第02章 橋梁結(jié)構(gòu)網(wǎng)級云智慧監(jiān)測硬件環(huán)境

第2章

橋梁結(jié)構(gòu)路網(wǎng)級云智慧監(jiān)測硬件環(huán)境橋梁工程結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測——理論與實踐CONTENTS12.1路網(wǎng)級橋梁群監(jiān)測對硬件環(huán)境的需求2342.2

路網(wǎng)級橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

2.3路網(wǎng)橋梁群云監(jiān)測診斷系統(tǒng)架構(gòu)2.4

云監(jiān)測關(guān)鍵監(jiān)測硬件52.5關(guān)鍵硬件設(shè)備的工程應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是近二十多年來的研究熱點，不僅是在研究領(lǐng)域取得了長足的進展，而且在工程實踐上也突飛猛進，尤其是橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測實踐中，迄今為止，國內(nèi)外已建成了數(shù)百個橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。這些已建成的監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)是針對單體大跨度橋梁。作為整個道路網(wǎng)中的重要環(huán)節(jié)，除了大跨橋梁外，更多數(shù)量的橋梁為中小跨度橋梁。從保障整個道路的暢通角度來講，這些中小橋梁和前述的大跨橋梁所起的作用是一樣的；相比于大跨橋梁的管養(yǎng)措施而言，中小橋梁的管養(yǎng)水平是偏低的，發(fā)生病害的可能性要大于大跨橋梁，因此，針對中小橋梁的監(jiān)測也是很有必要的。目前，已經(jīng)有一些針對中小橋的監(jiān)測嘗試，Zhu,Shicunet.提出了在健康監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用云計算的技術(shù)。這為近年來中小橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。Taoet.提出了中小橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計準則和系統(tǒng)框架。ZhouYingxin提出了對中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的必要性和特點。但如何從路網(wǎng)級別通盤考慮中小橋梁群的監(jiān)測的文獻尚不多見。2.1路網(wǎng)級橋梁群監(jiān)測對硬件環(huán)境的需求中小橋梁往往是路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中數(shù)量最大、分布最廣的橋梁類型，它們的運行狀況直接影響到路網(wǎng)的通暢，進而對整個地區(qū)或國家的經(jīng)濟活動產(chǎn)生影響。在中國大陸，僅就公路橋而言，2017年最新的數(shù)字是82.3萬座橋梁。這些數(shù)目巨大的橋梁，分布情況極不均勻，一般來說東部稠密，西部稀疏。這些橋梁中，絕大多數(shù)為中小橋梁，以河北和上海兩地為例，其中小橋數(shù)目占當?shù)貥蛄嚎倲?shù)的比例分別為96.3%和98%，其中，技術(shù)等級為二類以上的橋梁占比，河北和上海分別為47%和44%。由于這些二類以上橋梁是根據(jù)簡單的人工檢測給出的，結(jié)論可靠性不高，需要依賴監(jiān)測手段真正獲知這些橋梁的真實技術(shù)狀態(tài)，這就產(chǎn)生了巨大的監(jiān)測需求。路網(wǎng)橋梁的特點：（1）

橋梁數(shù)量多，分布廣。據(jù)統(tǒng)計，我國的中小型橋梁的數(shù)量占了全部橋梁的90%以上，遠多于大型橋梁。同時，中小型橋梁的分布范圍十分廣，幾乎涵蓋了所有的大中小型城市，尤其是各城市高架橋梁的建設(shè)，讓中小橋梁的分布更加密集、數(shù)量更加多。（2）

監(jiān)測的需求大，分布稀疏。由于經(jīng)濟成本的限制，中小型橋梁的監(jiān)測很難做到覆蓋所有橋梁，但是城市橋梁養(yǎng)護的需求又要求盡可能覆蓋更多的橋梁，因此選擇能夠代表一段或者一個區(qū)域的幾座典型橋梁進行監(jiān)測以縮減成本進行監(jiān)測的方案就變得順理成章。盡管采取這樣的方式，但是由于橋梁數(shù)量的基數(shù)太大，監(jiān)測的需求也很大，因此造成了監(jiān)測的橋梁之間的距離很大，分布比較稀疏。（3）

現(xiàn)場信號采集條件差。橋梁數(shù)量巨大，中小橋梁占絕大多數(shù)，個體之間地理分布分散，這就決定了測點總數(shù)多，測點分散，距離大，信號采集有難度。（4）

