结构健康监测系统在工程上的运用范文

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《徐州工程学院学报》2017年第2期

摘要：结构健康监测系统是国内外土木工程行业的重点关注和讨论的问题之一．结构健康监测系统构是一种组成较为复杂的实时监测分析系统，涉及的专业领域较多，如传感器技术、无线数据传输技术、数据分析、数据库建立、结构分析等．该文主要阐述了健康监测系统研究的背景及意义，介绍了健康监测系统的概念、组成及各部分的作用等，讨论了国内几个建筑上应用健康监测系统的实例，并指出健康监测系统存在的问题及未来的发展趋势．

关键词：建筑结构；健康监测；监测系统

随着科学技术的飞速发展，我国各地不断涌现出各种大型建筑，结构难度也不断加大．而这些建筑物尽管经过了大量的分析计算和反复论证，但由于真实环境的复杂性、易变性，工程设计也未必能够全面综合地考虑各种因素，做到万无一失．因此，如何保证结构在建设过程中和使用过程中的绝对安全或是在发生安全事故之前能够给予必要警示就显得很有必要性．需要注意的是，疲劳效应、腐蚀效应、材料老化、环境荷载变化也考验着已服役的建筑，尤其是老旧建筑．对那些具有较大人流量、某些特殊的使用功能或是具有某种特殊意义的建筑，一旦发生安全事故，无疑会造成巨大的生命财产损失及不利的社会影响．因此，对存在着一定危险性的建筑结构进行长期的监测并进行全面评价就显得尤为重要．

1工程安全事故案例与研究背景

建筑的长期使用，以及荷载和环境等因素的影响，建筑结构不可避免地会出现一定程度的疲劳损伤、材料变形、性能劣化．这些损伤看似细微，但在长时间的累积下难免会加速结构的老化，导致建筑承载能力以及耐久度的降低，甚至引发一些重大的结构工程安全事故，如2016年，江西省宜春市丰城电厂一座冷却塔施工平台发生突然倒塌事故，造成74人遇难、2人受伤，是近十几年电力系统伤亡最严重的事故之一［1］；2004年5月23日，法国巴黎戴高乐机场2E候机厅顶棚在毫无预知的情况下发生突然性坍塌事故，造成4人死亡、3人受伤，究其原因是建设时安全储备不足，候机厅的顶棚就一直处于“濒临死亡”的非常危险的状态，抵抗外力的能力一直在减弱。关于结构健康监测系统的研究，何愉舟等［3］提出了基于物联网大数据的智能建筑健康信息服务管理系统，分析设计了健康信息服务管理的物联网部署和大数据处理模型，形成了智能建筑健康信息服务管理系统的集成框架；李怀松等［4］针对建筑物的倒塌监测状况，提出了基于仿真与短信平台的建筑物健康远程监测信息系统；欧进萍、李宏男、李惠、周奎、王小波、李钢等［5－10］等对健康监测系统的基本概念、系统组成及其功能进行了分析，比如传感器系统、数据采集与处理系统、损伤识别与安全性评定系统，及其工程应用．无疑，利用传感器和无线传输设备进行实时的监测，可以将一些单调、重复的体力劳动或危险系数高的工作交由人工智能处理，那么在节省人力资源、降低发生工程安全事故的可能性的同时，在技术上还能避免因为大量重复操作使技术人员产生疲劳所引起的工作误差．

2健康监测系统概述

2．1基本概念

健康监测系统，是以结构、岩土以及生命线工程等为监测对象，综合传感器技术、通信技术以及计算机科学技术等，由安装在结构上的传感器硬件系统以及数据采集与传输、数据处理与管理等软件系统构成．健康监测系统最大的特点就是自动化实时监测，通过对结构的荷载与环境作用以及结构的性能与响应等参数进行测量、收集、处理、分析，并对结构正常使用水平与安全状态进行评定和预警．它可以提供结构日常养护管理和维修加固的科学依据，明显提升结构的整体管理水平，及早预防诊断结构的病害，进而可以最大程度地保证结构安全运营和结构使用寿命。

