡土墙、水工建筑物、衬砌、墩与底脚、桥梁、隧道衬砌及其基岩中监测其应力与应变，加装配套附件可测量表面应变量。并可同步测量埋设点的温度，可选择数字式温度计作为测温元件

①主梁振动监测

本系统在桥梁1/2节点等关键位置设置主梁振动监测截面，每个截面设置3台加速度传感器，用于监测顺桥向和横桥向的振动响应。

②主梁内力监测

了解在交通荷载、风荷载、温度荷载等各种负荷作用下桥梁各重要混凝土构件或钢构件的应变情况，为评价结构工作状态提供依据。

本系统选取桥梁有代表性断面进行主梁内力监测，选用振弦式应变计等传感器。

③主梁温度监测

温度对主梁内力和变形的影响不可忽略，通过对主梁有代表性断面上的温度分布监测，可以验证设计假定或根据实际测量的结果重新计算温度对主梁内力和变形的影响，以及修正主梁内力监测数据，以便对桥梁的安全状态作出更加符合实际的评价。

在振弦式应变计等传感器设置时，配置相应的温度传感器，接入的数据采集器中。

④主梁线型及桥塔位移监测

近年来，全站仪等实时位移测量技术有了广泛的应用，该项技术具有精度高，速度快，全天候，全自动等优点。全站仪检测精度高，测距精度达到2mm+2ppm，是理想的桥梁位移监测工具，因此本系统采用全站仪方案用于主梁线型监测及桥塔位移监测。

⑤桥塔振动监测

通过实时监测桥塔在风、交通荷载等作用下的加速度响应，以评估结构的整体动力特性，为评价桥梁的结构健康与安全状况、验证大桥设计理论，以及日常运营管理提供依据。

本系统在桥塔设置监测截面，每个截面设置3台加速度传感器，监测桥塔振动。

⑥缆索索力监测

斜拉索是斜拉桥的主要传力构件，活载和桥面系自重荷载均由斜拉索传递到桥塔，斜拉索的拉力不仅关系到桥塔的受力状态，而且直接影响到桥面线形和行车舒适度。斜拉桥结构超静定次数高，受力情况较为复杂，斜拉索采用冷铸镦头锚，另一方面，结构某个部位的损伤或状态改变会影响斜拉索索力，因此索力的变化对结构的安全性十分重要，通过对索力变化的实时监测，可以得到大桥斜拉索的拉力情况，为评估所监测斜拉索及周围各构件的工作状况提供依据。

主缆对悬索桥的结构安全至关重要。采用直接监测主缆索力的方法，可以确保检测的可靠性。本系统主缆索力的监测点设在锚室内，分别在每个主缆断面的上端索股、下端索股、左侧索股、右侧索股、中间索股进行主缆内力监测。

索力监测采用智能型锚索计。

⑦缆索振动监测

本系统在缆索上设置监测点，选用加速度传感器用于监测缆索顺桥向和横桥向的振动响应。

⑧结构损伤监测

桥梁的疲劳损伤主要来自于车辆和风等动荷载作用下的交变循环应力，而桥梁结构及主要构件的疲劳损伤累积将引起桥梁结构的退化和安全性降低。

由于桥梁构件所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些细微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹得不到有效控制，则极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。

早期的裂纹、裂缝往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。因此，本系统设计考虑设置超声波探伤检测仪，用于检测混凝土裂缝深度、不密实区域及蜂窝空洞、结合面质量、表面损伤层厚度、钢管混凝土内部缺陷、路面病害等。通过定期检测对比，监测各种病害的发展情况，指导养护工作及时采取必要的措施消除病害，保障桥梁结构及运营的安全。

结构损伤监测采用超声波探伤仪、磁粉探伤仪及裂缝测宽仪。

⑨环境监测

风速的大小对桥梁结构的受力状况有较大的影响，是桥梁的主要荷载源，同时也会影响大桥的正常运营，采用风速风向仪实时监测系统能了解桥址处环境风力、风向变化情况，为分析桥梁的工作环境、评价行车安全状况、验证桥梁风振理论提供依据，以及研究极限风环境下的大桥工作状况。