通訊和供電困難。多數(shù)橋梁處于野外地區(qū)，監(jiān)測條件欠缺，信號通訊和系統(tǒng)能量供應(yīng)均存在困難；（5）監(jiān)測目的單一明確。中小橋梁形式簡單，病害損傷類型簡單。相比于大型橋梁的梁、塔、拱、索等多種構(gòu)件組合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，中小型橋梁一般形式簡單，結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。這就使得中小型橋梁的病害發(fā)生的位置、狀態(tài)也比較統(tǒng)一。相比于大型橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)，中小型橋梁可以專注于病害易發(fā)生的位置和形式，而不必做到面面俱到。多數(shù)中小橋梁結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)行為規(guī)律相對簡單，服役期病害規(guī)律可預(yù)測性強，監(jiān)測目的明確，目標系統(tǒng)易于確定；路網(wǎng)橋梁的特點：以裝配式梁橋為例，這種橋梁類型包括預(yù)制空心板梁橋、預(yù)制T梁橋、小箱梁橋，以及其他工廠預(yù)制現(xiàn)場拼裝的橋型。對這類橋梁的長期服役行為的調(diào)查統(tǒng)計表明，盡管這類橋梁的病害類型不少，但其最核心的病害類型是，預(yù)制梁之間的橫向協(xié)同工作能力（可量化為連接剛度）退化，即單板受力病害，其余幾種病害均或果或因地與其發(fā)生聯(lián)系。因此，只需要將監(jiān)測目標設(shè)定為預(yù)制梁之間的橫向協(xié)同工作能力，即抓住了此類橋梁的主要問題，很容易做到監(jiān)測目的的明確化和具體化；其余的不必要的監(jiān)測目標可視情況應(yīng)予以舍棄，以保證監(jiān)測的成本和效率。路網(wǎng)橋梁的特點：（6）測量儀器參數(shù)要求高。中小橋梁的剛度比較大。從橋梁的剛度來說，中小橋梁由梁直接傳遞橋面荷載到橋墩或橋臺，因此梁的剛度一般要比大型橋梁大的多，相應(yīng)橋梁的變形和響應(yīng)在數(shù)量上小于大型橋梁。所以，用于中小型橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器的精度和準確度的要求都應(yīng)該高于大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器，這對于傳感器的研發(fā)提出了更高的要求，也提高了成本。同時，應(yīng)用于大型橋梁的一些頻率指標、模態(tài)指標由于指標的靈敏性問題不再適用，需要研究新的指標。中小橋梁結(jié)構(gòu)的剛度相對較大，活載效應(yīng)較小，因此對傳感器精度、靈敏度和分辨率要求高；（7）監(jiān)測的成本有限。多數(shù)中小橋梁本身的成本低廉，其運營期的管養(yǎng)費用也不可能花費過多，監(jiān)測系統(tǒng)必須低成本化。由于需要監(jiān)測的橋梁數(shù)量多，相比于大型橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，花在每座中小型橋梁的監(jiān)測預(yù)算會少很多。同時，花費在每座橋梁的人力成本也相較大型橋梁要低好多。這是監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的前提。設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)時的要求：（1）經(jīng)濟性要求好。監(jiān)測系統(tǒng)的成本控制要在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，對于系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)備、軟件開發(fā)，都要在滿足要求的前提下，盡可能的控制成本，以滿足良好的經(jīng)濟性要求。（2）

傳感器的要求高。相比于大型橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)，中小橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)在傳感器的精度、準確度上都提出了更高的要求。針對這個問題，有些學(xué)者開始設(shè)計研究數(shù)據(jù)采集技術(shù)，如WangX等在2017年研究的新型風壓傳感系統(tǒng)。（3）傳感設(shè)備分布分散，數(shù)據(jù)集中。由于中小橋梁的分布廣，傳感設(shè)備的分布一定是分散的，但是，無論是成本上的考慮還是分析的需要，都要求數(shù)據(jù)必須集中存放、集中處理。（4）監(jiān)測模式簡單，數(shù)據(jù)分析自動化。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)量巨大，數(shù)據(jù)的分析任務(wù)也是巨大的。因此數(shù)據(jù)分析的自動化就顯得十分必要，而要想讓數(shù)據(jù)分析自動化，監(jiān)測模式設(shè)計的要簡單易實現(xiàn)。（5）可復(fù)用性和可擴展性。由于中小型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測面對的不確定性，無論是監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測系統(tǒng)，還是監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、分析、處理能力，都要在設(shè)計之初就要考慮到可復(fù)用性和可擴展性?；谏厦媛肪W(wǎng)橋梁監(jiān)測需求分析，提出了一種路網(wǎng)橋梁群云監(jiān)測診斷系統(tǒng)架構(gòu)。2.2路網(wǎng)級橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)總體框架復(fù)雜

；不適合直接移植到中小型橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)上大型橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計了服務(wù)于中小橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理公司或者人員存儲、查詢硬件服務(wù)商和專門的硬件管理人員有硬件設(shè)備的可靠運行健康監(jiān)測專業(yè)人員獨立

、不同的功能互相分離、高效率2.3路網(wǎng)橋梁群云監(jiān)測診斷系統(tǒng)架構(gòu)2.3.1系統(tǒng)整體架構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

