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【摘 要】以济宁梁济运河大桥为工程背景，采用可进行长期稳定监测的光纤传感器，并结合多种光纤传感技术，部署传感器网络式分布结构。本系统建立了实用的安全评估及预警系统，模拟实时监测系统实际工作状态，实现了点面结合的大桥实时监测，具有数据自动采集、传输、存储、分析、远程监控与预警等功能，提高了大桥综合监测效率，基本满足大跨度桥实时监测需求。
【关键词】实时监测、光纤传感器、评估、预警
中图分类号：TN915.62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0132-01
0 引言
随着交通运输业的发展，基础设施建设中的桥梁建设比重日益加大。由于受传统桥梁安全监测方法不合理、监测仪器选用不当等主客观因素影响，桥梁施工、运营过程中的实时监测效率大大降低，致使在役桥梁存在较多安全隐患。本文针对现行监测系统存在实时性差、监测效率低、成本高、损耗大等缺点，借鉴网络式结构分布覆盖范围广、交互性好等优势，提出一种基于光纤传感网络的改进型桥梁实时监测系统的实现方案。
1 梁济运河大桥简介
梁济运河大桥地处河流纵横、水系发达的山东省济宁市。大桥跨越市区西部的梁济运河，主桥上构为独柱斜塔空间扭面背索斜拉桥，主桥长（96+220）米，主塔高133.147米，桥面以上塔高118米，全桥共设56根斜拉索，桥塔采用独柱斜塔，桥墩采用花瓶式薄壁墩，采用空心断面。塔身顺桥向偏离铅垂面8°，倾向岸侧。
2斜拉桥安全监控参数选取
在承载已定的情况下，反映斜拉桥安全状态的因素主要包括主梁、索塔和斜拉索三大部分的线形、截面应力（应变）、索力及温度等。因此桥梁实时监测的监测参数应包括：
（1）主梁、索塔线形参数，包括桥梁竖向、横向动位移，支座纵横向位移监测；
（2）斜拉索索力，包括拉索竖向、横向、纵向振动特性（含各向振动频率、阻尼比、振型和振动强度等）及其变异；
（3）主梁、索塔截面应力（应变），包括主梁、索塔控制截面混凝土应变等。
（4）主梁、索塔、斜拉索的温度场及运行环境温度；
3 桥梁实时监测系统组成
桥梁实时监测系统通常采用模块化设计，主要由传感模块、数据处理中心、监测中心、管理中心等模块组成。各模块之间实行基于远程监控与传输的数据双向通信策略。
传感模块负责桥梁关键部分特征参数的监测，并将监测到的参数数据传输到各数据处理中心。数据处理中心将数据处理储存并汇报给监测中心，监测中心进行综合信息分析与评估，形成结果报告呈现给管理中心，管理中心就结果报告给出相应的处理意见，从而完成大桥整体的实时监测任务。
3.1 传感模块
本文提出的桥梁实时监测系统设计中采用光纤传感器，通过在桥梁的重要监测位置上合理布放传感器，形成传感器网络。在满足监测条件的情况下，最大程度地减少监测点以降低投入成本。
光纤传感技术是一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号的新型传感技术，其基本原理[4]是：被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度（振幅）、相位、频率或偏振态随被测量而变化，再通过被调制过的光信号进行检测和解调，从而获得被测参数。光纤传感器具有稳定性好、灵敏度高、体积小、抗电磁干扰及恶劣环境等突出优点，尤其适于长期的桥梁实时监测。分布式光纤传感技术[5] 不仅继承了传统光纤传感技术的众多优点，而且能复用实现分布式测量，同时获取沿光纤分布区域内随时间和空间变化的被测量分布信息。现已应用于工程实践的分布式光纤传感技术主要包括光纤布喇格光栅传感技术（FBG）、瑞利散射光时域反射传感技术（OTDR）、喇曼光时域反射传感技术（ROTDR）和布里渊光时域反射传感技术（BOT DR）。
3.2 数据处理中心
数据處理中心由光电信号调理器、数据处理器、通信模块和电源等4 部分组成。
数据处理中心主要完成的任务是：
