大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术分析
7.桥梁结构健康监测技术-发展与挑战——江苏省交通科学研究院股份有限公司 副总工程师 张宇峰
苏通大桥
崇启大桥
南京四桥
2. 健康监测技术及其发展
技术政策
交通运输部对桥梁健康监测已有制度要求 •《公路桥梁养护管理工作制度》：对特别重要的特大桥，应建立符合自 身特点的养护管理系统和健康监测系统 •《十二五公路养护管理发展纲要》：重点加强桥隧养护管理工作，强化 健康监测和实施监控系统建设……
400
500
600
更准确进行苏通大桥等大桥在强/台风作用下的影响分析与可能损伤分析； 对今后类似大桥的抗风设计具有指导意义
3. 应用案例
案例3：崇启大桥TMD设计与抑振作用分析——指导与验证设计
六跨钢连续梁桥
102m+4*185m+102m=944m
主跨
安装TMD前后（2012年5月 VS 2013年8月）
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
钢梁被拉开
不锈钢滑板 伸缩梁与承载箱相碰
滑动支座
•江阴大桥主桥伸缩缝病害
1999年建成，2003年出现伸缩缝病害，2006年更换
设计寿命40年
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
装置下部
装置上部
磨损情况
磨损情况
支座病害
突 发 事 件
船只碰撞
列车冲击
地震破坏
货车超载
1. 健康监测系统应用的必要性
疾病
检查
诊断
治疗
监测
检查
诊断
维修
1. 健康监测系统应用的必要性
健康监测——为桥梁构建神经系统
大脑 神经中 枢
状态评估
传输网 神经末 梢 传感器
人体神经系统
桥梁健康监测系统的解决方案
02
03
混合通信
结合有线和无线通信方式，根据实际 需求选择合适的通信方式，提高数据 传输效率和稳定性。
网络架构设计
局域网架构
适用于桥梁监测设备数量较少、分布集中 的情况。采用以太网等标准协议，实现设
备之间的互联互通。
广域网架构
适用于桥梁监测设备数量较多、分布广泛 的场景。采用VPN、SDH等传输技术， 实现远程数据传输和监控。
桥梁健康监测的必要性
随着桥梁使用年限的增长，桥梁结构可能受到各种因素的影响，如车辆荷载、自然灾害、材料老化等，导致结构 性能下降。因此，对桥梁进行健康监测是保障桥梁安全运行的重要手段。
桥梁健康监测的重要性
及时发现桥梁病害
通过定期或实时监测，可以及时发现桥 梁结构中的病害，如裂缝、变形等，为
维修和加固提供依据。
系统组成
传感器网络
用于监测桥梁结构的关键部位，包括应变、 位移、振动、温度等。
数据采集与传输系统
将传感器采集的数据进行采集、处理和传输 。
数据分析与处理系统
对采集的数据进行分析和处理，提取有用的 信息。
预警与评估系统
根据分析结果，对桥梁结构进行评估，并发 出预警信息。
工作原理
传感器网络通过测量桥梁结构 的关键部位，获取结构状态信 息。
混合网络架构
根据实际需求，结合局域网和广域网架构 ，实现数据传输和监控的灵活性和高效性
。
数据传输速率与稳定性要求
数据传输速率
根据桥梁监测系统的实际需求，选择 合适的数据传输速率，确保数据实时 性和准确性。
数据传输稳定性
采用可靠的传输协议和传输介质，提 高数据传输的稳定性和可靠性，减少 数据丢失和误码率。同时，采取备份 和容错措施，确保数据的安全性和完 整性。
桥梁监测技术的应用现状与前景
桥梁监测技术的应用现状与前景桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，在经济发展和社会生活中发挥着至关重要的作用。
随着桥梁建设规模的不断扩大以及使用年限的增加，桥梁的安全性和可靠性受到了广泛关注。
桥梁监测技术作为保障桥梁安全运行的重要手段，近年来得到了迅速发展和广泛应用。
一、桥梁监测技术的应用现状1、传感器技术的应用传感器是桥梁监测系统的核心部件，用于采集桥梁结构的各种物理参数，如应变、位移、加速度、温度等。
目前，常用的传感器包括应变片、位移传感器、加速度传感器、光纤传感器等。
这些传感器具有精度高、可靠性强、稳定性好等优点，能够实时准确地监测桥梁结构的状态变化。
应变片是一种广泛应用于桥梁监测中的传感器，通过测量桥梁结构在荷载作用下的应变变化，来评估结构的受力情况。
位移传感器则用于测量桥梁结构的位移，如梁端位移、墩顶位移等，以了解结构的变形情况。
加速度传感器可以测量桥梁结构的振动加速度，从而分析结构的动力特性。
光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、精度高等优点，在桥梁监测中也得到了越来越多的应用。
2、数据采集与传输技术数据采集与传输系统负责将传感器采集到的数据进行收集、处理和传输。
目前，数据采集系统通常采用分布式或集中式架构，能够实现多通道、高速、同步的数据采集。
数据传输方式主要包括有线传输和无线传输两种。
有线传输方式如以太网、RS485 等，具有传输稳定、速度快等优点，但布线较为复杂。
无线传输方式如 WiFi、蓝牙、GPRS 等，具有安装方便、灵活性高等优点，但受信号强度和干扰等因素的影响较大。
