虎门大桥“呼吸”事件最新结果公布,物联网结构监测成评估利器

  近年来,桥梁事故屡见不鲜,或虚惊一场,或人财两失,严重程度大相径庭。

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  就在近日,相隔不到半个月的时间里,接连发生了两起桥梁事故。

  4月26日,武汉鹦鹉洲长江大桥桥体出现波浪般的晃动。此后,该桥管养单位武汉市城投集团公司回应称,此次桥梁异常振动系特定风况引起,振幅在设计允许范围内;桥梁结构运行正常,安全有保障。

  5月6日下午,主跨888米的虎门大桥桥面出现了幅度明显的“抖动”,桥中间的隔离带上的指示牌也随之上下摇晃,甚至直到第二天凌晨仍在振动。

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悬索桥振动模型

  好在两起事件都没有造成人员伤亡,但也因此引起了业界广泛的关注。尤其后者,以各种“姿势”出现在各大平台的热搜榜上,引得社会各界人士纷纷站在自己的角度对此次事件发表了自己的“看法”:

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  而在各界或质疑、或猜测、或调侃、或借势推销的声浪中,网友们也探讨起了“虎门大桥”是否是豆腐渣工程。就此我们采访了业界专家:

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  5月10日,最新发布的报告对此作出了回应,它确实不是豆腐渣工程!

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  从虎门大桥“呼吸”事件说起,我们怎么看结构健康监测?

  虎门大桥作为一座具有标杆意义的大桥,此次“呼吸”事件的发生也给我们现实生活带来了巨大的借鉴意义:

  1. 预防已有桥梁事故发生的必要性,通过采用物联网技术实现结构健康监测,提高发现类似情况的速度,从而能够及时采取交通管制的措施;
  2. 发生突发事件后的评估为应急响应提供辅助决策;
  3. 给后续同类型桥梁设计优化提供数据和经验,来源于真实的场景的数据比实验数据有更高的参考价值。

  在这些借鉴意义的背后,是数据,是结构健康监测,也是基于两者而做出的事故提前预警。

  如果说虎门大桥事件离大部分人的生活不够近,那不妨从更加接近我们生活的地方聊起。

  其实在我们的日常生活中,通过佩戴智能手环、智能手表等监测设备,实时监测心率、步数、环境噪声等,再借助收集而来的数据分析人体的健康状况,比如通过Apple Watch监测并输出专业水平的心电图、糖尿病呼患者随身佩戴血糖监测仪器以有效预防风险的发生等,这些都已经不是什么新鲜事了。

  那么,如果把桥梁比作人体,则桥上安装的监测系统相当于功能丰富的智能监测设备,它们可实时收集各类环境监测数据,通过这些数据再对桥梁状况进行分析。同人体监测设备存在的目的一样,结构健康监测系统的存在也是如此:

  1. 一方面,通过长期的结构监测获得结构响应的变化,这些数据具有长期性、累积性的及统计性的特征,有着独特的、不可替代的价值。
  2. 另一方面,对于一些已经存在的或者潜在的问题,监测系统也能够跟踪其变化发展趋势,为结构性能变化以及损伤推演提供支持。

  说了这么多,何为结构健康监测?

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  结构健康监测(structural health monitoring,SHM)利用现场的传感设备获取相关数据,实时感知、监测、识别、评定和预警结构荷载与环境作用、结构响应、结构性能、结构状态与安全水平。它高度集成了土木工程、信息科学、通信科学、计算机科学、数据科学等多个专业领域的技术,是保障结构全寿命服役安全的有效方法和手段。

  再来说说,结构健康监测发展过程中三个重要的时间节点:

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  即是监控系统,那到底能监控哪些关键指标想必也是大家都关心的内容。对于大型桥梁来说,一个全面的结构健康监测系统可实现以下三个方面:

  第一:实现环境监测,如车辆载荷、船舶撞击、风速风向、风压、地震、温湿度、余量和视频监控等;

  第二:实现结构整体响应,能监测到振动、变形、位移和转角;

  第三:实现结构局部响应监测,包括应力应变、裂缝及索力。

  总体来说,结构健康监测系统主要发挥着监测及预警的作用。

  结构专家如何进行桥梁结构监测系统设计?

