安定高速公路结构群健康监测平台设计

安定高速公路结构群健康监测平台设计
刘文峰　孔　禹　蒋丰军
（江西飞尚科技有限公司　南昌　３３００５２
）摘　要　正在江西建设的安定高速公路沿线包含５５座桥梁、２条隧道和１００多个边坡，总长度５１．５９５ｋｍ。

对于这样庞大而复杂的高速公路结构群，单一桥梁、隧道、边坡健康监测系统之间缺乏沟通与整合、容易形成“信息孤岛”、无法为整体安全管理提供方便。

安定高速公路结构群健康监测平台以沿线桥梁、隧道、边坡结构群为对象，应用现代传感、网络通信、云计算等信息技术，结合现代结构健康监测技术，基于强大的安心云软件，实现整条高速公路结构群在云平台上实时在线显示安全状态，是一种全新的区域性平台管理模式。

关键词　安定高速公路　结构群　健康监测平台　区域性管理
１　引言
安远至定南高速公路及定南联络线是中国江西省高速公路网规划中宁都至定南高速公路的南段，与广东省规划建设的河惠莞高速公路对接，是链接鄱阳湖生态经济区、
赣南原中央苏区与珠江三角地区的赣粤省际快速运输通道重要组成部分。

安定高速公路沿线有诸多桥梁、隧道、边坡，规划中整条线路的桥隧比为２６．３４％。

随着现代传感物联网、网络通信、系统集成及数据库等技术的发展，结构健康监测系统在土木工程领域已有很多成功运用的实例。

南京长江大桥、润扬长江大桥、岭南高速公路隧道、宁波甬江沉管
隧道、陇南山区边坡等工程［１－５
］都建立了结构健康
监测系统，实时在线监测结构物的安全状态，为结构维护、管理决策提供可信的依据。

然而，迄今为此所建立的结构健康监测系统都是针对单一结构来设计的，而事实上结构健康监测系统的体系结构都是相同的，许多功能模块如数据处理方法、损伤
识别方法及评估决策等方法也都是可重用的［
６］。

基于上述考虑，提出了对安定高速公路沿线结构群建立区域性结构健康监测平台，
并设计出此平台的框架结构和软件架构。

安定高速公路结构群健康监测平台基于大数据理念，建立区域性的综合管理系统，
将安定高速公路沿线桥梁、隧道、边坡结构的健康信息实时传递至云计算中心进行统一的分析管理，并反馈至各级运营管理者的移动终端，以完成统一区域化管理，是一种全新的结构群安全监测管理模式。

２　健康监测平台设计要求
安定高速公路结构群健康监测平台总体设计功能目标如下：
（１
）建立科学、经济、合理的健康监测平台，实现结构实时在线监测，
通过桥梁、隧道、边坡结构监测项的实测数据真实反应安定高速公路结构群的安全状态。

（２
）平台可以容纳上万个桥梁、隧道、边坡等结构物，通过平台内海量数据分析与处理，对结构群出现的损伤进行定性、定位和定量分析，实现远程预警，
防患于未然。

（３
）建立高速公路结构群从施工期到运营期的长期监测数据库，
并进行有效的数据甄别，为后续数据再利用、复杂结构群工作性能评价及理论研究提供科学依据。

３　健康监测平台框架构成
安定高速公路结构群健康监测平台框架构成如图１所示。

平台主要分为基础设施层、数据资源层、应用支撑层和用户层。

基础设施层是支撑和实现安定高速公路结构群健康监测系统的各类硬件设备和通信网络，包括传感器系列、数据采集设备、无线传输设备、终端硬件设施等，主要应用在应力应变、变形、环境、振动等
各系统与数据采集系统之间、监控中心与管理部门之间的数据通信。

数据资源层包括安定高速公路结构以及相关
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８５·　公路隧道２０１６年第３期（总第９５期）
桥梁、隧道、边坡的环境监测数据库、应力应变监测数据库、变形监测数据库、振动及结构荷载数据库，以及存储终端云计算数据存储中心。

安定高速公路结构群健康监测平台涵盖全国各省高速公路结构的监测样本，拥有海量的科学数据，是应用支撑层和决策层的基础。

应用支撑层在整个框架中承担着承上启下的关键作用，处于用户层和数据资源层之间，实现信息共享、应用系统通用功能、业务协同工作提供技术支撑，是构建安定高速公路结构群健康监测平台核心应用系统的基础。