为了提高数据采集和传输的可靠性，通常采用数据冗余、纠错编码、加密传输等技术手段，确保数据的完整性和安全性。
3、数据分析与处理技术采集到的桥梁监测数据需要进行有效的分析和处理，以提取有用的信息和特征。
数据分析与处理技术包括时域分析、频域分析、小波分析、神经网络分析等。
时域分析主要通过对监测数据的时间序列进行分析，如均值、方差、峰值等，来评估桥梁结构的状态。
大桥结构健康监测系统解决方案
• 利用深度学习技术进行数据分析
• 提高数据分析准确性和效率
人工智能算法
• 应用人工智能算法进行结构健康状况评估
• 提高评估结果的可靠性和客观性
数据可视化
• 采用数据可视化技术展示监测结果
• 提高数据处理和管理的效率
大桥结构健康监测系统的智能化与自动化
智能化监测系统
• 自动识别桥梁结构异常行为
• 根据噪声特点，选择合适的去噪算法
02
数据滤波
• 采用低通滤波、高通滤波等方法对数据进行滤波处理
• 根据信号特点，选择合适的滤波器类型和参数
03
数据归一化
• 对数据进行归一化处理，消除量纲影响
• 选择合适的归一化方法，如最大最小归一化、Z-score归
一化等
监测数据的分析方法
01
统计分析方法
• 计算桥梁结构的平均值、方差等统计量
数据采集
• 数据采集设备按照设定的采样频率实时采集传感器数据
• 数据采集过程中进行数据校验，确保数据质量
数据处理
• 数据处理软件对采集到的数据进行去噪、滤波等预处理操作
• 根据需要，对数据进行特征提取和数据融合
03
大桥结构健康监测数据分析与评估
监测数据的预处理
01
数据去噪
• 采用中值滤波、均值滤波等方法去除数据中的噪声
• 选择加速度计或速度计
• 根据桥梁结构特点选择合适的传感器类型和规格
倾斜传感器
• 用于测量桥梁结构倾斜角度
• 选择水平仪或角度计
• 根据桥梁结构特点选择合适的传感器类型和规格
传感器部署策略
传感器部署原则
• 确保传感器在关键部位布置
智能桥梁结构的健康检测
智能桥梁结构的健康检测随着检测技术、计算机技术、电子技术和通讯技术等相关学科的进‘一步深入，桥梁结构健康监测技术正朝着智能化发展。
智能桥梁结构健康监测的研究，符合人们希望通过迅速发展中的工程检测、通讯、控制与计算机技术，对采用新技术、新材料、新工艺的新型桥梁结构实施检测和指导养护管理的目的。
桥梁结构健康监测是一个复杂的系统，它包括桥梁结构关键部位的测试数据的现场采集、数据与指令的远程传输、数据储存与处理、结构安全状态的评估与预警等。
这些齐全的功能特性，使得桥梁结构健康监测不仅仅能够对桥梁结构的安全状态进行监控与评估，它还可能成为桥梁结构研究的“真实试验室”，即通过其在桥梁运营中所获得的结构及环境信息，不仅为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导，还为桥梁的理论研究与试验、提供最真实的第一手信息，获得实际桥梁结构全面的动、静力性能，加深人们对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的理解，从而验证大桥的理论模型、结构设计、计算假定，指导桥梁结构设计方法、施工工艺与相应的规范标准等的改进。
因此桥梁结构健康监测的研究和发展，不仅对桥梁建设、管理具有现实意义，而且更将可能对桥梁设计与研究、特别是将来实现“智能公路、铁路系统”等产生深远的影响。
智能桥梁结构概述智能桥梁结构的含义智能桥梁结构是指将智能材料嵌入桥梁结构中，能使桥梁结构感知和处理信息，并执行处理结果，使桥梁结构具有自监测、自诊断、自适应和自修复等仿生功能，确保桥梁结构在外部环境和车辆荷载的作用下安全可靠。
2.、智能桥梁结构的特点(1)具有感知与驱动性能的材料经过复合和仿生设计形成传感器与驱动器，并布设于桥梁结构中;(2)对智能感知材料、驱动材料和智能器件进行集成，形成类似于生物体的智能结构;(3)以处理和控制为中心，对感知的信息进行处理，产生决策，控制驱动材料去执行。
综上所述，智能桥梁结构就是把目前广泛使用的离线、被动、静态的检测变为在线、动态和实时的监测，并根据感知信息去分析、判断，控制驱动器，使桥梁结构的各方面性能得到改善，这是减灾防灾的思路产生质的飞跃，是实现桥梁结构设计思想的一场革命。
大型桥梁结构健康监测系统的设计方法-(李惠+欧进萍)
大型桥梁结构健康监测系统的设计方法李 惠 欧进萍（哈尔滨工业大学土木工程学院）摘要结构智能健康监测愈来愈成为重大工程结构健康与安全的重要保障技术，也愈来愈成为重大工程结构损伤积累、乃至灾害演变规律重要的研究手段。
由于我国重大工程结构建设日新月异、突飞猛进，智能健康监测方法、技术和系统的研究、开发与应用吸引了我国土木工程领域众多科技工作者很大的兴趣和积极的参与，并且得到了快速的发展。
我国是桥梁大国，而桥梁结构是服役性能退化较显著的重大工程之一。
本文首先研究了大型桥梁结构健康监测系统的设计总则，结合与桥梁结构健康监测系统有关的理论、方法和技术，分析了健康监测系统的传感器子系统、数据采集子系统、信号传输子系统、损伤识别与模型修正及安全评定、数据管理子系统及系统集成技术等的设计原则与方法及功能要求；采用上述桥梁健康监测系统设计方法，为山东滨州黄河公路大桥和松花江斜拉桥设计并实现了不同等级的健康监测系统，系统运行表明，所建立的桥梁结构健康监测系统协调运行，系统性能很好。
