橋梁監(jiān)控傳感器助力橋梁和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
全球人口正在增長——聯(lián)合國估計2030年將達(dá)到85億——這增加了對可靠的基礎(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以前無法進(jìn)入的走廊。橋梁維護(hù)和維修是一個復(fù)雜的過程，各種電子傳感器有助于促進(jìn)這一過程。
橋梁和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
橋梁的監(jiān)測已經(jīng)經(jīng)歷了多年的演變。很多國家橋梁檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了目視檢查的特定頻率。當(dāng)定期目視檢查(比如間隔六個月)發(fā)現(xiàn)潛在問題時，維護(hù)專業(yè)人員會增加檢查頻率，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(SHM)的主題是，當(dāng)定期目視檢查發(fā)現(xiàn)任何問題時，可能已經(jīng)為時過晚，無法阻止重大損壞。SHM在變化的條件下保持一個脈沖，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)問題時進(jìn)行檢測和故障排除。從本質(zhì)上講，橋梁分析是為了預(yù)防問題和在故障發(fā)生時排除故障。為了預(yù)防，專業(yè)人員可以選擇定期定期檢查，包括目測和測量數(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)專家需要測量幾個不同的參數(shù)。其中包括:
1. 外部負(fù)載
例如由風(fēng)和交通造成的影響。測量風(fēng)速和風(fēng)向?qū)τ诖_定電纜振動至關(guān)重要，以防止電纜過早損壞和斷裂。風(fēng)的影響也會導(dǎo)致橋梁的結(jié)構(gòu)扭曲。風(fēng)增加了裝載問題，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)
隨著時間的推移，如應(yīng)變，結(jié)構(gòu)單元的位移。測量應(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)樗鼈儠诮诤烷L期影響橋梁狀況。溫度上升會影響一系列相關(guān)參數(shù)，尤其是隨著時間的推移。極端的溫度范圍也是有問題的，因?yàn)樗鼤饾u損壞橋梁材料。
4. 環(huán)境條件的影響
像腐蝕一樣，也會導(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、振動和疲勞都是重要的考慮因素。工程師需要測量的參數(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
用于測量這些不同參數(shù)的潛在傳感器可能包括:
1. 加速度計等基于振動的監(jiān)控器
這些測量橋梁沿所有三個軸傾斜的方式。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)一段時間后，基于振動的監(jiān)測可以清晰地描繪出橋梁整體結(jié)構(gòu)完整性的畫面。加速度計在測量操作條件的劇烈變化(例如地震)對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量放置它的元件的振動，然后將該信號轉(zhuǎn)換為可測量的電輸出。
2. 基于應(yīng)變監(jiān)測橋梁上的鋼、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，其變形并改變其電阻。測量這種變化為用戶提供了對結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力的測量。
3. 傾斜儀用于測量橋梁超出其最初設(shè)計和建造模式的程度
傾斜儀的功能很像一個帶有氣泡的水平儀，氣泡指示元素偏離中心的程度。
4. 光纖傳感器測量一系列參數(shù)，如溫度、壓力和濕度
光的傳輸及其在穿過材料時的后續(xù)行為是測量所列參數(shù)的基礎(chǔ)。這個論點(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. 裂縫計和接縫計，用于測量裂縫和接縫處的運(yùn)動
裂縫計有一個滑動元件，因此當(dāng)傳感器位于裂縫頂部時，滑動元件的移動反映了裂縫的生長。
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)動解決方案的方向發(fā)展。人工智能的發(fā)展——一段時間內(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，從所有的數(shù)據(jù)輸入中創(chuàng)建一個數(shù)字雙胞胎，以了解不同的參數(shù)如何相互影響，以及修改一個參數(shù)會如何影響其他參數(shù)。傳感器通常以太陽能為能源，或者可能使用只在需要時定期喚醒的電池，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)動的橋梁監(jiān)控方法正在行業(yè)中獲得牽引力。事實(shí)越來越證明，這種方式的實(shí)時監(jiān)測比傳統(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。即使沒有數(shù)字孿生，簡單地記錄各種相關(guān)參數(shù)的模式行為并隨時間研究它們也有助于主動發(fā)現(xiàn)問題。在制造業(yè)，工業(yè)4.0使用物聯(lián)網(wǎng)嵌入式傳感器來提供預(yù)測性維護(hù)。橋梁工程可以通過一個傳感器網(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)勢之一是，問題可以及早發(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。另一個優(yōu)勢是可以遠(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，這增加了維護(hù)和維修成本。管理法規(guī)遵從性和延長資產(chǎn)壽命是額外的優(yōu)勢。
結(jié)論：
橋梁監(jiān)控過去是一個周期性和不定期的過程，現(xiàn)在可以通過連接到云的傳感器進(jìn)行動態(tài)和持續(xù)的監(jiān)控，并實(shí)時提供關(guān)于條件的預(yù)測。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完成這項工作。測量各種關(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。