最適宜給出三種不同的現(xiàn)場采集系統(tǒng)(光纖光柵、4G無線網(wǎng)關(guān)和交通流荷載)解決方案，利用公用通訊網(wǎng)將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)推送至指定地址的云端數(shù)據(jù)服務(wù)器。云端數(shù)據(jù)服務(wù)器

部署普通數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時緩存和永久存儲云端應(yīng)用服務(wù)器

對數(shù)據(jù)的管理、顯示、處理分析

部署針對路網(wǎng)橋梁群監(jiān)測和診斷業(yè)務(wù)的統(tǒng)一軟件平臺;針對各橋梁的相應(yīng)數(shù)據(jù)分析軟件小程序

實現(xiàn)單體橋梁監(jiān)測模式的預(yù)警與診斷；實現(xiàn)網(wǎng)級橋梁群的綜合評估預(yù)警。2.3.2現(xiàn)場采集系統(tǒng)如前述，采用光纖光柵、4G無線網(wǎng)關(guān)和交通流荷載三種現(xiàn)場采集系統(tǒng)解決方案，以適應(yīng)路網(wǎng)中橋梁的多種不同情況，可依據(jù)待監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)特點、所處地區(qū)的通訊、供電條件、施工難度等因素來選擇。1.面向路網(wǎng)的分布式光纖光柵現(xiàn)場采集系統(tǒng)這種現(xiàn)場采集系統(tǒng)主要針對光纖光柵傳感系統(tǒng)，主要是通過集成有4G無線網(wǎng)關(guān)和光纖接入模塊的輕量化光纖光柵網(wǎng)絡(luò)解調(diào)儀，現(xiàn)場采集應(yīng)變、位移、溫度、加速度等物理量，相應(yīng)的傳感器均為光纖光柵類傳感器。BOTDR和BOTDA完全意義的空間分布式傳感技術(shù)測量精度差

采樣速度不高不適于橋梁監(jiān)測的需求光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)準分布式光纖傳感技術(shù)測量精度和采樣速度遠好于前者對路網(wǎng)中小橋梁監(jiān)測