关键词：桥梁；健康监测系统；光纤光栅传感器；无线传输技术；系统集成；数据库；工程应用Design and implementation of health monitoring systems forcable-stayed bridgesLI Hui OU Jinping(School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology)ABSTRACT The intelligent health monitoring system more and more becomes a technique for ensuring the health and safety of civil infrastructures and also an important approach for research of the damage accumulation or even disaster evolving characteristics of civil infrastructures, and attracts prodigious research interests and active development interests of scientists and engineers since a great number of civil infrastructures are planning and building each year in mainland China. Number of cable-stayed bridges have been constructed and are planning to be constructed in mainland China, however, the performance of cable-stayed bridges deteriorates rapidly in long-term service. General design principles of the health monitoring systems for cable-stayed bridges are studied. The design methods of the sensors, software and hardware of data acquisition module, signal transmission, damage detection, model updating, safety evaluation, database and system integrated technologies are analyzed and the basic functions of the health monitoring systems are pointed out. An on-line health monitoring system for the Shandong Binzhou Yellow River Bridge and an off-line health monitoring system for the Harbin Songhua River Bridge are designed and implemented. The two systems have been running for several months and data measured by these two systems are also presented in this paper.Keywords: cable-stayed bridges; health monitoring systems; optical fiber Bragg-grating sensors; wireless communication techniques; system integration; database; implementation国家自然科学基金重大国际合作研究项目（编号：50410133）的资助1. 前言我国经济正处于高速增长时期，为适应经济建设的需要，我国交通事也得到了大规模的发展，大跨度桥梁的建设方兴未艾，并将在未来仍然保持高速增长。
桥梁监测技术的现状与发展趋势
桥梁监测技术的现状与发展趋势桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，对于保障交通运输的安全和顺畅具有至关重要的作用。
随着科技的不断进步，桥梁监测技术也在不断发展和完善，为桥梁的安全运营提供了更加可靠的保障。
一、桥梁监测技术的现状（一）传感器技术传感器是桥梁监测系统的核心组成部分，用于采集桥梁的各种物理参数，如应变、位移、加速度、温度等。
目前，常用的传感器包括电阻应变片、光纤光栅传感器、压电式传感器、加速度传感器等。
这些传感器具有精度高、稳定性好、可靠性强等优点，能够满足桥梁监测的需求。