从区域接口分析，应用支撑层管控安定高速结构群健康状况，如果出现异常情况，通过ＧＩＳ地理信息系统定位进行远程预警告警，采取及时的应急处置措施。

从行业接口分析，应用支撑层积累丰富的数据样本，可以推动大型结构群损伤机理研究，促进结构健康监测标准、规范的形成，推动结构健康监测行业的发展。

用户层主要包括现场管理单位、省级管理部门、路网中心、交通部３级管理部门，各级用户平台会分配不同的权限，用户可以直接通过以太网登陆，查询权限内的路网及结构安全运营信息。

４　健康监测平台软件设计
安定高速公路结构群健康监测系统把桥梁、隧道、边坡监测的数据全部接入至“安心云———区域性结构健康监测平台软件”进行统一管理，该软件采用分层Ｂ／Ｓ体系结构，以．ＮＥＴ为开发平台，ＡＳＰ．ＮＥＴ和ＡＤＯ．ＮＥＴ为技术核心，统一流程规范、统一技术标准、统一数据管理、统一角色管理、统一用户登陆、统一界面风格，构成一个开放统一的结构群在线健康监测平台。

４．１　软件总体架构
安定高速公路结构群健康监测平台软件总体架构如图１所示。

健康监测平台软件通过采集设备完成各类数据的采集工作。

然后利用数据处理分析子系统对采集的数据进行加工、转换、计算，并按照设定的阈值对处理后的结果进行评估，产生对应的告警。

接着应用子系统将处理后的结果以可视化的方式展示给客户，同时提供数据下载等功能。

最后存储子系统会保存采集的原始数据、计算数据、告警数据、配置信息等。

图１　健康监测平台软件总体架构
４．２　数据采集传输系统
安定高速公路结构群健康监测平台软件的数据采集传输系统主要采用无线ＧＰＲＳ传输方式为主，无线网桥传输方式为辅的通讯方式，该方式通过使用成熟的ＧＰＲＳ／ＧＳＭ网络技术，能够灵活地控制采集设备进行远程控制。

项目现场不需要额外部署采集前置机和通信线路，直接通过无线传输模块即可实现对现场设备数据的采集和控制。

无线远程数据传输采集系统结构，本系统有以下优点：（１）能实现远程无线监控；（２）可实现短信报警；（３）可节省大量线材等费用；（４）可在任何有网路的地方查看实时监测数据。

４．３　数据处理与控制
系统数据的处理与控制由数据处理分析子系统完成，是安定高速结构群健康监测平台软件的核心，其目标是实现结构损伤诊断和预测、结构耐久性评估、结构安全性评估等。

数据处理采用数据缓存、多线程、并行计算等方式，对采集的数据进行快速计算，基本流程如图２所示。

图２　数据处理基本流程
由于目前绝大多数结构在线监测系统普遍存
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刘文峰等　安定高速公路结构群健康监测平台设计
在数据量过多的问题，导致没有足够的人力资源对其进行处理分析，
而且得到很多没用的信息。

这就使得重要的信息不突出，湮没于众多巨大的信息中，造成了主次不分明的问题，给结构的安全监控预警带来了极大的麻烦。

因此安定高速结构群健康监测平台软件数据处理分析子系统中必须对采集数据进行优化控制，以便能采集到有意义的数据，尽可能减少重复性的、冗余的、日常性的数据。

４．４　数据实时显示与预警
登入系统后进入导航页面，软件以Ｄａｓｈｂｏａｒｄ形式直观展现结构物ＧＩＳ地图、热点图、传感器类型、
测点信息、最新数据及预报警信息。

安定高速结构群健康监测平台软件可以显示实时监控的数据，
也可将历史数据调出进行显示，或对几种参数同时进行显示分析。

实时数据展示模块用来展示系统中各监测项的监测数据，并为各数据点设定预警值，是系统的重要功能模块，本模块对各传感器上传数据进行处理后以数据值和曲线等多种形式形象地进行展现与预警。

预警信息是根据用户在平台设置中对不同结构配置得来，系统会将采集的值和用户配置的阀值进行比对，
如果比设置的阀值大，会触发报警功能，用户在进入系统的第一时间内便会得知报警数据。

５　结语
安定高速结构群健康监测平台利用现代传感技术、计算机技术及无线传输技术等多项信息技术，实现了整条高速公路结构物全面、长期的实时在线监测，
这种区域性平台安全管理模式解决了用户统一管理上的问题。

平台总体设计满足了各项技术指标，运行良好。

同时平台采用ＷＥＢ、ＧＩＳ和３Ｄ等技术，
提高了用户体验，更好地满足了业务和结构群监测管理养护的需求。

参考文献
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２０１６年第３期（总第９５期）。