是一種值得研究和發(fā)展的技術(shù)BUTFBG傳感技術(shù)對應(yīng)的卻是一種集中式數(shù)據(jù)采集技術(shù),其特點：解調(diào)設(shè)備產(chǎn)品成熟；通道多；可同時串接的傳感器數(shù)目多；采用集中光信號解調(diào)的方式來覆蓋多個單體橋梁的監(jiān)測測點；一般傳感器到解調(diào)儀之間的距離不宜超過10km（每公里信號衰減不應(yīng)大于0.5db的原則）。故不適于路網(wǎng)橋梁的現(xiàn)場信號采集需求：（1）就路網(wǎng)中的每一個單體中小橋梁監(jiān)測需求而言，通常希望用最少的測點，獲得最有價值的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此每個單體橋梁測點數(shù)目不多，但橋梁間的距離通常會遠大于10km；（2）已有的FBG光纖光柵解調(diào)裝置技術(shù)大多價值不菲，通道多，可串接的傳感器數(shù)目多，顯然不適于路網(wǎng)橋梁監(jiān)測對成本的限制要求。SO一種適于中小型橋梁監(jiān)測的低成本網(wǎng)絡(luò)化的分布式FBG現(xiàn)場采集技術(shù)FBG解調(diào)儀的瘦身版和網(wǎng)絡(luò)版該解調(diào)儀被設(shè)計成擁有最多不超過4通道的光路，只可覆蓋臨近10公里范圍內(nèi)的單座橋梁或者數(shù)個橋梁的傳感器，集成網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)以4G無線通訊或高速以太網(wǎng)方式接入云端。整個路網(wǎng)的采集系統(tǒng)由多個這樣的解調(diào)儀組成，與集中式數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集方式相比，其布置可以不受地理距離的限制，實現(xiàn)整個路網(wǎng)的全覆蓋。2.4G無線網(wǎng)關(guān)采集系統(tǒng)除了使用光纖光柵類傳感器外，某些情況下路網(wǎng)橋梁群的監(jiān)測還需使用一些電類傳感器，如加速度傳感器、振弦式應(yīng)變傳感器、壓力變送器（連通管）等。尤其是在環(huán)境激勵條件下的振動監(jiān)測時，需要很高精度的電類加速度傳感器。對于處于野外環(huán)境的路網(wǎng)中小橋梁，采用這類傳感器時，安裝、信號采集、通訊、供電等都存在困難。本章建議的一種基于4G無線網(wǎng)關(guān)的采集系統(tǒng)，就是針對電類傳感器的采集系統(tǒng)，該現(xiàn)場采集系統(tǒng)的采集節(jié)點被設(shè)計為僅完成數(shù)據(jù)的匯集、轉(zhuǎn)發(fā)等通訊功能，包括采集節(jié)點到云端的遠程通訊功能和各傳感器到采集節(jié)點的現(xiàn)場通訊功能。前者以4G無線網(wǎng)關(guān)為主要特征，兼顧高速以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)遠程通訊功能，將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)直接推至云端。后者則采取多種靈活手段實現(xiàn)現(xiàn)場采集節(jié)點到安裝在橋梁上的傳感器的通訊連接，包括帶供電纜芯的復(fù)合數(shù)據(jù)網(wǎng)線、WiFi、Zigbee、433MHz、470MHz等，可根據(jù)現(xiàn)場施工難度和通訊環(huán)境來選擇具體形式由于電類傳感器的數(shù)采原理多種多樣，難于采用統(tǒng)一的AD轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)前述的多功能傳感器的采集需求，因此將采集節(jié)點的數(shù)采任務(wù)剝離出去，使其下放到各類傳感器端，使傳感器自帶數(shù)采電路和通訊模塊，形成物聯(lián)網(wǎng)傳感器；也可進一步集成FPGA、DSP或ARM處理器，形成智慧化的物聯(lián)網(wǎng)傳感器。3.基于信息融合的交通流荷載現(xiàn)場采集技術(shù)系統(tǒng)交通荷載信息是橋梁監(jiān)測的一項重要內(nèi)容。通過對交通荷載的監(jiān)測，可以：實時監(jiān)控獲知路網(wǎng)中的交通獲知作用在橋梁上的交通荷載據(jù)1、2進行超載超限監(jiān)控、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和疲勞壽命評估目前的車輛動態(tài)稱重技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)交通視頻監(jiān)控技術(shù)和動態(tài)稱重系統(tǒng)的結(jié)合使用，可以識別路面和橋梁上的移動車輛的牌照、車重、軸重、車速、作用車道等信息，并能實時獲得路面或橋面的視頻圖像。因此通常會部署多個獨立并成套的交通及動態(tài)稱重系統(tǒng)。此類監(jiān)測信息也需要進行采集并實時地傳輸?shù)皆贫?。對于路網(wǎng)橋梁群的監(jiān)測：重點橋梁個體的交通視頻及交通荷載監(jiān)+總體監(jiān)控路網(wǎng)級交通流荷載分布情況交通視頻圖像信息數(shù)據(jù)量大通過4G無線遠程傳輸成本太大困難已有的動態(tài)稱重系統(tǒng)自帶采集功能實時得到數(shù)字化的車輛信息和車輛行駛信息數(shù)據(jù)量很小只需配置4G網(wǎng)關(guān)實時如何將二者有用監(jiān)測信息實時、低成本地采集并傳輸？為此本章給出一種基于信息融合的交通流荷載現(xiàn)場采集技術(shù)，該技術(shù)首先利用圖像處理技術(shù)實時識別指定區(qū)域橋面的車輛位置，并將其與動態(tài)稱重系統(tǒng)同步監(jiān)測得到的車輛及其行駛參數(shù)信息進行融合，進而實現(xiàn)對指定區(qū)域橋面的交通車隊信息的實時識別。由于融合后的信息均已數(shù)字化，因此很容易通過配置的4G網(wǎng)關(guān)傳輸至云端。其次，針對整體路網(wǎng)的交通規(guī)劃情況，合理布設(shè)交通流荷載現(xiàn)場采集信息節(jié)點，并利用路網(wǎng)交通監(jiān)控信息，對融合得到指定區(qū)域交通車隊信息、各路段交通流荷載統(tǒng)計信息進行必要的修正。本章提出的交通流荷載現(xiàn)場采集技術(shù)有兩個不同的目的：一是針對路網(wǎng)內(nèi)重點橋梁的交通流荷載監(jiān)測，主要通過前面提及的采集、識別和融合，獲得指定區(qū)域內(nèi)實時的交通車隊信息并傳輸至云端；另一個是針對路網(wǎng)橋梁群的共性交通流荷載監(jiān)測，它不僅需要將指定區(qū)域內(nèi)的交通車隊信息傳輸至云端，而且還進一步在云端結(jié)合路網(wǎng)交通監(jiān)測信息，進行交通流荷載信息的建模、特征提取、統(tǒng)計、規(guī)律泛化等工作，使其可以描述同一路段、同一道路甚至同一路網(wǎng)內(nèi)的交通荷載普遍規(guī)律。因此，和前兩種現(xiàn)場采集技術(shù)相比，交通流荷載現(xiàn)場采集技術(shù)的最大特點是將例行化的識別計算工作放在現(xiàn)場采集設(shè)備里。2.3.3現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集策略實際工作時，上述三種現(xiàn)場采集系統(tǒng)均可采取兩種數(shù)據(jù)采集策略，即1.連續(xù)式監(jiān)測采集系統(tǒng)以既定的采樣制度進行連續(xù)地測量，形成源源不斷的監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列。這種現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方式適用于某些需要連續(xù)觀測的橋梁結(jié)構(gòu)效應(yīng)監(jiān)測，或者某些有實時性需要的性能指標的實時在線識別?？梢砸罁?jù)這種實時、連續(xù)獲知的結(jié)構(gòu)效應(yīng)或性能指標，進一步形成實時預(yù)警功能，來保證橋梁結(jié)構(gòu)的某項性能保持在正常設(shè)定范圍，或者保證行駛在路網(wǎng)橋梁上的正常使用性能。這種監(jiān)測方式要求監(jiān)測設(shè)備連續(xù)工作，需要持久能源供應(yīng)，因此對監(jiān)測軟硬件的容量和工作性能要求較高，對系統(tǒng)本身運行和維護成本也較高。2.間斷式監(jiān)測采集系統(tǒng)按照一定觸發(fā)條件定期進行一小段時間的連續(xù)測量，形成一定長度的監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列。這種方式可應(yīng)用于對連續(xù)性和實時性要求不高的結(jié)構(gòu)效應(yīng)或性能指標的監(jiān)測。對于有些橋梁管養(yǎng)資金有限或者短期內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的可能性不大的橋梁，可以采用間隔式的測量方式。這樣可以減少投入，降低成本。同時，也減少了數(shù)據(jù)存儲和分析處理的負擔。間斷式監(jiān)測根據(jù)觸發(fā)方式的不同又可以詳細分為以下兩種。定時觸發(fā)式。每隔一段固定的時間自動開始監(jiān)測，在完成預(yù)定的監(jiān)測任務(wù)后進入休眠，等待下一次的喚醒。事件觸發(fā)式。通過低功耗的設(shè)備對環(huán)境進行監(jiān)測，當達到某些條件（如著火、臺風、重載交通等）后，開始進行監(jiān)測，在完成預(yù)定的監(jiān)測任務(wù)后進入休眠，等待下一次被喚醒。2.4云監(jiān)測關(guān)鍵監(jiān)測硬件2.4.1適于中小橋梁監(jiān)測的高精度傳感設(shè)備配合前面的兩種現(xiàn)場采集技術(shù)（面向路網(wǎng)的分布式光纖光柵現(xiàn)場采集系統(tǒng)和