（二）数据采集与传输技术数据采集是将传感器采集到的信号转换为数字信号，并进行存储和处理的过程。
目前，数据采集系统通常采用分布式或集中式架构，具有多通道、高速、高精度等特点。
数据传输技术则包括有线传输和无线传输两种方式。
有线传输方式如以太网、RS485 等具有传输稳定、可靠性高的优点，但布线成本较高；无线传输方式如 WiFi、蓝牙、Zigbee 等则具有安装方便、灵活性强的特点，但传输距离和稳定性相对有限。
（三）数据分析与处理技术数据分析与处理是桥梁监测的关键环节，其目的是从大量的监测数据中提取有用的信息，评估桥梁的健康状况。
目前，常用的数据分析方法包括时域分析、频域分析、小波分析、模式识别等。
同时，人工智能技术如机器学习、深度学习等也逐渐应用于桥梁监测数据分析中，提高了数据分析的准确性和效率。
（四）健康监测系统桥梁健康监测系统是一个集成了传感器、数据采集与传输、数据分析与处理等功能的综合系统。
通过对桥梁结构的实时监测，可以及时发现桥梁的损伤和病害，为桥梁的维护和管理提供决策依据。
目前，许多大型桥梁都建立了健康监测系统，如香港的青马大桥、上海的南浦大桥等。
二、桥梁监测技术的发展趋势（一）多传感器融合技术单一类型的传感器往往存在局限性，无法全面反映桥梁的结构状态。
多传感器融合技术将不同类型的传感器数据进行融合，可以更准确、全面地获取桥梁的结构信息。
探究桥梁智能检测技术原理及应用
探究桥梁智能检测技术原理及应用在现代社会，桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，其安全性和可靠性至关重要。
随着科技的不断进步，传统的桥梁检测方法逐渐难以满足日益增长的需求，桥梁智能检测技术应运而生。
这种技术以其高效、准确和全面的特点，为桥梁的维护和管理提供了强有力的支持。
一、桥梁智能检测技术的原理桥梁智能检测技术是一个融合了多种学科知识和先进技术的综合体系，其原理主要包括以下几个方面：1、传感器技术传感器是获取桥梁结构信息的关键设备。
常见的传感器类型有应变传感器、位移传感器、加速度传感器等。
这些传感器能够实时感知桥梁在荷载作用下的应变、位移和振动等物理量，并将其转化为电信号或数字信号，为后续的数据分析提供原始数据。
例如，应变传感器可以安装在桥梁的关键部位，如主梁、桥墩等，当桥梁受到车辆荷载或风荷载时，结构会发生微小的变形，应变传感器能够精确测量这些变形所产生的应变值。
2、数据采集与传输技术采集到的传感器数据需要通过有效的方式进行传输和存储。
数据采集系统通常包括数据采集卡、模数转换器等设备，能够以较高的频率和精度采集传感器输出的信号。
在数据传输方面，有线传输和无线传输技术都得到了广泛应用。
有线传输具有稳定性高、传输速度快的优点，但在一些复杂的桥梁结构中，布线可能较为困难。
无线传输则具有安装方便、灵活性强的特点，但可能会受到信号干扰和传输距离的限制。
3、数据分析与处理技术采集到的大量原始数据需要经过深入的分析和处理，才能提取出有价值的信息。
数据分析方法包括时域分析、频域分析、小波分析等。
时域分析可以直接观察数据随时间的变化趋势，如位移和加速度的时间历程。
频域分析则通过傅里叶变换等方法，将时域信号转换为频域信号，从而揭示结构的固有频率、振型等特性。
小波分析则能够在时频域同时对信号进行分析，对于处理非平稳信号具有较好的效果。
4、模型建立与仿真技术为了更好地理解桥梁的结构性能和行为，通常会建立桥梁的数值模型，并通过有限元分析等方法进行仿真计算。
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大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术分析
大型桥梁结构智能健康监测系统是指通过传感器、数据采集与处理、无线通信、数据
传输与存储等技术手段，对桥梁结构的健康状况进行实时监测和评估的系统。
其目的是提
前发现桥梁结构的异常变化，预测结构的寿命和安全性，以便及时采取维护和修复措施，
确保桥梁的正常运行和安全使用。
1. 传感器技术：主要是利用传感器对桥梁各部位的结构物理参数进行测量，如应变、振动、位移、温度等。
传感器的选择需要考虑测量范围、灵敏度、稳定性、耐久性等因素，同时要满足工程实际和经济性的要求。
2. 数据采集与处理技术：通过数据采集设备对传感器获取的数据进行采集和处理，
将其转化为数字信号，并进行滤波、放大和模数转换等处理，确保数据的准确性和可靠性。
还需要对采集的数据进行预处理，如去除噪声、校正误差等。
3. 无线通信技术：采集到的数据需要实时传输到监测中心进行分析和处理。
无线通
信技术可以通过无线传感器网络或移动通信网络实现数据的远程传输。
无线传感器网络可
以实现低功耗、长距离、多节点的通信，适用于分布式监测系统；移动通信网络可以实现
大范围、高速率的数据传输，适用于移动监测系统。
4. 数据传输与存储技术：传感器采集的大量数据需要进行有效的传输和存储。
数据
传输技术可以采用以太网、无线局域网、蓝牙等方式，根据具体场景和要求选择合适的传
输协议和网络设备。
数据存储技术可以使用数据库、云存储等方式，实现对大量数据的存
储和管理，同时还可以使用数据压缩、加密等手段保护数据的安全性。