2．2系统结构及构成

基于物联网技术与云计算技术相结合的健康检测系统，凭借各种传感器设备实时监测结构应力应变、位移、挠度、振动速度、加速度等力学参数的变化，以及温度、湿度、风力、风向、地震等外界环境因素的变化，通过物联网传感器设备和结构的代表性部位和主要构件，达到互联互通，并采用远程监控与云计算技术，建立全面、安全、有效、科学的智能监控平台，实时了解结构的安全情况．

2．2．1传感器系统

传感器系统主要组成是各种传感器等硬件．该系统的主要功能是采集结构分析所必须的参数，然后通过电、光、声、热等形式输出．它处于整个健康监测系统的最底层，同时也是整个健康监测系统中最基础的子系统，可以获得结构的加速度、应变、应力、温度、风速等参数．实际布置时可根据监测对象的特点，对所需的监测参数类型进行判定、选择，并结合监测对象的结构特点，选择特定的监测方式，进行监测点的合理布置。传感器对结构参数的采集是通过数据采集软件来控制的．普通数据采集软件包括数据采集、数据显示、存储备份、采集控制、数据预处理、参数配置等功能模块．数据采集模块根据采样策略，实现自动数据采集．数据显示模块可以将实时数据以一种非常直观的形式进行动态显示，比如想查看历史数据，可以将历史数据以图表的形式进行回放．存储备份模块可以对实时数据进行自动数据存储，为了防止数据丢失还可以进行自动本地存储备份．

采集控制模块的功能是根据监测项目特点，依照存储策略，合理进行数据采集，如阀值采集、出发采集等．数据预处理模块的功能是对数据进行滤波去噪，一旦发现异常数据就进行报警等．参数配置模块支持参数设置，并根据监测需求，进行监测类型、数量的增减、数据的标定值、换算等设定．常见的数据采集软件具有以下特点：1）C／S结构，基于VisualC＋＋平台开发，稳定可靠；2）具有多种接口类型，支持常用的串口、PCI、PXI、网口等硬件通讯方式，实用性强；3）数据采集内容丰富，对工程中常用的19种监测内容的数据采集进行软件集成；4）操作简介实用，软件将常用传感器参数设置等交由用户自定义，提高了软件在工程中的通用性；5）多类型化显示，可对同类传感器依照传感器数目，分为1／2／4／9／16格进行显示；6）数据存储多元化，包括本地存储和局域网数据库存储，数据库存储支持工程中的常用数据库；7）软件安全性好，根据功能使用权限的多少，对用户进行级别划分，分为高级管理员、普通管理员等两种，以区别不同用户对软件的使用权限，提高了软件的安全性．

2．2．2数据传输系统

数据传输系统是将传感器系统收集的数据传输到数据采集软件里，然后进行后续的数据处理、分析等．传输系统有两个区别很大的分支，一个是无线传输系统，另一个是有线传输系统．随着科学技术的日新月异，无线传输技术得以快速发展，无线传输技术稳定性、精确性等先天劣势得到了很大的改善．无线传输方式相对于有线传输方式来讲，施工简单、安装方便等方面的优势就更加明显．目前比较流行的无线传输系统是由多通道无线化采集节点、基站、无线通信协议、计算机及采集处理软件组成的以数据为中心的无线自组织网络系统．无线传输系统性能优越，安装简便，可同时采集多种不同类型传感器数据，其兼容性好，节点与基站的稳定传输距离可达1000m以上，能够实现数据采集、无线传输、数据存储、数据分析处理等多种功能．

