橋梁監(jiān)控傳感器助力橋梁和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
全球人口正在增長(zhǎng)——聯(lián)合國(guó)估計(jì)2030年將達(dá)到85億——這增加了對(duì)可靠的基礎(chǔ)設(shè)施的需求，以滿足全球公民的住房和交通需求。各種橋梁是這一重要基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，幫助貨物和人員通過(guò)以前無(wú)法進(jìn)入的走廊。橋梁維護(hù)和維修是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，各種電子傳感器有助于促進(jìn)這一過(guò)程。
橋梁和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
橋梁的監(jiān)測(cè)已經(jīng)經(jīng)歷了多年的演變。很多國(guó)家橋梁檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了目視檢查的特定頻率。當(dāng)定期目視檢查(比如間隔六個(gè)月)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題時(shí)，維護(hù)專業(yè)人員會(huì)增加檢查頻率，在回路中添加更多傳感器和先進(jìn)的技術(shù)解決方案。
正在進(jìn)行的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)的主題是，當(dāng)定期目視檢查發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題時(shí)，可能已經(jīng)為時(shí)過(guò)晚，無(wú)法阻止重大損壞。SHM在變化的條件下保持一個(gè)脈沖，這些條件可能不容易被肉眼看到。SHM承諾，它可以及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免昂貴的維修、道路封閉等。SHM的成本也不是微不足道的，但作為一種方法，它不僅能讓業(yè)務(wù)保持運(yùn)轉(zhuǎn)，還可能拯救生命。
為了保持橋梁的運(yùn)行，工程師們從兩個(gè)方面收集數(shù)據(jù):維修和日常維護(hù)。傳感器在每一類中都發(fā)揮著作用。保持橋梁安全需要頻繁的持續(xù)分析，并在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和故障排除。從本質(zhì)上講，橋梁分析是為了預(yù)防問(wèn)題和在故障發(fā)生時(shí)排除故障。為了預(yù)防，專業(yè)人員可以選擇定期定期檢查，包括目測(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)。或者，定期遠(yuǎn)程監(jiān)控也是可能的。先進(jìn)的計(jì)算能力和基于傳感器數(shù)據(jù)的人工智能加速了持續(xù)監(jiān)控的發(fā)展。
要測(cè)量的參數(shù)
為了清楚地了解橋梁的健康狀況，行業(yè)專家需要測(cè)量幾個(gè)不同的參數(shù)。其中包括:
1. 外部負(fù)載
例如由風(fēng)和交通造成的影響。測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向?qū)τ诖_定電纜振動(dòng)至關(guān)重要，以防止電纜過(guò)早損壞和斷裂。風(fēng)的影響也會(huì)導(dǎo)致橋梁的結(jié)構(gòu)扭曲。風(fēng)增加了裝載問(wèn)題，交通也是如此。通常需要監(jiān)控交通噸位，如果需要，大型卡車可以改道。
2. 結(jié)構(gòu)效應(yīng)
隨著時(shí)間的推移，如應(yīng)變，結(jié)構(gòu)單元的位移。測(cè)量應(yīng)變可以知道橋梁承受的壓力有多大，這可能預(yù)示著即將發(fā)生的故障。例如，測(cè)量梁的位移可以讓專業(yè)人員了解材料的硬度和柔韌性。
3. 環(huán)境效應(yīng)
如溫度、風(fēng)、濕度、雨水和其他降水，因?yàn)樗鼈儠?huì)在近期和長(zhǎng)期影響橋梁狀況。溫度上升會(huì)影響一系列相關(guān)參數(shù)，尤其是隨著時(shí)間的推移。極端的溫度范圍也是有問(wèn)題的，因?yàn)樗鼤?huì)逐漸損壞橋梁材料。
4. 環(huán)境條件的影響
像腐蝕一樣，也會(huì)導(dǎo)致橋部件失效。鋼纜保持了較低的建造成本，但腐蝕是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)，可能導(dǎo)致故障，需要監(jiān)控。裂縫、橋面和面板傾斜、可能影響橋梁基礎(chǔ)強(qiáng)度的橋梁周圍水位、沉降、振動(dòng)和疲勞都是重要的考慮因素。工程師需要測(cè)量的參數(shù)的確切組合取決于橋梁所在地區(qū)的具體地理情況。例如，在多雨地區(qū)，我們可能需要更頻繁地監(jiān)測(cè)雨水引起的腐蝕，而河上的橋梁可能需要注意伴隨侵蝕的河床沖刷。
要使用的傳感器
用于測(cè)量這些不同參數(shù)的潛在傳感器可能包括:
1. 加速度計(jì)等基于振動(dòng)的監(jiān)控器
這些測(cè)量橋梁沿所有三個(gè)軸傾斜的方式。包括風(fēng)和交通在內(nèi)的各種持續(xù)環(huán)境條件都可能導(dǎo)致傾斜。持續(xù)一段時(shí)間后，基于振動(dòng)的監(jiān)測(cè)可以清晰地描繪出橋梁整體結(jié)構(gòu)完整性的畫面。加速度計(jì)在測(cè)量操作條件的劇烈變化(例如地震)對(duì)橋梁功能的影響方面也非常有效。加速度傳感器的工作原理是測(cè)量放置它的元件的振動(dòng)，然后將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電輸出。