温度变化是桥梁的重要荷载源之一，常引起大的变形和桥梁线形的改变，是监测重要内容。通过实时监测桥址处的环境温度、大桥各主要构件的温度及温度梯度等数据，为分析结构的受力和变形、分析结构状态参数的相关性提供依据。

4.数据采集系统

(1)总体要求

数据采集系统由传感器专用采集设备、数据采集器、数据处理与控制工作站组成。系统采用世界先进的成熟产品，以确保系统的稳定性、耐久性和高精度。

数据采集系统的总体技术要求如下：

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数据采集工作站能连续采样，在报警状态下能够进行特殊采样和人工干预采样。

③数据采集软件应具有数据采集和缓存管理功能，并能对现场数据进行基本的统计运算，以便显示相应信息。

④对每个传感器信号提供在线预览、滤波、变换和同步统计处理功能，以便根据实际传感器信号的时域、频域性质合理设置采样参数。

⑤所有用于数据采集的参数均由一个标签数据库控制。系统里的所有传感器均有一个唯一的标签，该标签包含了传感器所有有关数据采集设置的信息。

⑥标签编辑器应能对所有的标签信息和数据库参数进行编辑，并将编辑结果存储在配置文件里。系统通过标签搜索引擎读入配置文件，并根据其中定义的各种参数对工作站的采集工作进行设置。

⑦系统管理员可以在数据处理与控制工作站上运行标签编辑器，在其编辑环境下通过菜单或其它人机友好界面对模拟、数字和视频等所有信号的采样频率、触发阈值、时间间隔等参数进行调整。

⑧系统软件操作权限分为多级。只有系统管理员具有运行标签数据库、编辑配置文件、修改传感器的校准数据等在内的操作权限，而一般的普通管理员不应被赋予上述操作权限，以保证系统安全。

⑨系统具有实时自诊断功能，能够识别传感器失效、信号异常、子系统功能失效或系统异常等。出现故障时，系统应能立即自动地将故障信息上传至数据处理与控制工作站(DPC)，并激活警报信息，与此同时，隔离故障传感器或子系统以保障其余部分正常工作。

(2)方案说明

数据采集器接入系统内提供模拟量、脉冲信号的各种传感器如温度传感器、智能型索锚计、加速度传感器、振弦式应变计。数据采集器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。

系统内可提供串口数据端口的传感器如全站仪、风速风向仪通过通信口转换器转换为以太网数字信号，由数据分析处理工作站直接进行数据采样。

超声波探伤仪及数码摄像机的视频及数据直接输入数据分析处理工作站进行数据存储。

数据分析处理工作站负责监测数据的采集、存储、分析处理、统计、输出。

5.数据分析和处理系统

(1)系统功能

数据分析和处理应用软件系统设计目标要求：

①给用户提供的应用程序的界面，是带有易识别的图形化的界面。

②软件系统高度模块化，不同的模块代表不同的功能。

③系统内所有设备的操作控制是严格授权的。各计算机能够配置成不同用户登录即可进行系统状态的查阅，用户只有在成功地进行了系统登录后，控制才能够生效，系统的安全性是可全部配置的，这允许用户有不同的权限，使用不同的设备。

④应用软件具有开放性和可伸缩性，能满足后期工程实施及远期工程实施的需要。本投标人根据长期工程实施经验，在软件规划、设计和开发中充分考虑业主将来的需求，预留各种扩充软接口，使业主在后期工程实施及远期工程实施时既具有灵活性，又可避免重复投资。

⑤软件系统开发周期的各运行段(需求分析、系统概要设计、系统详细设计、数据库设计、程序编程、调试、测试等)，保证所有提供的文档均满足规格书及有关标准的要求，满足业主的全部的功能需求。