  人在健康的情况下尚且要长期进行监测,作为在交通事业承担了举足轻重的作用的桥梁也是如此。那些表面看似稳固的桥梁,或许存在着严重的安全隐患。突发异常变化的桥梁也不能武断地认定是设计、施工存在问题,而是需要依赖土木结构专业知识,并结合长期历史数据进行推论。

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结构健康监测系统设计步骤

  在确定结构健康监测系统的目标后,结合被监测结构的设计、施工图纸资料以及历年的检测报告等,我们会对结构进行深入分析,了解结构的力学行为规律,掌握起关键部位、荷载及理论响应,对监测方案的结构部分进行概念设计。基于以上分析才能进一步对监测系统的传感器选型、布设方式、传输策略、数据存储管理方式等进行细化技术设计。

  在这个系统中,每一个传感器都有自己的一块手表(时基),但由于晶振特性漂移,一段时间后手表的读数相互出现了差异,因此需要定期对这些“手表”进行统一调整(引入时间同步机制)。否则在模态识别过程中就会引起模态振型相位角的改变,进而导致解算出的模态振型错误,监测系统将发生大量的误报和漏报。目前,相关行业规范要求不同监测数据的数据采集时间同步误差宜小于0.1ms,但目前相当数量的设备实际指标达不到该标准要求。

  结构健康监测系统建设意义在哪里?能提供什么价值?

  虎门大桥“呼吸”事件的发生,让我们明白了结构健康监测系统的核心价值体现在对数据的应用上,因为监测设备采集的数据零散而又片面,并不能独立提供价值。只有结合结构专家对被测对象结构特点的专业知识,对监测得到的数据解析和利用,才能让数据的价值发挥到极致。提到监测数据的应用,或许还可以用另外一个发生不久的案例进一步佐证。

  该案例的主角是四川泸州桥隧群,该桥隧群监测项目是全国范围内首个完全采用无线传感技术进行结构安全监测的桥隧群项目,其建设工期为90个自然日,布设了近4000个传感设备,实现了对全市30座桥梁、3座隧道的全天候实时自动状况监测。2019年6月18日宜宾地震,监测系统1小时内即形成应急响应函,并在24小时内生成应急分析报告,为桥隧安全运行提供了科学依据。该系统的建立标志着泸州公路交通管养模式向预防性、主动性转变。

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  在这个案例中,正是通过对监测数据的分析、应用才能及时响应并快速生成分析报告,化被动为主动。该案例的服务提供方为北京源清慧虹信息科技有限公司,是一家国家级高新企业,也是由清华大学孵化的工业互联网整体解决方案代表企业及行业规范起草单位。

  值得一提的是源清慧虹已连续5年服务于交通部索承体系桥梁国检项目,在其方案中表现出了众多的亮点:

  (1) 快速无损布设、超长免维护期

  (2) 灾害全程记录,提供完善的结构响应原始数据

  (3) 感知端人工智能、百倍信息密度提升

  (4) 关键芯片和协议自主可控

  (5) 组网自适应、排查“零延误”

  (6) 高精度授时、微秒级偏差

  当结构健康监测遇上新基建......

  我国交通建设投资不断增加,未来桥梁建仍会保持上升的趋势,再加上由于我国早前建设的桥梁大部分还没有加装结构健康监测系统,因此对于桥梁监测来说,这是增量与存量并存的蓝海市场。(子午物联ziwuiot.com)

  同时,“新基建”政策的出台为结构健康监测市场“再添一把火”,带来了更多的市场机会。结构健康监测具有由重设备转变为重服务的特点,长期可靠的服务是客户价值所在,这一点与新基建不谋而合。新基建可利用先进技术(无线传感网、大数据分析、人工智能)解决基础设施的建设和养护问题,这是无疑也是智慧城市的目标,而说到底结构健康监测也是实现智慧城市安全有保障的手段之一。

  在这样的情况下,新基建也将成为结构健康监测未来可拓展的市场方向。

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