2．2．3数据管理、分析及评价系统

数据管理系统主要对由传感器系统和数据采集及传输系统采集、传输而来的数据进行分类、汇总、存储等，同时借助结构分析软件对结构进行整体分析与评价．结构评价方法需要数学上一些算法，常用的有神经网络、小波变换法和Hilbert－Huang变换法、动力指纹分析法、遗传算法、模型修正与系统识别法等．对于一般的健康监测系统，其功能可以分为下面5个模块：1）数据管理模块．根据不同类型，先对监测数据进行分层、分类，然后高效存储，进行统一有效管理．2）用户界面模块．结构三维模型展示，监测数据，评定结果，预警信息，显示系统状态．3）数据分析模块．对监测数据进行预处理和全面数据分析．（4）安全评定与预警模块．实时安全评定与自动化在线预警，特殊事件专项评定，综合安全预警．5）报告报表模块．根据数据分析结果、安全评定结果等自动生成月报、季报、年报，提供特殊事件后的专项评定报告报表．结构健康监控系统鲁棒性主要体现在以下方面：1）强大的自动数据处理分析能力．能快速地对监测数据进行数据预处理、统计分析、特殊分析等．2）分析全面，评定准确，通用性强．为结构提供专家级别的数据分析与安全评定，满足各种监测工程的需求．3）实时、多级别、多方式预警．对监测数据和结构状态进行不同等级的在线预警，并给出建议；预警信息可通过实时监控画面、Email、短信、广播等多种方式送达至用户．4）完善的数据管理，为结构提供“全寿命服役信息档案”．5）用户界面友好清晰．交互性强，3D模型展示，画面内容丰富．6）报告报表可以自行生成，而且内容全面．提供数据分析、安全评定、专项评定等报告报表，给日常的运营维护提供全面有效的参考．7）安全性好．多用户权限对软件系统进行管理，为每类用户分配不同的操作和管理权限．8）稳定易用、平滑易用．基于Window平台开发，长期运行稳定，方便易用；系统平滑升级，节约用户软硬件投资和运营维护成本．

3应用实例健康监测系统

主要是针对建筑物的健康状况进行监控、分析、评价等，已经广泛应用于土木工程各个方向，如对于交通工程，可以应用到桥梁、隧道、机场、铁路、公路、码头、轨道交通等；对于建筑物，可以应用到高层建筑、体育场馆、博物馆、古建筑海洋平台等；对于水利工程，可以应用到堤坝、水电站、水闸、船闸、渡槽等；对于电力工程，可以应用到输电线塔、核电站变电站、电力电缆等；对于生命线工程，可以应用到输油管道、燃气管网、供水管网城市排水管道等；对于岩土工程，可以应用到边坡、滑坡、基坑、基础、地下空间、尾矿库等；对于特种设备，可以应用到储油罐、港口起重机、公路铁路架桥机、造船门机、建筑塔机等．

3．1东营黄河公路大桥健康监测系统

山东东营黄河公路大桥主桥总长为652．8m，每跨的长度分别为116m、200m、220m、200m、116m．结构采用了预应力混凝土刚构－连续组合梁．该桥是国内第一个进行施工监控、荷载试验及运营健康监测等三位一体全寿命性能监测的桥梁，布设光纤光栅传感器1800余个，也是目前世界上光纤光栅应用数量最多的桥梁．针对项目的需要，对该桥的几何线形、结构应变、温度及环境参数进行了施工监测；荷载试验内容有静载试验、模态试验及动载试验三种；运营监测方面，对温度、结构应力应变、位移及线性、震动加速度、车辆荷载及车辆视频等进行实施在线监测．该项目于2002年开始进行施工监控，2005年7月进行荷载试验，8月实施运营健康监测［13］．

3．2湖南吉茶高速公路矮寨大桥健康监测系统

矮寨大桥是一座钢桁架劲梁单跨悬索桥，主跨长1176m．矮寨大桥监测系统共使用各类传感器112个，可实时监测矮寨大桥的风速风向、降雨量、温湿度等环境气象数据以及伸缩缝位移、锁夹位移、吊索拉力、桥主梁与桥塔的应力应变、加速度和位移等结构相应数据．2013年系统建成运行［14］．