2. 基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)橋梁上的鋼、鋼筋混凝土和其他材料的應(yīng)變儀
普通類型的應(yīng)變儀具有金屬箔圖案，當(dāng)受到應(yīng)變時(shí)，其變形并改變其電阻。測(cè)量這種變化為用戶提供了對(duì)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力的測(cè)量。
3. 傾斜儀用于測(cè)量橋梁超出其最初設(shè)計(jì)和建造模式的程度
傾斜儀的功能很像一個(gè)帶有氣泡的水平儀，氣泡指示元素偏離中心的程度。
4. 光纖傳感器測(cè)量一系列參數(shù)，如溫度、壓力和濕度
光的傳輸及其在穿過(guò)材料時(shí)的后續(xù)行為是測(cè)量所列參數(shù)的基礎(chǔ)。這個(gè)論點(diǎn)是，不同的材料有不同的彎曲方式或其他與光相互作用的方式。
5. 用于檢查橋上重量的負(fù)荷傳感器
6. 裂縫計(jì)和接縫計(jì)，用于測(cè)量裂縫和接縫處的運(yùn)動(dòng)
裂縫計(jì)有一個(gè)滑動(dòng)元件，因此當(dāng)傳感器位于裂縫頂部時(shí)，滑動(dòng)元件的移動(dòng)反映了裂縫的生長(zhǎng)。
轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng)和基于云的解決方案
橋梁工程正朝著使日常維護(hù)成為更嚴(yán)格的技術(shù)驅(qū)動(dòng)解決方案的方向發(fā)展。人工智能的發(fā)展——一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)可以告訴我們潛在的故障或發(fā)現(xiàn)異常行為的模式——正在導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)收集和處理方法的改變。
當(dāng)代橋梁監(jiān)控解決方案使用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)來(lái)頻繁采樣數(shù)據(jù)，并將它們中繼到云中的數(shù)據(jù)處理模型。橋梁工程借用了制造業(yè)的一頁(yè)，從所有的數(shù)據(jù)輸入中創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字雙胞胎，以了解不同的參數(shù)如何相互影響，以及修改一個(gè)參數(shù)會(huì)如何影響其他參數(shù)。傳感器通常以太陽(yáng)能為能源，或者可能使用只在需要時(shí)定期喚醒的電池，從而節(jié)省能源。在新建筑中，傳感器也可以嵌入橋梁材料中，從一開(kāi)始就成為監(jiān)控解決方案的一部分。
基于云的、數(shù)字雙傳感器驅(qū)動(dòng)的橋梁監(jiān)控方法正在行業(yè)中獲得牽引力。事實(shí)越來(lái)越證明，這種方式的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)比傳統(tǒng)的定期取樣方法更有效，特別是因?yàn)樵谠S多情況下，檢查每隔幾年才進(jìn)行一次。即使沒(méi)有數(shù)字孿生，簡(jiǎn)單地記錄各種相關(guān)參數(shù)的模式行為并隨時(shí)間研究它們也有助于主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。在制造業(yè)，工業(yè)4.0使用物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器來(lái)提供預(yù)測(cè)性維護(hù)。橋梁工程可以通過(guò)一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得類似的結(jié)果，這些傳感器全部安裝在一起，并提供可以輸入人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)模型的數(shù)據(jù)。
這種基于物聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)傳感器解決方案的眾多優(yōu)勢(shì)之一是，問(wèn)題可以及早發(fā)現(xiàn)，并且可以以更少的費(fèi)用和中斷進(jìn)行修復(fù)，而不是導(dǎo)致故障和潛在的生命損失。成本節(jié)約也吸引了預(yù)算緊張的政府。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以遠(yuǎn)程設(shè)置連續(xù)監(jiān)控功能，因此不需要派遣專家團(tuán)隊(duì)，這增加了維護(hù)和維修成本。管理法規(guī)遵從性和延長(zhǎng)資產(chǎn)壽命是額外的優(yōu)勢(shì)。
結(jié)論：
橋梁監(jiān)控過(guò)去是一個(gè)周期性和不定期的過(guò)程，現(xiàn)在可以通過(guò)連接到云的傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)和持續(xù)的監(jiān)控，并實(shí)時(shí)提供關(guān)于條件的預(yù)測(cè)。由于基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)是許多州和地方政府的優(yōu)先任務(wù)，他們正在努力使用最有效的解決方案來(lái)完成這項(xiàng)工作。測(cè)量各種關(guān)鍵參數(shù)的先進(jìn)傳感器將繼續(xù)成為技術(shù)驅(qū)動(dòng)型解決方案的重要組成部分，既可用于持續(xù)監(jiān)控，也可根據(jù)需要進(jìn)行維修。