⑥以实现各监测子系统测点读数相关性分析为原则，建立对各外场设备的检测启动控制和测点检测数据的分级处理、存储、上传与监控中心对各类数据作最终处理与存储的模式。

⑦建立从大桥交通监控系统中读取环境状态(交通、气象)检测值的通信、识别和与系统整体监测记录相关的记录存储模式。

⑧建立以各监测事件(包括各关联监测点)、监测实施时间、环境状况为查询依据的监测事件查询模式和存储数据库。

⑨按单点单次事件、单次事件关联点共性参数、单点检测历程、关联点共性参数检测历程，建立监测查询模式。

⑩对检测数据进行整理、分析、评估，主要内容有：

1)各监测点检测数值(内力、位移、振动基频、振幅比)的日常状况：检测数据的波动范围、波动的统计特性与波动的物理解释。

2)检测参数的易识别性、重现率和数值的稳定性、数据的误码率，以及检测参数波动与环境状况变化的相关性。

3)选择、认识具有易分辨特征、稳定的或具有规律的结构响应参数作为进一步的监测分析目标。

大桥结构的理论分析模型；对监测数据分析、评判模式和深化系统监测功能的需求。主要内容有：

1)建立与大桥健康状况和系统监测相适应的大桥结构分析模型。

2)理论模型与系统实测的逼近程度和理论模型的可修正性。

3)以大桥结构分析模型为基础，对系统监测数据进行判读，建立波动的检测值与大桥结构状态研判的关联性。

4)从大桥结构分析模型上，确定与大桥结构各状态和对大桥各重要结构特性认识所必需的监测布置、监测模式与必要的监测技术条件。

5)通过对系统检测数据积累与检测数据质量的分析，评价原系统布置中有效的监测子系统和相应的检测数据处理方法。

(2)应用软件系统结构和基本功能

应用软件系统组成

系统应用软件由以下三个部分组成：数据采集和传输软件(连接和处理传感器类设备接口)、数据采集处理和存储控制软件，结构健康评估软件(包括大桥各类基本数据维护、采集数据历史查询和打印功能、监测数据统计预处理功能、监测数据特性分析功能)。

结构健康监测系统的数据采集功能按传感器信号类型或设备数据传输接口分成两大类：与本地数据采集单元连接的传感器信号类设备、通过网络与系统数据采集和控制计算机连接的数据传输接口类设备。

各个数据采集控制单元软件实现一致的功能和任务。根据数据采集控制单元所连接的设备或传感器配置数据采集单元检测任务注册表。数据采集单元软件按照任务注册表所登记的内容进行数据采集和状态检测。

各数据采集单元具有一致的时标，数据采集过程严格同步。

数据采集控制单元实现时钟校时、连接的各种传感器的数据采集、采集数据预处理、采集数据本地存储等任务。

数据处理和存储控制实现采集数据转储、即时数据预处理，主要进行简单的统计运算，比如设定时段内的最大最小值、均值、方差、标准差、变化幅值等，计算结果作为初级预警的输入，并用以判定信号是否正常、交通环境数据采集、独立数据设备运行工致和数据采集、中央数据库维护、采集数据即时查询和报表打印等任务。

结构安全数据查询和统计系统应用软件实现对各类设备的采集数据按查询条件形成SQL查询参数语句并提交中央数据库处理，得到查询结果并以表格和图形的形式显示所查询的资料。

数据查询条件：按事件范围，按时间范围，按传感器分类，按设备采集点分类，按环境条件分类。

应用软件主要功能和模块图

①系统校时功能

各数据采集设备以系统计算机的时钟为基准时钟，数据采集应用软件的数据采集过程定时触发启动和运行，实现各数据采集单元的程序同步，保证了在系统网络通讯出现故障时数据采集工作站数据采集工作正常进行。

②设备状态检测功能

数据采集单元软件根据检测任务注册表注册的设备连接表，实施设备状态检测。

③数据采集功能

数据采集单元软件根据本地检测任务注册表注册的设备连接表，实施设备数据采集。

④数据存储功能

数据采集单元的数据存储以两种方式实现：本地数据库和中央数据库。数据采集单元完成对传感器的数据采集和数据预处理，在与系统数据库连接正常的情况下存储到系统数据库；在网络通讯中断时存储在本地数据库，等网络通讯恢复正常后转储到系统数据库。

