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5G+橋梁結構安全監測将大規模興起

2019-7-19 09:05
原作者: 智勇 來自: 智慧城市中國 收藏 分享 邀請

【安防展覽網市場分析】據相關數據顯示,目前我國公路橋梁數量已超過80萬座,鐵路橋梁超過20萬座。意味着在橋梁結構安全監測方面,擁有巨大的應用市場。在橋梁建設技術論壇上專家介紹,一個大跨度橋梁的健康監測系統 ...

【安防展覽網市場分析】據相關數據顯示,目前我國公路橋梁數量已超過80萬座,鐵路橋梁超過20萬座。意味着在橋梁結構安全監測方面,擁有巨大的應用市場。

在橋梁建設技術論壇上專家介紹,一個大跨度橋梁的健康監測系統由少則50、多則300個以上的傳感器測點組成,其費用約占到橋梁總造價的0.25%—1.0%(2.0%);監測系統的設計理念越來越側重于為橋梁的養護管理提供支撐,偏重監測内容和技術而輕視測試數據處理和評價的設計方案越來越不易被橋梁業主所接受;健康監測系統本身的耐久性受到重視,要求傳感器和其他硬件具有可更換性,并且更換時不能影響到數據采集的連續性;成橋後的結構健康監測系統與施工控制的監測系統相結合,監測數據内容前伸到施工階段;結構狀态評估子系統和評估軟件的水平有所提高,注重橋梁專家對橋梁結構健康監測結果分析評估的介入。

智慧橋梁建設當中要求綜合集成:結構健康監測集傳感器網絡、數據采集與管理、數據建模、安全評定、壽命預測于一體,全天候不間斷地監測橋梁荷載與環境作用、結構局部和整體響應,全壽命監測建模荷載與環境作用、推斷或在識别結構損傷和性能退化。并在此基礎上,實時、定期或特殊極端事件下修正服役結構的計算模型、分析和定量評定結構的服役安全狀況、預測結構剩餘壽命,把握和預警結構安全和壽命狀況,科學地支撐橋梁結構安全壽命的管養維護與維修加固。

目前,我國目前已有400餘座大型橋梁安裝了結構健康監測系統,随着系統的運行、維護和升級,結構健康監測愈來愈在橋梁服役安全評定和壽命預測等方面發揮着重要作用。同時推動橋梁結構,乃至土木工程結構由現階段的“安全”設計為主,逐步邁向“安全和壽命”設計、評定、預測與維護的新台階。

橋梁健康監測系統的四大要求

一是為結構長期科學有序的監測、巡檢、養護、管理提供一個數據平台,建立結構長期的數字化和信息化檔案。過去是人為管理,對結構不了解、不掌握;
二是盡早發現結構自身或者行車過程中的危險狀态,在結構危險萌芽階段時提前預警,确保安全,特别是鐵路,要實時提前發現事故隐患,提前排除确保安全;
三是有效掌控運行期間結構的局部或整體長期使用狀态和發展趨勢,為養護決策提供數據與信息支持。
四是有效掌握交通基礎設施運營期在的運行狀态,為突發狀态時提供數據保障。

從宏觀上結構健康監測系統的主要目标:為結構安全、設計校核、養護維修和監測技術發展提供服務;從技術細節和實現要求來說,健康檢測系統是具備足夠的船幹測試能力;二是具備數據采集和傳輸能力,這就與互聯網相關;三是需要對結構的安全評估與健康診斷,首先是對結構模型的修正與分析,對損傷的模型定位,損傷發生在什麼地方,對結構将來有什麼影響,同時對結構的安全性發出實時預警預報。這就是健康監測的任務。

實時健康監測是跨學科、多領域的綜合技術,将涉及到土木工程、動力學、材料學、傳感技術、測試技術、信号分析、計算機技術以及網絡通信技術等等,所以結構健康監測系統的發展以緻于通信與網絡技術的發展緊密相關。

随着傳感器技術、無線通信技術、自動化處理技術和數據挖掘技術的發展,橋梁結構安全監測朝着信息化、自動化的方向發展。

橋梁安全監測物聯網

安全物聯網是一種集信息獲取、智能處理和數據分析為一體的新型技術,目前受到國内外各界的高度關注,已在智能家居、環境監測、工業控制、智慧交通等領域得到大量應用。将安全物聯網應用于橋梁結構安全監測不單單具有重要的現實意義,還具有重要的研究價值,在推動和發展智能化、數字化和信息化橋梁工程中起到了積極的作用。

物聯網監測雲平台系統的主要功能是:對采集的數據存儲監測數據,并提供數據統計、分析、繪圖、報表彙總以及自動預警等服務,并可通過計算機浏覽器與移動端App訪問使用。

其中,無線物聯網方案的優勢是:

