物联网技术在桥梁管养过程中的应用

姜 冰，王方立，葛浪潮

(中交路桥华南工程有限公司，广东 中山 528400)

1 桥梁管养现状以及物联网技术发展概况

桥梁界广泛流行一句话：“70年代看欧美，90年代看日本，21世纪看中国”，截至日前，中国公路桥梁目前已经突破80多万座，铁路桥梁已经突破20多万座，而且目前中国公路桥梁依然在以每年2.7万座的速度高速增长。另据统计，世界跨径排名前十的斜拉桥、悬索桥以及拱桥中，中国分别占7座、6座和7座，以上数据充分表明当今中国已经成为名副其实的桥梁大国。中国桥梁修建经历了两个高峰期，分别是建国初期的50年代和20世纪末的90年代，所以很大一部分桥梁目前服役年限已经超过了30 a，而全世界的桥梁管养经验表明，当桥梁服役年限超过30 a后，因其受所处环境、车辆超载以及材料老化等现象影响，其服役性能都会有不同程度的下降。国内调查数据也显示，目前已经有近1/3的桥梁结构存在缺陷或者病害，国内桥梁行业已经渐渐从重建轻养的模式向管养并重的模式转化，诸多既有桥梁需要采取必要的管养措施以确保其安全。目前基于人工巡检的检测模式是桥梁管养中采用较多的方法之一，但人工检测存在一定的局限性，比如其受桥梁所处环境的制约，人身安全在深谷、宽河等环境下缺少必要的保障，观测结果很大程度上也取决于技术人员的经验，数据离散不连续等[1-3]。

物联网(Internet of Things，简称IOT)技术被比喻为人类世界的第四次技术革命，顾名思义，指的就是万物互联。它的基本特征是物与物、人与物之间的信息交互过程，由感知、传输和处理三部分组成。工作原理是通过各种前端传感器进行物理量信息采集，采集的物理量包含自然界常见的声、光、热、电等，然后通过传输设备将信息传输到解析软件，软件再将采集到的物理量信号转化为可视化信号，可视化信号再由专业人员进行进一步的分析处理，最后得到所观测结构的关键指标或者关心的指标，进而对所测结构的状态进行诊断。物联网技术目前已经应用于我们工作生活的各个领域，包括工业、农业、环境、交通、物流、安保等，有效的推动了各个行业的智能化发展，更加合理分配了行业资源，进一步提高了各个行业的效率和效益，极大的提高了人们的生活质量和生活水平，因为其典型的智能化、信息化、精准化特点，相信会有更加广阔的应用前景。物联网技术在桥梁管养行业也有着独特的优势：除了可以大大的降低人的参与外；采集的数据不受人为干预影响，客观真实；传输过程实时连续，可以贯穿结构物的整个生命周期；受时间空间等环境影响因素较小，有效避免人身安全问题等。随着5G技术，芯片技术的不断突破和高速发展，可以预见，物联网技术在桥梁管养领域将有着广阔的应用前景。

2 基于物联网技术的某桥梁自动化监测

某市政桥梁为简支预应力结构，双向四车道，设计荷载为2008年作废的旧规范城-A级汽车荷载。该桥因服役年限已达40 a之久，梁体出现较大程度的下挠，同时结构产生的裂缝众多，并且裂缝发展有进一步变快的趋势，基于目前桥梁的状态，业主部门提出维修加固要求。加固前需要对桥梁现有指标进行诊断，以便得出合理的加固方案，由于桥梁所处位置日常交通流量极大，人工检测时间窗口有限，观测空间有限，所以综合考虑后决定选择知物云监测系统，结合物联网技术对桥梁进行自动化监测，待测桥梁平面布置如图1所示。

知物云监测平台在本桥梁监测中的流程如图2所示。

本项目监测过程中，监测因素包含温湿度、应变、挠度、裂缝、振动等，监测系统包含72支传感器，6个采集模块，16个传输模块，通过对桥梁所有影响因素进行全方位的监测，以期得到桥梁状态的准确、实时把握，为接下来的加固方案制定提供依据。

2022年2月16日～2月17日主要监测因素采集数据如图3～图5所示。

本文只显示关键部位少量传感器采集数据加以说明，由结果可知，监测采集数据在外界环境及荷载影响下，会有一定波动，整体趋势短期没有很大变化，比较符合结构实际受力情况。

3 理论计算结果与监测结果的对比

结构采用有限元计算分析软件Midas Civil进行空间建模，为了更加准确的模拟桥梁的实际受力状态，此处建立两跨桥梁整体模型。同时模型综合考虑温度、混凝土徐变、预应力松弛等的影响，以期和桥梁的实际服役年限以及服役状态相匹配，所建有限元模型如图6所示。

本文为了说明问题，仅选取部分监测因素和部分监测数据与理论计算数据进行对比，在相同外部荷载环境情况下，理论计算得到的梁体应力数据与监测数据对比如表1所示。

表1 桥梁梁体下缘理论应力与实测应力对比表

相同外部荷载环境情况下，理论计算得到的梁体挠度数据与监测数据对比如表2所示。

表2 桥梁梁体理论挠度与实测挠度对比表

由上述分析可知，实测结果和理论计算结果吻合度较高，应力对比偏差率小于2%，位移对比偏差率小于5%，说明了基于物联网技术监测数据的准确性，也说明了该基于物联网技术监测方法的可行性。

4 结论与建议

1)结论。

由上述分析可知，基于物联网技术的桥梁监测，可以充分保证数据的准确性，通过过程中减少人工参与，保障了桥梁管养过程中的人员安全问题，也有效降低因为经验造成的主观数据误差，更加符合社会发展去人力化的大趋势，是接下来桥梁管养领域一个新的发展方向。

基于物联网技术的自动化监测通过全天候、全自动、全生命周期的数据采集、传输和分析，可以实时不间断的提供桥梁的实时响应状态。数据采集及利用更加合理有效，在数据和分析方面有如下优势：

a.通过对采集到的变形、应力、裂缝等参数指标进而推断结构的实时健康状况，为后期运营管理和维护决策提供依据。

b.通过采集数据可以判断结构的承载能力，特别是在偶然荷载或者是超标准荷载作用下，可以第一时间预警，保证结构的服役安全以及人民群众的生命财产安全。

c.可以通过监测数据反向验证结构设计的合理性，有效指导接下来同类桥梁的设计修正和完善。

d.通过长期不间断监测，可以判断结构病害的发展趋势，从而可以对病害进行深层次的分析，帮助管养部门制定长期的，有针对性的维修养护策略。

2)建议。

基于物联网的自动化监测，得到的数据量极大，对大量的采集数据需要行业的进一步挖掘利用，包括利用数据进行传感器选型及布置优化、对设计模型修正以及结构损伤溯源，灾害损失评估、服役年限预测等领域，让数据发挥更大的作用[6-8]。

物联网技术发展极为迅速，其和桥梁管养相结合也是处于起步阶段，数据分析及利用目前还缺少统一的标准和规范，不同项目以及不同专家对数据的分析和利用方法也千差万别，在接下来的研究中，需要结合更多的实际应用案例，找到便捷有效的数据利用方法，特别是基于大数据、统计学的分析方法，进而形成标准或者规范，以便让数据利用有据可依，让数据利用更加充分合理。