3．3国家游泳中心健康监测系统

国家游泳中心（水立方）是一个非常具有代表性和标志性的建筑，建筑总面积达到80000m2，长和宽均为177m，高度达到30m．水立方的主体结构由三大部分组成，分别是钢筋混凝土框架筒体结构、空间钢结构和ETFE膜充气枕．水立方钢膜结构健康监测系统从2004年开始设计，随后投入使用，其监测对象是水立方的钢膜结构，对温度、风荷载、关键构件的应力应变、钢膜结构的振动等进行了施工与运营监测，对国家游泳中心钢结构工程施工及运营管理进行自动化实时监测［15］．

4结语健康监控系统应用前景

广阔，发展空间巨大，已经引起了土木工程行业和其他相关行业的极大关注．美国和欧洲定期举办国际性的健康监控系统的研讨会，一定程度上推动了健康监控系统的发展．结构健康监测系统虽有较大的发展空间，且具有一定量的工程经验，但还存在着一些问题和需要改进的地方．

1）新型传感器的发展．传感器系统作为整个健康监控系统的基础，其建设直接影响着整个健康监控系统的优良．而传感器系统中的核心部件就是传感器，未来研究应着重如何提高传感器的精确度、稳定性等性能，以增强整个系统的可靠性和稳定性．

2）传感器的布置．传感器系统是整个结构健康监测系统的基础，单个传感器的精度、稳定性等直接关系到采集数据的质量，进而影响系统的优劣，同时对健康监测系统作用的能否充分发挥有着重要影响．

3）通用的损伤量化指标可对结构的损伤进行量化，便于不同建筑、同一建筑的不同阶段的直观比较．我国相关行业关于健康监控系统的设计与应用仍缺乏标准与规范的支撑．

参考文献：

［1］张毅刚，薛素铎，杨庆山．大跨空间结构［M］．北京：机械工业出版社，2005．

［2］姚激，顾嗣淳．巴黎戴高乐机场候机楼倒塌事故原因初析［J］．建筑结构，2006，36（1）：96－97．

［3］何愉舟，韩传峰．基于物联网和大数据的智能建筑健康信息服务管理系统构建［J］．建筑经济，2015，36（5）：101－106．

［4］李怀松，陈响亮，梁意文．建筑物健康远程监测信息系统的体系结构设计［J］．计算机与现代化，2009（9）：96－100．

［5］欧进萍．土木工程结构用智能感知材料、传感器与健康监测系统的研发现状［J］．功能材料信息，2005，8（5）：12－22．

［6］李宏男，高东伟，伊廷华．土木工程健康监测系统的研究状况与进展［J］．力学进展，2008，38（2）：151－166．

［7］李惠，鲍跃全，李顺龙，等．结构健康监测数据科学与工程［J］．工程力学，2015，32（8）：1－7．

［8］周奎，王琦，刘卫东，等．土木工程结构健康监测的研究进展综述［J］．工业建筑，2009，39（3）：96－102．

［9］王小波．钢结构施工过程健康监测技术研究与应用［D］．杭州：浙江大学，2010．

［10］李钢．基于通信技术的土木工程健康状态信息远程监测系统研究［D］．西安：长安大学，2010．

［11］胡军．荆岳大桥结构健康监测系统研究及应用［D］．武汉：武汉理工大学，2012．

［12］杨礼东．大连体育场结构健康监测系统的设计和研发［D］．大连：大连理工大学，2013．

［13］李惠，杨光焕，马玉文，等．东营黄河公路大桥工程监测系统设计［J］．公路交通科技，2008，46（10）：18－21．

［14］胡柏学，黄浩，曾威．基于健康监测的悬索桥吊索疲劳可靠性评估［J］．公路交通科技，2015，32（6）．76－80．

［15］刘迅．基于健康监测的国家游泳中心风荷载和风致响应研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

作者：丁北斗a，崔杰b，陈洁a；彭康佑b；王武斌a 单位：中国矿业大学a．力学与土木工程学院；b．国际学院