（1）将来自各光纤传感器的桥梁安全监测数据进行复杂处理和存储后，实现数据融合，再将数据通过光纤或无线网络发送至网关，借助互联网将最终数据发送到监测中心。
（2）监测光纤传感器的工作状态，若存在传感器故障，立刻关闭故障传感器，并进行标记，生成故障报表加以储存，方便管理中心调用。
3.3 监测中心
监测中心位于中心控制室，实行无人值守制。其职责是对数据采集模块传输的桥梁参数信息进行分析与验证，控制数据采集、实时传输和显示，完成数据的统计分析、安全报警和远程发送。主要包含以下方面：
（1）检验传输信息的正确性，即信息验证。主要针对可能出现不准确、不完整、不一致甚至错误信息的情况，对存在错误的参数信息进行过滤，从而缩小信息的存储空间，提高信息的处理效率；
（2）利用专业的安全评估与报警系统，设置通常限值和安全限值两级报警设置，采取综合安全评估方法进行桥梁安全综合评估和预警，完成数据的统计分析、安全报警和远程发送；
（3）与数据处理中心进行信息交互，控制数据采集、实时传输和显示；
3.4 管理中心
管理中心通过远程控制对前端监测模块（即传感模块、数据处理中心、监测中心）进行远程管理，并执行数据收集与日报表生成等功能，负责把分析的最后结果按照预设的方式呈现给网络管理员，方便管理员做出判断和响应。具体完成工作包括：
（1）收集来自监测中心的数据，利用桥梁安全参数处理软件对正确的参数信息进行阈值分析，采用报表、图形等多种形式将分析结果报告给管理员；
（2）提供与出现问题相应的处理意见，解决问题。
4 实时监测系统实际部署
梁济运河大桥实时监测系统整体部署如图1所示，光纤传感网络将桥梁安全参数变化转变为光的强度信号，经过光缆传输到数据处理中心，由光电调理器转化为电信号，经数据采集卡采集数据并进行复杂处理和存储后，将最终数据发送到监测中心，监测中心对数据进行验证分析，并启动评估预警系统，将生成的结果发送至管理中心， 以便做出实时决策。
结束语
本文以梁济运河大桥为例，研究并模拟部署基于光纤传感网络的桥梁实时监测系统，通过长期实时对桥梁关键控制截面的应力、变形等参数以及结构动力特性参数的监测，分析及评估桥梁结构的安全可靠性，及时发现桥梁安全隐患，并进行适时保养，从而保证大桥的安全运营。
作者简介：
马东峰（1982-）男，山东济宁人，助理工程师，大学本科学历，毕业于潍坊学院工业设计专业，研究方向为公路与桥梁工程。
【关键词】实时监测、光纤传感器、评估、预警
中图分类号：TN915.62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0132-01
0 引言
随着交通运输业的发展，基础设施建设中的桥梁建设比重日益加大。由于受传统桥梁安全监测方法不合理、监测仪器选用不当等主客观因素影响，桥梁施工、运营过程中的实时监测效率大大降低，致使在役桥梁存在较多安全隐患。本文针对现行监测系统存在实时性差、监测效率低、成本高、损耗大等缺点，借鉴网络式结构分布覆盖范围广、交互性好等优势，提出一种基于光纤传感网络的改进型桥梁实时监测系统的实现方案。
1 梁济运河大桥简介
梁济运河大桥地处河流纵横、水系发达的山东省济宁市。大桥跨越市区西部的梁济运河，主桥上构为独柱斜塔空间扭面背索斜拉桥，主桥长（96+220）米，主塔高133.147米，桥面以上塔高118米，全桥共设56根斜拉索，桥塔采用独柱斜塔，桥墩采用花瓶式薄壁墩，采用空心断面。塔身顺桥向偏离铅垂面8°，倾向岸侧。
2斜拉桥安全监控参数选取
在承载已定的情况下，反映斜拉桥安全状态的因素主要包括主梁、索塔和斜拉索三大部分的线形、截面应力（应变）、索力及温度等。因此桥梁实时监测的监测参数应包括：
（1）主梁、索塔线形参数，包括桥梁竖向、横向动位移，支座纵横向位移监测；
（2）斜拉索索力，包括拉索竖向、横向、纵向振动特性（含各向振动频率、阻尼比、振型和振动强度等）及其变异；
（3）主梁、索塔截面应力（应变），包括主梁、索塔控制截面混凝土应变等。
（4）主梁、索塔、斜拉索的温度场及运行环境温度；
3 桥梁实时监测系统组成
桥梁实时监测系统通常采用模块化设计，主要由传感模块、数据处理中心、监测中心、管理中心等模块组成。各模块之间实行基于远程监控与传输的数据双向通信策略。