⑤操作登录功能

系统设置安全操作许可等级制度，被许可的操作员才能进入系统的运行操作和数据查询。系统记录每一登录操作结果。

⑥数据采集单元数据上传功能

系统数据采集和汇总控制应用软件定时检测网络通讯状态，把网络通讯完好的数据采集工作站的本地数据库数据进行处理和转换然后存储到中央数据库。

⑦即时采集数据查询功能

查询系统最近一次数据采集的结果和设备运行状态，并形成表格或图表显示或打印。

⑧数据采集环境参数设置功能

数据采集单元作业控制方式、数据采集任务启动时序

(3)监测系统

①监测系统基本数据库管理功能

1)各类传感器分布和配置

2)传感器信号处理参数设置

3)数据采集单元传感器配置和任务注册

4)磁感应测力仪初始值设置和维护

5)荷载监测控制参数设置

6)结构响应监测控制参数设置

7)特殊事件监测控制参数设置

②采集数据历史查询功能

1)查询条件设置

2)查询结果显示方式选择

3)查询结果输出(报表或电子文档)

③监测数据统计预处理功能

(包括大桥各类基本数据维护、采集数据历史查询和打印功能、监测数据统计预处理功能、监测数据特性分析功能)。

④结构健康监测数据库管理功能

1)采集数据备份和恢复(月备份，季备份，年备份)

2)统计分析数据备份和恢复(季备份，年备份)

⑤结构健康监测数据特性分析功能

1)对已采集的监测数据及交通、环境状况监测数据进行重新整理、归类，按新建立的系统监测数据库格式与内容要求，进行数据的转存，建立有序的监测数据查询方式。

2)对不同环境背景下的监测数据特性进行归类、统计分析，给出关于目前系统监测内容与系统监测稳定性和有效性的分析、评价。

3)对系统监测数据及大桥结构响应特性的统计分析，给出在日常环境状态下对应于系统各项监测内容的大桥结构健康响应区间与监测评判的方法。

处理流程图

4.系统数据库设计

数据存储词汇

记录初始值

所谓初始值就是在成桥初期对大桥的静载综合测试的结果，包括：大桥位移、振动、张力、应力等方面的测试记录，作为对大桥长期监测、判断大桥状态变化的依据之一。

记录修正值

所谓修正值就是综合分析大桥结构安全检测的历史数据，反映出初始值与当前值的偏差。包括：大桥位移、振动、张力、应力等方面的记录。

数据存储历史

大桥运营状态的变化是一个非常缓慢的过程，因此应对大桥的安全监测系统数据进行长期存贮，以发现大桥位移、应力等参数的变化趋势。

数据分析

对于大桥即时运行状态，结构安全系统应能对各独立参数进行综合数据分析，用图形方式形象地标绘出大桥即时运行状态。

同时，系统软件应依据大桥环境温度和风速、风向参数，对采集到的数据进行相关性分析，从而对大桥运行状态进行预警分析和报告。要进行相关性分析的数据关系有：

温度变化引起的主塔位移

温度变化引起的大桥挠度变化

温度变化引起的斜拉索、主梁的应力变化

温度变化引起的大桥振动特性变化

风载测试中风速、风向变化引起的主塔位移

风速、风向变化引起的大桥挠度变化

风速、风向变化引起斜拉索的应力变化

风速、风向变化引起的大桥振动特性变化

所有以上的数据分析都应能以图形、曲线、表格等方式输出。

数据的评价

根据安全监测的数据分析，系统应能对桥梁维护给予指导，在发现数据超过危险值时应能及时报警。

数据设计约定

设备统一编码

对系统各个传感器和数据采集设备检测点进行统一编码，数据采集应用软件根据工作站注册的传感器和数据采集点进行运行需求配置和任务组织。数据查询的条件之一就是首先确定设备类型和编码。

