基于3G无线网络的桥梁健康监测系统研究
摘要：传统桥梁健康监测中，通过人工巡检或借助各种便携式巡检设备如位移计、倾角仪来对桥梁结构进行分析和评估，耗费大量人力物力，且监测结果精度不高、效率较低，没有统一的规范。设计了一种基于3G无线网络的桥梁健康监测系统，利用现代传感通信技术采集桥梁的结构状态及环境参数，数据经路由器汇总，再由3G无线模块及时远传至中心控制系统，为桥梁维管养提供科学的决策依据，从而实现“桥梁主动养护”的先进理念。
关键词： 3G技术；传感器网络；无线传输； 桥梁健康监测
中图分类号：TP301.6 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）01-0048-02
1 概述
桥梁是公路的咽喉，其安全性对国民经济有着至关重要的影响。随着科学技术的发展，桥梁工程无论在建造规模、设计理念还是施工方案上都有了质的突破，国内建桥技术更是跻身世界先进行列。随着时间的推移，各类桥梁在运营过程中，由于材料老化、超载、腐蚀、疲劳及自然灾害等因素，不可避免的会出现各类损伤现象，使得结构承载力与安全性大大降低[1]。据全国公路桥梁普查结果显示，截止2011年底，全国危桥数量达9.35万座，约占桥梁总数的15%[2]。近些年来发生的四川宜宾小南门桥、福建武夷山公馆大桥等桥梁垮塌事故表明，建立安全有效的桥梁健康检测与安全评估机制势在必行。
目前，国内大部分桥梁维管养工作仍以传统的桥梁健康监测为主，通过人工巡检或借助倾角仪、应变计等便携设备测量数据来对桥梁进行评估，这种方法虽然可行，但明显存在不足之处：巡检周期长，耗费大量人力物力；无法及时应对突发事件和及时提供桥梁维护依据；不能对桥梁整体性结构状态作出安全有效的评估；巡检数据没有统一标准和规范，难以大规模存储，无法反应桥梁运营状态的历史规律；不能做到实时监测，无法获取损伤过程和桥梁结构外部荷载[3]。
20世纪90年代以来，国内对桥梁健康监测工作日益重视，“主动养护”的桥梁结构健康监测理念广泛流行起来，先后在重大的桥梁安装了健康监测系统，例如香港的青马大桥、汀九大桥，重庆的马桑溪大桥，上海徐浦大桥等[4]。基于无线网络的桥梁健康监测系统因为其自组织性、低成本、便捷性、灵活性、监测精度高等特点日益受到广泛关注。
2 3G无线通信
3G指第三代蜂窝移动通信技术，它将无线通信与国际互联网等多媒体通信相互结合。与2G相比，3G的系统容量更高，数据传输速率更大，在室内、室外和行车环境中的传输速度分别能达到至少2Mbps、384kbps和144kbps以上，是2G传输速率的15倍以上[5]。它能在全球范围内更好的实现无线连接，能够处理音乐、图像、视频等多种数据形式，提供浏览网页、视频语音聊天、流媒体等多种服务[5]。国际电信联盟确定了3G的三大主流无线接口标准，分别是欧洲的W-CDMA（宽频分码多重存取技术）、美国的CDMA2000（多载波分服用扩频调制技术）及中国的TD-SCDMA（时分同步码分多址接入技术）。
目前，中国电信、中国移动及中国联通均已投入运营了3G技术，对比如下：
表1 3G技术标准对比
由表1可见，基于W-CDMA技术标准的中国联通3G无线网无论是上行速率还是下行速率都具有明显的优势，高于现在的4M宽带速度。
3 基于3G无线网的桥梁健康监测系统
3.1 桥梁健康监测系统架构
桥梁健康监测系统是以现代计算机技术、光电传感技术、通信技术及高性能计算机系统为依托，通过对桥梁结构状态及环境参数的监控，分析与评估桥梁承载能力与安全指标，为桥梁在日常运营、特殊气候及严峻的交通环境下出现异常情况时及时触发预警，最终提供科学的决策依据及高效的养护手段[6]。完整的桥梁健康监测系统应该包含如下模块：
1）传感器子系统
主要由对大桥整体结构动静力进行测量的各类型传感器组成：结构动、静力监测传感器主要监测主梁挠度、结构温度、结构应力及应变等参数，常用的有位移计、倾角仪、应变计等；运营荷载监测传感器主要监测桥梁运营过程中各种可变荷载及变化过程，包括动态称重传感器和地震动及船舶撞击传感器等；环境监测传感器用于监测桥梁所处的物理化学环境，包括温湿度计，风速风向传感器等；材料特性监测类传感器，用于监测桥梁各部位构件的使用情况，为耐久度评估提供原始数据，如锈蚀传感器、裂缝传感器和疲劳传感器等。
2）数据采集与传输子系统
包括数据采集层与数据传输层。数据采集层用于获取传感器的原始传感数据，实现对多种信号源、不同物理信号的采集，并上传至上层数据处理系统，主要包括信号调理设备、A/D转设备及传输线缆等。数据传输层即数据传输网络，用于实现采集数据的远程传输，主要包括工控机（现场数据采集计算机）、光纤调制解调器、路由器、交换机及通讯传输光缆等。
3）数据控制与处理子系统
数据控制与处理系统一般采用工作站或多台服务器进行工作，主要在监控中心及现场进行监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采用的管控工作，能够及时响应后续功能模块对数据的请求。工作站（服务器集群）与前端数据采集、数据传输系统形成一个整体的计算机网络，通过相应的分析软件，对前端数据进行工程量转换和数据预处理，并能按照既定公式对现场数据进行基本的统计运算，以显示相应信息。