4G無線網(wǎng)關(guān)采集系統(tǒng)），本章改造和研發(fā)了系列具有高精度、高分辨和高靈敏度的傳感器技術(shù)，這些技術(shù)均可實現(xiàn)動靜兼具、多參量兼具的多功能監(jiān)測，信息量大，成本節(jié)約。1.光纖光柵類傳感器加速度、動（靜）應(yīng)變、撓度和風載效應(yīng)是橋梁監(jiān)測的重要內(nèi)容，前三者對于中小橋梁來所更加重要。本章先后對已有的FBG光纖光柵應(yīng)變、加速度傳感技術(shù)進行了改良，提高其精度、分辨率和靈敏度，以適應(yīng)中小橋梁的需求，同時，也研發(fā)了多參量FBG結(jié)構(gòu)表面風壓傳感器。（1）低頻高精度FBG加速度傳感器同濟大學(xué)于2005年提出FBG加速度傳感器結(jié)構(gòu)方案（圖a）的基礎(chǔ)上進行進一步的改良工作。通過兩種方式改良已有的FBG加速度傳感技術(shù)：一是優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)，將該傳感器光纖光柵兩端直接固定在外殼上，以避免柵區(qū)粘貼帶來的光纖光柵反射波啁啾或多峰現(xiàn)象，同時振子相同振幅時帶來柵區(qū)較大的變形，使靈敏度提高；二是以精度和低頻特性為優(yōu)化目標優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時使?jié)M足下述兩個條件:1）傳感器分辨力≤50mGal(1Gal=1cm/s2)；2）低頻（0.1Hz~1Hz區(qū)）線性度≤1%Fullscale先通過數(shù)值仿真計算得到一組最優(yōu)的傳感器設(shè)計參數(shù)，再制成成品（圖b），對成品的測試效果表明，優(yōu)化后的FBG傳感器的低頻特性大大提高，精度也在要求范圍內(nèi)（小于0.43mg，分辨率小于0.043mg），靈敏度系數(shù)為2.3pm/mg。研究表明，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，F(xiàn)BG加速度傳感器已經(jīng)具備在土木工程中監(jiān)測條件下使用?？蛇M行橋梁的多種結(jié)構(gòu)效應(yīng)監(jiān)測，如加速度、振動特性、索力，也可進一步進行結(jié)構(gòu)動位移的監(jiān)測。（2）高精度高分辨率FBG