数据阈值设计

数据采集过程发生异常或设备出现故障其采集结果必然不符合检测结果范围，另外同一类设备或传感器由于其安装位置不同其数据波动范围也不同。设置各类传感器或设备的阈值便于对采集数据进行筛选和过滤，使采样结果比较符合实际。

传感器和数据采集设备基本数据库

描述各个传感器和数据采集设备的物理参数(设备类型、设备说明、安装位置、数据阈值、所属数据采集工作站和设备外型图片等)。

数据库分类

①系统参数类

设备类型表，设备参数表，工作站表，GPS初值表，磁感应测力仪初值数据表。

②设备检测类

系统设备状态历史数据表，环境(车流量、车载比率、风速、风向、气温)检测历史数据表，主梁位移检测历史数据表(GPS)，支柱位移检测历史数据表、索股内力检测历史数据表(磁感应测力仪)，拉索索力检测历史数据表等。

③统计分析类

分级的环境状态(车流量、车载比率、风速、风向、气温)表和与分级表对应的系统监测(主梁位移、拉索内力、拉索索力、状态检测值)统计特性值。

(1)系统参数类数据库

设备类型表

设备参数表

数据采集单元表

主梁线型(GPS检测)初值数据表

索股内力(磁感应测力仪检测)初值数据表

(2)设备检测类数据库

温度历史数据表

风载荷历史数据表

空气温湿度历史数据表

主梁位移(全站仪检测)历史数据表

索股索力(磁感应测力仪检测)历史数据表

支柱位移历史数据表

吊索内力历史数据表

主梁倾斜历史数据表

(3)统计分析类数据库

设立结构安全监测系统是采用现代化的结构检测与分析手段，为管理者观测和了解结构的过去和现状提供科学的数据积累和分析依据。它对提高结构的安全使用与维护管理水平能起到促进作用，在提高我国特大型桥梁的设计和分析能力上也具有积极的意义。

5.应用程序操作和界面综述

基本要求

数据查询分四大类：即时数据查询、历史数据查询、汇总(历史)数据查询和统计数据查询。在每一类查询中按数据类型或设备类型分类。

即时数据查询：通过该程序模块操作员可以浏览系统最近一次的系统各个设备或数据分类的采集结果。

历史数据查询：操作员可设定查询的条件(数据采集时间段-数据采集事件起止编号、关键数据检测点、数据比较方式等条件)从系统历史数据库中查询出满足条件的采集原始数据。

汇总(历史)数据查询：操作员可设定查询的条件(数据采集时间段-数据采集事件起止编号、关键数据检测点、检测数据比较方式等条件)从系统得历史数据库中查询出满足条件的汇总数据。汇总数据是指在一定的查询范围内以最大、最小和平均值形式、用标准数据(或检测点初始采样值)比较出差值范围等数据分析和统计结果。

统计数据查询：统计数据查询是以数据采集历史数据为基础经过用系统分析所规定的统计要求和计算模式经过分析处理的对象数据。为了提高统计数据查询速度和分析阶段的采集结果必须经过一段时间的数据采集后对采集历史数据作统计和分析处理。

数据查询结果首先以表格形式给出，操作员也可根据要求选择查询结果的曲线形式。可以对查询结果的表格形式进行打印或以电子文档形式(EXCEL的CSV文件格式)存储在指定的硬盘文件夹内。操作员可以把电子文档存储到移动存储设备上在另外的计算机上进行观察和分析。

统计数据查询操作是以数据采集历史数据为基础经过用系统分析所规定的要求和模式经过统计处理的对象数据。为了提高统计数据查询速度和分析阶段的采集结果必须经过一段时间的数据采集后对采集历史数据作统计和分析处理。采集历史数据统计和分析处理以采集事件编号为统计边界，每一次的数据采集过程对应一个采集事件编号。就目前而言系统已作过一次统计数据处理，统计边界从系统开始运行的0采集事件到3769采集事件。由于系统的数据采集设备不完整或有故障，采集到的数据可能有不符合统计处理条件的情况。因此必须对采集历史数据进行预处理以适合统计处理。由于系统后续的分析工作尚处于研究阶段，统计边界的划分和数据存储形式有待研究确定。