采用無線傳感網的監測方案,能滿足快速部署需求、減少專業的網絡配置工作(自動組網),同時滿足遠程配置和分析(可自定義的采集、獲取和分析數據)。還具有以下優勢:

1、方案簡捷易行,實用性強;
2、與傳統方案相比,可顯著減少濾波器、線纜等中間設備采購;
3、可随時随地随需增減測點、調整測點類型,支持由小到大平滑擴建;
4、支持移動智能終端APP,有利于應急監測的快速實施和進行;
5、無線測點自帶電源市場上有可堅持3年以上,無需供電及防雷等保護;
6、方案分布式特點,數據集中接入在線系統,适合大規模部署;
7、一年可完成300個橋梁的監測系統施工;

在線監測系統特點:

使用在線監測系統,按需付費的在線監測系統雲系統,因購買服務方式能有效降低系統使用門檻。通過在線監測系統,能實時數據查看、健康評估、阈值預警、時間序列分析等。系統應具有以下特點:

1、提供直觀明了的圖表,分析方便快捷;
2、可将多種相關因素共同繪圖,快捷、直觀地查看趨勢及關聯變化;
3、圖表數據量可簡可繁可定制,可直接用于多種工作報告;
4、提供時均值、日均值、變化速率等統計值的實時計算和更新;
5、提供多級阈值預警設置及對應報警,快速的風險等級評估;
6、提供數據導出,以便用戶采用第三方軟件進行分析;
7、自帶數據加密等安全機制,防止非法接入和使用;
8、提供Android和IOSAPP。

以光纖物聯網為基礎的智能檢測技術擁有預知橋梁病害的發展趨勢的能力,可為橋梁預防性養護提供必要的技術支持,對延緩橋梁大修和翻建的期限,提高橋梁的使用水平和壽命,為設計、施工和管養單位決策提供參考依據。

BIM全生命周期橋梁健康管理應用

BIM技術在現代橋梁建設階段應用較多,而将其成功應用到運營階段的較少,依托BIM技術能實現大橋全生命周期管養。

1、在大橋建設期,依托BIM技術建立了BIM協同管理系統。在大橋建設之初,項目依據橋梁設計,集合橋梁各部件的具體幾何尺寸、材料屬性、配置特征等基本信息,建立BIM數字化信息模型。同時集成了質量、進度、安全、風險、成本控制等信息,輔以GIS、物聯網技術,實現了規劃、設計、建造、管理的全過程信息化管理。一是生成計劃與實際進度信息模型,通過可視化查詢、偏差狀态分析,追蹤工程進度;二是通過手機端采集現場質量安全問題推送至平台,推送短信提醒,實現問題采集、跟蹤、處理閉合式管理;三是分解工程量清單,把工程量及費用信息賦予模型,實現計劃與實際成本比對管控;四是對接視頻監控系統的數據庫,實時動态監控現場施工人員與環境安全。

2、在大橋運營期,基于BIM模型開發了橋梁健康監測系統。該系統是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統工程。監測系統由3大部分組成:健康監測系統、健康與安全分析評估系統、管理應用系統。

 (1)健康監測系統。監控系統負責結構安全信息采集。主要采集主橋、引橋、懸索等位置安裝的近700個傳感器信息,包括橋梁結構的荷載(風力、溫度、交通荷載、地震等),橋梁結構靜力響應(線形、索力、應力等),橋梁結構動力特性(頻率、阻尼比和模态振型等),以及橋梁結構在運營期出現各種結構變化信息。
(2)健康與安全分析評估系統。健康與安全分析評估系統負責結構安全信息處理判斷。結構安全信息處理判斷就是識别影響結構安全性的各種因素,包括建築材料性能退化、結構抗力下降、荷載超限、結構靜力及結構動力特性等參數的異常變化。通過對這些參數的測試采集、分析處理和識别判斷,形成健康監測日報、月報和年報輸出數據及圖形,評估橋梁結構安全等級和适用條件。
(3)管理應用系統。管理應用系統包括安全預警、危險報警、交通管制和管養決策等方面。同時,利用健康與安全監測系統提供的平台進行設計驗證方面的研究工作,能夠分析橋梁在各種荷載長期作用下的靜動力特性變化規律。通過管理應用系統實現結構安全主動控制。

智慧橋梁體系建設

建設智慧橋梁需要從項目全生命周期角度出發,以BIM技術為核心,以移動互聯網等先進信息技術為手段,通過打破信息斷層,有效控制工程信息的采集、加工、存儲和交流,構建信息的創造、傳遞、評估和利用的良性循環機制。實現智慧設計、智慧建造和智慧管養,支持決策者對項目進行合理的協調、規劃和控制,進而不斷提升橋梁技術創新、信息化和智能化水平。