陣列應(yīng)變傳感器在普通FBG應(yīng)變傳感原理的基礎(chǔ)上，組合采取了四種措施來實現(xiàn)同時提高應(yīng)變測量值的精度、靈敏度和分辨率，即:加長錨固端的距離，使其遠大于FBG柵區(qū)粘結(jié)點之間的距離，可提高靈敏度和分辨率；基片中間（柵區(qū)）的交叉鏤空區(qū)處剛度急劇變小，使得傳感器基片變形主要集中在中間交叉鏤空區(qū)處；多個FBG光柵組成平行陣列粘結(jié)于鏤空區(qū)，以多個光柵應(yīng)變測量值的均值作為傳感器的最終測量值，進而提高應(yīng)變精度；布置一個松弛的FBG光柵進行同步溫度自補償。由于精度、分辨率和靈敏度的提高，使得該傳感器成為一種多功能傳感器，可同時兼具靜應(yīng)變、動應(yīng)變和結(jié)構(gòu)振動應(yīng)變模態(tài)的測量能力（3）FBG風壓傳感器及時準確地了解結(jié)構(gòu)的風荷載，對結(jié)構(gòu)的運營期適用性、安全性的評估和監(jiān)控具有重要意義，對風荷載的監(jiān)測已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一項重要內(nèi)容，也成為此類研究的瓶頸問題之一?，F(xiàn)場表面風壓實測是風工程研究中最可靠、最直接最有效的方法，但是目前尚缺乏成熟的、適于惡劣的環(huán)境條件下工作的前端壓力傳感器技術(shù)。因此我們將光纖光柵傳感（FBG,FiberBragggrating）技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)表面風壓測量上來，利用其在靈敏度、穩(wěn)定性和易用性等方面的優(yōu)勢，研發(fā)了一種基于FBG傳感技術(shù)的新型風壓傳感器。如圖a所示，設(shè)計了一種球殼結(jié)構(gòu)用于承受風多的壓力，通過球殼將壓力轉(zhuǎn)化為水平推力，使球殼內(nèi)部的FBG光柵元件感知，進而轉(zhuǎn)化為球殼表面的風壓信息。依據(jù)該方案制成的樣品如圖b所示。通過研究表明，本方案能夠滿足地球自然氣象條件下的結(jié)構(gòu)表面風壓測量需要，具有較好的靈敏度，其測量精度可控制10Pa以下；可兼具靜風、脈動風作用下的現(xiàn)場結(jié)構(gòu)風壓監(jiān)測能力。2.基于電類的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)針對前文給出的第二種路網(wǎng)橋梁群監(jiān)測的采集系統(tǒng)（

4G無線網(wǎng)關(guān)采集系統(tǒng)），需要研發(fā)與之匹配的末端信息傳感技術(shù)。按照要求，這種傳感技術(shù)需要將數(shù)據(jù)AD數(shù)采功能和末端通訊模塊集成到模擬電類傳感器中，形成可直接入網(wǎng)、具有獨立網(wǎng)絡(luò)標識的數(shù)字化傳感器，并可進一步形成直接遠程接入云端的網(wǎng)絡(luò)傳感器，或具備一定數(shù)據(jù)處理能力的智慧型傳感器。對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，靜止或緩慢變化的效應(yīng)靠一次性檢測即可獲知，不應(yīng)成為監(jiān)測主要考慮對象；而動應(yīng)變、動位移、振動加速度等結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包含的信息量更大，更具監(jiān)測價值，應(yīng)當成為監(jiān)測的主要內(nèi)容。這種‘動’的監(jiān)測方式，不僅對傳感技術(shù)提出更高要求，而且還會導(dǎo)致傳感設(shè)備能量消耗大、監(jiān)測數(shù)據(jù)通訊困難。因此，以‘動’測為主的傳感器除了應(yīng)滿足更高的測量技術(shù)要求外，還必須要考慮供電問題和物聯(lián)網(wǎng)接入問題。結(jié)合路網(wǎng)橋梁群監(jiān)測的實際需求，本章重點研發(fā)了兩種基于電類的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，即基于MEMS的通用型加速度網(wǎng)絡(luò)傳感器和具有前置計算功能的加速度網(wǎng)絡(luò)傳感器。（1）基于MEMS的通用型加速度網(wǎng)絡(luò)傳感器為了適應(yīng)不同的路網(wǎng)橋梁的振動加速度監(jiān)測需求，研發(fā)了一款可以適用于不同通訊條件、不同供電模式的通用型加速度網(wǎng)絡(luò)傳感器（UNA，UniversalNetworkAccelerator），該傳感器端的IC功能圖如下圖所示?？紤]到路網(wǎng)橋梁振動監(jiān)測需求特點，通用的通用型加速度網(wǎng)絡(luò)傳感器采用低頻特性優(yōu)良的MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)加速度傳感器，以兩種方式入網(wǎng)：1.UNA經(jīng)網(wǎng)線或無線(可以是WiFi、433MHz、470MHz)接入ODC(現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集器，ODC,OnsiteDataCollector)，再由ODC通過以太網(wǎng)或4G的方式接入云端服務(wù)器；2.將UNA通過以太網(wǎng)或4G方式直接接入遠端的云服務(wù)器?？刹捎脙煞N供電方式：1.一種是采用POE網(wǎng)線供電，適于跨徑較小且可供電的橋梁；2.另一種需要配置高能電池(HEB,High-energybattery)，可用于持續(xù)時間不長的臨時性監(jiān)測，或者便于定期更換電池的情況。傳感端集成微控制器(MCU,MicrocontrollerUnit)必要的通訊模塊、電源適配器、現(xiàn)場閃存，以及NTP(NetworkTimeProtocol)或GPS(GlobalPositioningSystem)時間同步模塊。每個傳感端均可有自己的獨特網(wǎng)絡(luò)標識。再上述設(shè)想的指導(dǎo)下，我們已開發(fā)了兩種產(chǎn)品，一種是