数据采集和存储子系统

①系统构建的通讯链路能够在关联系统或设备之间完成实时通讯任务。

②定时自动启动数据采集过程、也可根据需要手动选择数据采集过程并在满足系统设定的环境条件(风速和车流量)启动数据采集过程。

③通过相关设备、相关接口，长期实时采集关联系统和关联设备的检测数据，并能对数据进行分析和统计处理。

④以表格和曲线形式反映系统数据采集即时结果和状态。结构健康评估子系统

⑤以表格和曲线形式反映系统数据采集历史统计结果。

⑥以表格和曲线形式反映系统数据采集历史汇总结果。

⑦以表格和曲线形式反映系统各类统计参数分析结果和特性变化历程。

⑧系统数据库能保存长期的监测数据、并提供图形化操作界面实现数据库管理的功能。

⑨对桥梁运行状态进行分析、预报警和显著变化显示。

⑩以表格、曲线和电子文档等方式输出数据查询和分析结果。

Claims (5)

1.一种移动式桥梁安全检测分析管理系统，其特征在于，所述系统包括传感器监测系统、数据采集系统、数据分析和处理系统组成，

所述传感器监测系统包括主梁振动监测、主梁内力监测、主梁温度监测、桥塔位移监测、主梁线型监测、桥塔振动监测、缆索索力监测、缆索振动监测、结构损伤监测、环境监测；

所述数据采集系统采用数据采集器接入包括温度传感器、锚索计、加速度传感器、振弦式应变计、全站仪、风速风向仪和数字摄像机、超声波探伤仪；

所述数据分析和处理系统由数据处理与控制工作站计算机操作运行控制，包括以下三个部分：数据采集和传输部分及相应软件、数据采集处理和存储控制部分及相应软件、结构分析健康评估部分及相应软件；

其中，

所述主梁振动监测为，在包括桥梁1/2节点的关键位置设置主梁振动监测截面，每个截面设置3台加速度传感器，监测顺桥向和横桥向的振动响应；

所述主梁内力监测为，选取桥梁有代表性断面进行主梁内力监测，选用包括振弦式应变计传感器，监测在包括交通荷载、风荷载、温度荷载负荷作用下桥梁重要混凝土构件或钢构件的应变情况；

所述主梁温度监测为，选取主梁有代表性断面，监测温度分布、温度对主梁内力和变形的影响；

所述桥塔位移监测和主梁线型监测为，采用全站仪对主梁线型监测及桥塔位移监测；

所述桥塔振动监测为，在桥塔设置监测截面，每个截面设置3台加速度传感器，监测桥塔在包括风、交通荷载作用下的加速度响应；

所述缆索索力监测为，采用直接监测主缆索力方法，监测点设在锚室内，分别在每个主缆断面的上端索股、下端索股、左侧索股、右侧索股、中间索股进行主缆内力监测；

所述缆索振动监测为，在缆索上设置监测点，选用加速度传感器用于监测缆索顺桥向和横桥向的振动响应；

所述结构损伤监测为，采用超声波探伤仪和/或磁粉探伤仪和/或裂缝测宽仪，检测包括混凝土裂缝深度、不密实区域、蜂窝空洞、结合面质量、表面损伤层厚度、钢管混凝土内部缺陷、路面病害；

所述环境监测为，采用风速风向仪实时监测桥址处环境风力、风向，监测桥址处的环境温度、大桥主要构件的温度及温度梯度；

所述结构分析健康评估部分及相应软件为：提供图形化界面；软件系统模块化；系统内设备的操作权限化；软件具有功能和远期工程扩展性；各监测子系统测点读数可相关性分析；大桥交通监控系统中可读取交通、气象环境状态检测值及与系统整体监测相关记录；包括各关联监测点的监测事件、监测实施时间、环境状况的查询模式；建立按单点单次事件、单次事件关联点共性参数、单点检测历程、关联点共性参数检测历程的查询模式；