传感模块负责桥梁关键部分特征参数的监测，并将监测到的参数数据传输到各数据处理中心。数据处理中心将数据处理储存并汇报给监测中心，监测中心进行综合信息分析与评估，形成结果报告呈现给管理中心，管理中心就结果报告给出相应的处理意见，从而完成大桥整体的实时监测任务。
3.1 传感模块
本文提出的桥梁实时监测系统设计中采用光纤传感器，通过在桥梁的重要监测位置上合理布放传感器，形成传感器网络。在满足监测条件的情况下，最大程度地减少监测点以降低投入成本。
光纤传感技术是一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号的新型传感技术，其基本原理[4]是：被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度（振幅）、相位、频率或偏振态随被测量而变化，再通过被调制过的光信号进行检测和解调，从而获得被测参数。光纤传感器具有稳定性好、灵敏度高、体积小、抗电磁干扰及恶劣环境等突出优点，尤其适于长期的桥梁实时监测。分布式光纤传感技术[5] 不仅继承了传统光纤传感技术的众多优点，而且能复用实现分布式测量，同时获取沿光纤分布区域内随时间和空间变化的被测量分布信息。现已应用于工程实践的分布式光纤传感技术主要包括光纤布喇格光栅传感技术（FBG）、瑞利散射光时域反射传感技术（OTDR）、喇曼光时域反射传感技术（ROTDR）和布里渊光时域反射传感技术（BOT DR）。
3.2 数据处理中心
数据處理中心由光电信号调理器、数据处理器、通信模块和电源等4 部分组成。
数据处理中心主要完成的任务是：
（1）将来自各光纤传感器的桥梁安全监测数据进行复杂处理和存储后，实现数据融合，再将数据通过光纤或无线网络发送至网关，借助互联网将最终数据发送到监测中心。
（2）监测光纤传感器的工作状态，若存在传感器故障，立刻关闭故障传感器，并进行标记，生成故障报表加以储存，方便管理中心调用。
3.3 监测中心
监测中心位于中心控制室，实行无人值守制。其职责是对数据采集模块传输的桥梁参数信息进行分析与验证，控制数据采集、实时传输和显示，完成数据的统计分析、安全报警和远程发送。主要包含以下方面：
（1）检验传输信息的正确性，即信息验证。主要针对可能出现不准确、不完整、不一致甚至错误信息的情况，对存在错误的参数信息进行过滤，从而缩小信息的存储空间，提高信息的处理效率；
（2）利用专业的安全评估与报警系统，设置通常限值和安全限值两级报警设置，采取综合安全评估方法进行桥梁安全综合评估和预警，完成数据的统计分析、安全报警和远程发送；
（3）与数据处理中心进行信息交互，控制数据采集、实时传输和显示；
3.4 管理中心
管理中心通过远程控制对前端监测模块（即传感模块、数据处理中心、监测中心）进行远程管理，并执行数据收集与日报表生成等功能，负责把分析的最后结果按照预设的方式呈现给网络管理员，方便管理员做出判断和响应。具体完成工作包括：
（1）收集来自监测中心的数据，利用桥梁安全参数处理软件对正确的参数信息进行阈值分析，采用报表、图形等多种形式将分析结果报告给管理员；
（2）提供与出现问题相应的处理意见，解决问题。
4 实时监测系统实际部署
梁济运河大桥实时监测系统整体部署如图1所示，光纤传感网络将桥梁安全参数变化转变为光的强度信号，经过光缆传输到数据处理中心，由光电调理器转化为电信号，经数据采集卡采集数据并进行复杂处理和存储后，将最终数据发送到监测中心，监测中心对数据进行验证分析，并启动评估预警系统，将生成的结果发送至管理中心， 以便做出实时决策。
结束语
本文以梁济运河大桥为例，研究并模拟部署基于光纤传感网络的桥梁实时监测系统，通过长期实时对桥梁关键控制截面的应力、变形等参数以及结构动力特性参数的监测，分析及评估桥梁结构的安全可靠性，及时发现桥梁安全隐患，并进行适时保养，从而保证大桥的安全运营。
作者简介：
马东峰（1982-）男，山东济宁人，助理工程师，大学本科学历，毕业于潍坊学院工业设计专业，研究方向为公路与桥梁工程。