WiFi型網(wǎng)絡(luò)加速度傳感器，另一種是POE網(wǎng)線型網(wǎng)絡(luò)加速度傳感器，已應(yīng)用與上海和河北兩處路網(wǎng)橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)之中。（2）具有前置計算功能的加速度網(wǎng)絡(luò)傳感器路網(wǎng)橋梁群監(jiān)測對具有前置計算功能的智能型傳感器也具有很強的需求，原因有二：由于受橋址附近的通訊條件的限制，沒有辦法大數(shù)據(jù)量的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫吮O(jiān)測中心；多數(shù)云端的監(jiān)測診斷算法并不直接處理原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，而是需要處理監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征指標。因此，可以將考慮將一些具有流程相對固定、可在線化的數(shù)據(jù)處理流程放在傳感端進行，這就是具有前置傳感器。針對中小橋振動監(jiān)測，我們研發(fā)了具有前置計算功能的加速度網(wǎng)絡(luò)傳感器。該傳感器由三部分構(gòu)成：1）MEMS加速度模塊，選型為美泰科技MSA1000D,主要實現(xiàn)加速度模擬前端采集，經(jīng)過信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，再進行數(shù)據(jù)校正處理后經(jīng)輸出接口實現(xiàn)數(shù)字信號輸出；2）SOC信號處理模塊，采用ALTERASOC系列處理器，是FPGA與雙核cortexA9處理器的單芯片解決方案，實現(xiàn)從MEMS加速度模塊的數(shù)據(jù)接收，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、時序控制、算法處理，并可通過外掛的兩片大容量存儲模塊，實現(xiàn)傳感端的數(shù)據(jù)臨時存儲；3）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，該模塊集成4G通訊模塊，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通訊及控制，同時上位機用戶軟件實現(xiàn)硬件功能的控制與數(shù)據(jù)后臺處理。針對路網(wǎng)橋梁群對動位移監(jiān)測需要，我們研發(fā)了基于遞歸最小二乘法的加速度二次積分算法，解決了動位移的實時監(jiān)測問題，該算法被下載到該傳感器上，構(gòu)成了一種多功能的振動監(jiān)測設(shè)備和適于中小橋梁的低成本動位移監(jiān)測設(shè)備。同樣的設(shè)備，也可運行橋梁結(jié)構(gòu)多參量姿態(tài)識別算法、遞歸的加速度功率譜識別算法、基于單通道的動力指紋識別算法等，形成一系列專用的智能型傳感器。2.4.2適于中小橋梁監(jiān)測的現(xiàn)場信息采集節(jié)點設(shè)備針對前面提到的三種適于路網(wǎng)橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)（面向路網(wǎng)的分布式光纖光柵現(xiàn)場采集系統(tǒng)、