所述结构分析健康评估部分及相应软件为：

包括内力、位移、振动基频、振幅比的各监测点检测数值的日常状况：检测数据的波动范围、波动的统计特性与波动的物理解释；

检测参数的易识别性、重现率和数值的稳定性、数据的误码率，以及检测参数波动与环境状况变化的相关性；

选择、认识具有易分辨特征、稳定的或具有规律的结构响应参数作为进一步的监测分析目标；

所述结构分析健康评估部分及相应软件为：

建立与大桥健康状况和系统监测相适应的大桥结构分析模型；

理论模型与系统实测的逼近程度和理论模型的可修正性；

以大桥结构分析模型为基础，对系统监测数据进行判读，建立波动的检测值与大桥结构状态研判的关联性；

从大桥结构分析模型上，确定与大桥结构各状态和对大桥各重要结构特性所必需的监测布置、监测模式与必要的监测技术条件；

通过对系统检测数据积累与检测数据质量的分析，评价原系统布置中有效的监测子系统和相应的检测数据处理方法。

2.根据权利要求1所述分析管理系统，其特征在于所述结构分析健康评估部分及相应软件为包括分析评估：

桥梁结构内力的实际分布状况；

桥梁主体结构材料的徐变、收缩、松弛和桥梁基础的沉降引起的桥梁结构内力分布的变化；

各种环境条件下的桥梁主体结构内力状况；

特殊环境条件下的桥梁结构内力与位移响应的强度；

所述各种环境条件下的桥梁主体结构内力状况及特殊环境条件下的桥梁结构内力与位移响应的强度分析评估，包括分析评估：

温度变化引起的桥梁挠度变化；

温度变化引起的桥梁振动特性变化；

风载荷引起的桥梁挠度变化；

风载荷引起的桥梁振动特性变化。

3.根据权利要求2所述分析管理系统，其特征在于，对于斜拉桥、悬索桥大型桥梁，所述各种环境条件下的桥梁主体结构内力状况及特殊环境条件下的桥梁结构内力与位移响应的强度分析评估增加：

温度变化引起的桥塔位移；

温度变化引起的拉索或吊索、主梁的应力变化；

风载荷引起的桥塔位移；

风载荷引起拉索或吊索的应力变化。

4.根据权利要求1所述分析管理系统，其特征在于所述数据采集系统：

具有与其安装位置、功能和预期寿命相适应的质量和标准；

数据处理与控制工作站连续采样，在报警状态下特殊采样和人工干预采样；

数据采集软件具有数据采集和缓存管理功能，并对现场数据进行统计运算，显示相应信息；

传感器信号提供在线预览、滤波、变换和同步统计处理功能；

所有数据采集的参数由一个标签数据库控制，系统里的所有传感器均有一个唯一的标签，该标签包含了传感器所有有关数据采集设置的信息；

标签编辑器对所有的标签信息和数据库参数进行编辑，将编辑结果存储在配置文件里；

系统管理员在数据处理与控制工作站上运行标签编辑器，通过人机界面对包括模拟、数字和视频所有信号的包括采样频率、触发阈值、时间间隔参数进行调整；

系统软件操作权限分为多级，仅系统管理员具有包括运行标签数据库、编辑配置文件、修改传感器的校准数据在内的操作权限；

系统具有包括实时自诊断功能，能识别传感器失效、信号异常、子系统功能失效或系统异常情况，出现故障时能自动地将故障信息上传至数据处理与控制工作站，并激活警报信息，同时隔离故障传感器或子系统。

5.根据权利要求1所述分析管理系统，其特征在于所述数据采集系统采用数据采集器接入所述传感器提供串口设备通过串口转换器将信号转换为以太网信号接入系统，所述数字摄像机、超声波探伤仪其记录视频及数据直接接入数据处理与控制工作站。

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