1、智慧管養
針對工務部門的現場檢查,直接利用移動終端進行數字化信息采集,實時上傳病害描述、照片和視頻等内容,免去了“手工記錄一數據錄入一導人系統”的繁瑣步驟,不僅提高了巡檢效率,實現病害的立體展示,而且有利于病害的可持續追蹤,方便追溯管理。

2、病害庫及專家遠程會商
該模塊實現了運營期間病害的分類管理,關聯有效處理措施及維修養護過程,形成規範的管養步驟和流程。針對新病害,采取專家遠程會商,及時獲取有效處理措施,并補充和完善病害庫,形成有機良性循環。

3、病害處理流程
基于互聯網、物聯網和雲計算技術,搭建基于車-線-橋的數字化管養系統,集成智能巡檢、病害庫和知識庫管理等模塊。綜合設計、施工、聯調聯試等信息,利用大數據技術對多源數據進行分析和深度挖掘。結合相關規範、标準,梳理并構建橋梁結構性能評價的基本指标體系,最終實現基于“狀态修”的智慧管養體系,為今後類似工程的設計、施工和運營提供技術依據。

智慧橋梁相關标準體系

BIM标準體系下需要建立統一的BIM模型、數據傳遞交換、存儲、交付、實施、管理等相關指南,形成智慧橋梁BIM技術應用标準體系。其中包括:

1、基于BIM技術的項目協同綜合管理平台

搭建面向多參與方、多階段的BIM管理平台,為各階段的BIM應用及各參與方的數據交換提供一體化信息平台支持,打造各方信息無損傳遞和數據共享的生态鍊。

構件庫、模型庫的建設

基于參數化建模,搭建橋梁構件庫和模型庫,累積标準構件的幾何尺寸、屬性信息,提高設計效率及質量。

2、模拟與分析

研究基于BIM模型的數值模拟和空間分析,實現與力學分析軟件的接口設計,完成建模、計算、分析評估和優化的成套流程。

3、數字化施工與施工管理系統

基于BIM技術,搭建多維施工管理系統,完善和集成多個數字化施工模塊,實現不同階段信息的關聯查詢,追溯管理。實現施工信息資源的智能化、标準化、專業化的深層次應用,達到提升橋梁工程結構建造質量和管理水平的目的。

4、多源數據綜合分析技術

集設計、建造、聯調聯試、試驗、智能巡檢及車-線-橋環境耦合系統等多源數據于一體,利用大數據技術,通過數據挖掘、預測分析、關聯分析等專用算法庫和模型庫,将不同階段的數據進行綜合分析和高效利用,為大橋進行狀态診斷、預測分析和健康管理提供基礎。

5、基于全生命周期的BIM運維管理系統研究

融合先進信息技術,建立包括結構設計、施工、運營、養護維修等内容的全生命周期BIM管養系統,将動态軌檢車、靜态軌道監測系統、橋梁結構監測系統、工務監(檢)測等信息納入多維度的監測内容。采取多源數據分析手段,借助大數據分析技術,構建結構性能評判、預測和健康管理的綜合技術體系,實現大橋維護管理的信息化、自動化和智能化,最終實現基于“狀态修”的橋梁管養模式升級。

結束語

業界新的實踐是:通過“物聯網+移動通信+互聯網+雲計算+BIM技術+橋梁結構分析”理念和技術的綜合運用,可對橋梁結構安全實施全過程、全天候、全覆蓋在線監測,從而建立起一套先進的、科學的橋梁健康監控和評價體系。通過對橋梁的綜合狀态實施系統檢查、科學分析、客觀評估,使管理者能夠準确掌握橋梁結構的安全性能、使用性能和耐久性能,進而采取更加具有針對性和預防性的管養措施,确保橋梁運營安全。與此同時,借助現代信息手段和專家診斷分析系統,利用這一平台,可以更加精準地分析、判斷和預測橋梁使用性能的變化,為橋梁科學管養和橋梁設計、施工的優化提供科學、客觀的依據,從而提高橋梁本質安全度,降低橋梁建設和運行的綜合成本。

為什麼說5G+橋梁結構監測會大規模興起呢?智慧城市中國首席咨詢專家周智勇分析認為:

首先,5G技術是一種以場景驅動的類似專網通信的高帶寬數據傳輸網,因此,比較适合于高價值城市資産的管理、監測、運維和服務;

其次,現代化的橋梁的生命周期通常在50年-100年以上,時間跨度大,基于智能手持終端的橋梁健康監測設備如能在5G的支撐下,必将實現現場的可視化巡檢,可以發揮5G+AR的優勢;

再次,未來随着BIM+GIS+IOT應用的深入推進,利用5G技術設備和網絡的支撐,有望改變傳統的橋梁設計、建造、施工、運維、養護的理論和方法,實現智慧橋梁。

(文章來源智慧城市中國,本文由智慧城市中國作者智勇上傳并發布,本文僅用來學習及交流,侵權删)

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這個人很懶,什麼也沒留下...
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