4G無線網(wǎng)關(guān)采集系統(tǒng)和基于信息融合的交通流荷載現(xiàn)場采集技術(shù)系統(tǒng)）的現(xiàn)場解決方案，研發(fā)了三種現(xiàn)場信息采集設(shè)備，分別是FBG云解調(diào)儀、多功能監(jiān)測專用4G無線網(wǎng)關(guān)和多功能交通流現(xiàn)場采集工作站。前兩種現(xiàn)場設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)工程應(yīng)用，將詳細介紹，第三種設(shè)備尚在試驗中，略去不提。1.FBG云解調(diào)儀已有的FBG解調(diào)儀是為集中式解調(diào)方案設(shè)計的，不適于分布式解調(diào)方案。本章提出FBG云解調(diào)儀方案是傳統(tǒng)的FBG解調(diào)儀的瘦身版和網(wǎng)絡(luò)版，被設(shè)計成擁有最多不超過4通道的光路，只可覆蓋臨近10公里范圍內(nèi)的單座橋梁或者數(shù)個橋梁的傳感器，集成網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)以4G無線通訊或高速以太網(wǎng)方式接入云端，其系統(tǒng)框圖即研制樣機（上海漲韻電子有限公司）。FBG云解調(diào)儀按照中小橋梁的解調(diào)參數(shù)需求，合作單位最終研制出的適于分布式云解調(diào)監(jiān)測方案的低成本4G光纖網(wǎng)絡(luò)解調(diào)設(shè)備樣機，其技術(shù)參數(shù)如下，（1）波長范圍：1525-1565nm；（2）測量速率：最高2kHz；（3）重復(fù)性：＜±2pm（1pm=10-12m）；（4）精準度：2-5pm；（5）分辨率：1pm；（6）采樣通道：4（同步并行）和已有的解調(diào)方案相比，本項目研制的云解調(diào)系統(tǒng)具有如下幾點改進：采用低功耗FPGA高速采樣電路實現(xiàn)對整個解調(diào)和傳輸系統(tǒng)的控制，并在內(nèi)嵌DSP高性能單元實現(xiàn)精準的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光譜峰值識別定位算法；采用光功率放大器，一方面使信號傳輸距離可擴大到10km范圍之內(nèi)，另一方面，使得信號光譜的峰值的信噪比提高，波形更加發(fā)育，峰值辨識更易，精度和可靠性也進一步提高；采用峰值記錄法，使得每一個信號的譜信號不必要在電路中進行轉(zhuǎn)發(fā)通訊，節(jié)省了RAM空間，也大大減少DSP芯片數(shù)據(jù)處理任務(wù)的負荷，從而使得FPGA電路可以騰出計算內(nèi)力來處理其他任務(wù)，節(jié)省了機時，也構(gòu)成了整個硬件成本降低的較大空間，使得低成本解調(diào)成為可能；集成了USB、4G網(wǎng)關(guān)和局域網(wǎng)卡電路，使得解調(diào)節(jié)點可以方便的接入網(wǎng)絡(luò)和云端平臺，從而使分布式云解調(diào)監(jiān)測方案成為可能；集成的

GPS模塊和網(wǎng)絡(luò)授時模塊，使其適于大地理范圍內(nèi)路網(wǎng)橋梁的分布式監(jiān)測的地理定位和時間同步管理。2.多功能4G無線網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)節(jié)點設(shè)備對于現(xiàn)場采用電類傳感器的監(jiān)測組網(wǎng)需求，可以采用4G無線網(wǎng)關(guān)采集系統(tǒng)方案來實現(xiàn)，配合該系統(tǒng)的信息采集節(jié)點設(shè)備可以4G無線網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)，集成其他數(shù)據(jù)匯集、轉(zhuǎn)發(fā)等通訊功能，實現(xiàn)采集節(jié)點到云端的遠程通訊功能和各傳感器到采集節(jié)點的現(xiàn)場通訊功能?？紤]到每座單體中小橋的監(jiān)測測點相對集中且數(shù)目并不多的特點，該節(jié)點設(shè)備采用包括4G和以太網(wǎng)等兩種遠程通訊手段，以及可接入POE設(shè)備的以太網(wǎng)、WiFi、433MHz和470MHz。工作原理（1）智能加速度傳感器采集到加速度信號并通過網(wǎng)口發(fā)送給4G網(wǎng)關(guān)；（2）4G網(wǎng)關(guān)采集到加速度數(shù)據(jù)后，進行緩存；（3）4G網(wǎng)關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給遠程服務(wù)器；（4）遠程服務(wù)器獲取到數(shù)據(jù)后進行采集、顯示和存儲。詳細技術(shù)路線首先將220v電源通過濾波器處理成潔凈電源，然后通過220V轉(zhuǎn)12V模塊轉(zhuǎn)化成DC12V穩(wěn)壓電源為電路供電。選用MT7620A芯片為主控芯片，利用TQM7M90509負責WiFi協(xié)議轉(zhuǎn)換H1102NL芯片為網(wǎng)卡芯片，負責網(wǎng)卡信號的電平轉(zhuǎn)換。利用SIM808芯片負責接收轉(zhuǎn)化GPS信號，輸出定位信息至主控芯片，SIPEX3232EE芯片負責RS232的協(xié)議傳輸，通過RS232可以拓展433MHz模塊。通過4G手機流量卡接收4G信號，并進行USB3.0與SD卡可拓展。主要元器件：（1）MT7620A芯片為主控芯片（2）TQM7M90509為WiFi芯片（3）H1102NL芯片為網(wǎng)卡芯片（4）SIM808芯片為GPS芯片（5）SIPEX3232EE芯片為RS232芯片儀器參數(shù)網(wǎng)關(guān)儀器參數(shù)加速度傳感器參數(shù)2.5關(guān)鍵硬件設(shè)備的工程應(yīng)用以上海寶山地區(qū)為例，其分布式FBG現(xiàn)場采集方案如后圖所示。該地區(qū)共布置3個FBG云解調(diào)儀，覆蓋9座待監(jiān)測的橋梁。使用