4）中心数据库子系统
经过数据预处理后的规范化数据被构造成既定的某种数据结构形式存储起来，形成描述桥梁状态的信息数据库。中心数据库系统除了直接服务于监测系统，为桥梁的健康状况评估提供依据，为监测工作提供病害数据的查询、检索等功能，还存储了反应桥梁健康状况的结构参数的“历史”演变记录，如基础沉降、徐变等。 5）桥梁结构预警与评估子系统
桥梁结构预警与评估子系统通常由工作站或服务器集群组成，通过数据挖掘、计算分析、损伤识别、对比历史数据及人工智能算法对桥梁提供预警及桥梁结构状态分析评估，最终形成正式的桥梁健康状态报告。
如上图1所示，传感器子系统和数据采集、传输子系统把采集到的原始数据通过网络传输到数据控制与处理子系统，经过初步的数据预处理及标准化后，存储到中心数据库，一方面作为桥梁结构预警和评估的信息依据，另一方面作为桥梁历史数据库保存下来。
3.2 无线传输模块
根据前文所述，支持W-CDMA技术标准的3G无线通信网络在传输速度上具有无可比拟的优势，故选用华为的em770模块系列[]，自带TCP/IP协议。系统支持AT命令，能够提供丰富的数据传业务服务。如下图2所示，为em770w无线模块的应用框图[7]。
EM770W无线接口模块的接口形态为通用Mini PCI Express接口，可通过使用232类芯片与标准RS-232-C的接口连接，能外接接口电平为3.0V或1.8V的USIM卡，并提供一路高速USB 2.0接口，和驱动配合，可以在PC机上映射端口[8]。
整个桥梁健康监测系统由传感层、网关层和中央控制层组成，3G无线传输模块在其中启到承上启下的作用，负责把从传感层接收来的数据通过无线与互联网相连，继而传到控制中心和各种终端。其中传感层由传感器子系统及采集传输子系统构成，包括各种类型的传感器及其组成的传感网络、各种采集传输设备，中央控制层即中心数据库子系统和预警评估子系统，包括各种应用服务器、数据库服务器、Web服务器等，如图3所示。
图3 桥梁健康监测系统数据传输
3.3 系统应用
该系统已成功应用于长江水系的桥梁。其中一座桥梁上共安装传感器120个，通过光纤及网线实现了各个采集单元的网络互连，从应用结果看，系统运行稳定，数据存储和3G无线传输均稳定可靠。
图4 桥梁健康监测系统索力监测界面
图4为健康监测系统的索力监测界面，每根索的索力采样频率为1/30HZ，可以看出，系统运行稳定，所有索力值均被传输 （下转第59页）
（上接第49页）
至中心控制层，经过数据处理后绘制成索力曲线，索力值均保持在红色阈值之类有规律的来回变化。变化的因素可能源于活载大小和位置变化、风向风速变化等因素，索力来回变化是导致斜拉索疲劳破损的直接原因，因此对时变索力的实时监测，是桥梁健康监测中的重要环节。
4 总结
桥梁健康监测系统不只是在传统的桥梁巡检技术上做简单改进，而是运用现代计算机技术、传感通信技术和网络技术对桥梁在整个生命周期中的各种参数进行采集并汇总，通过人工智能算法在线演算、与历史数据对比，分析出桥梁结构的健康状态和可靠性，为桥梁维管养提供科学的决策依据。相较于现行的有线网络桥梁监测系统，基于3G无线网络的桥梁健康监测系统安装更方便、部署更灵活且维护成本更低，在未来的市场上应用前景广阔[9]。
参考文献：
[1] 俞姝颖，吴小兵，陈贵海，等.无线传感器网络在桥梁健康监测中的应用[J].软件学报，2015，26（6）：1486-1498.
[2] 张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J].同济大学学报，2000（1）：65-69.
[3] 徐春红，吉林，沈庆宏，等.基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测系统[J].电子测量技术，2008（11）：95-98.
[4] 张宇锋，徐宏，倪一清.大跨桥梁结构健康监测及安全评估系统研究与应用进展[J].公路，2005（12）：22-26.
[5] Lv Ruichao.Design and Implementation of a Video Surveillance System based on 3G Network[C].International Conference on Wireless Communications（WCSP），2009.
[6]Li Peng-fei，Wu Tai-cheng.Bridge health monitoring technology research[J].Prestressed Technology，2011，84（1）：29-33.
[7] 胡顺仁，陈伟民，章鹏.桥梁监测系统多传感器测点之间的关联分析[J].土木工程学报，2009，42（3）.
[8] Harms T，Sedigh S，Bastianini F.Structural health monitoring of bridge using wireless sensor networks.IEEE Instrumentation & Measurement Magazine，2010，13（6）：14-18.