橋梁監(jiān)控傳感器助力橋梁和結構健康監(jiān)測
全球人口正在增長——聯(lián)合國估計2030年將達到85億——這增加了對可靠的基礎設施的需求，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設施的一部分，幫助貨物和人員通過以前無法進入的走廊。橋梁維護和維修是一個復雜的過程，各種電子傳感器有助于促進這一過程。
橋梁和結構健康監(jiān)測
橋梁的監(jiān)測已經經歷了多年的演變。很多國家橋梁檢查標準規(guī)定了目視檢查的特定頻率。當定期目視檢查(比如間隔六個月)發(fā)現(xiàn)潛在問題時，維護專業(yè)人員會增加檢查頻率，在回路中添加更多傳感器和先進的技術解決方案。
正在進行的結構健康監(jiān)測(SHM)的主題是，當定期目視檢查發(fā)現(xiàn)任何問題時，可能已經為時過晚，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)務保持運轉，還可能拯救生命。
為了保持橋梁的運行，工程師們從兩個方面收集數(shù)據(jù):維修和日常維護。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)問題時進行檢測和故障排除。從本質上講，橋梁分析是為了預防問題和在故障發(fā)生時排除故障。為了預防，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)?；蛘撸ㄆ谶h程監(jiān)控也是可能的。先進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. 外部負載
例如由風和交通造成的影響。測量風速和風向對于確定電纜振動至關重要，以防止電纜過早損壞和斷裂。風的影響也會導致橋梁的結構扭曲。風增加了裝載問題，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. 結構效應
隨著時間的推移，如應變，結構單元的位移。測量應變可以知道橋梁承受的壓力有多大，這可能預示著即將發(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
如溫度、風、濕度、雨水和其他降水，因為它們會在近期和長期影響橋梁狀況。溫度上升會影響一系列相關參數(shù)，尤其是隨著時間的推移。極端的溫度范圍也是有問題的，因為它會逐漸損壞橋梁材料。
4. 環(huán)境條件的影響
像腐蝕一樣，也會導致橋部件失效。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、可能影響橋梁基礎強度的橋梁周圍水位、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。包括風和交通在內的各種持續(xù)環(huán)境條件都可能導致傾斜。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構完整性的畫面。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，然后將該信號轉換為可測量的電輸出。
2. 基于應變監(jiān)測橋梁上的鋼、鋼筋混凝土和其他材料的應變儀
普通類型的應變儀具有金屬箔圖案，當受到應變時，其變形并改變其電阻。測量這種變化為用戶提供了對結構上的應力的測量。
3. 傾斜儀用于測量橋梁超出其最初設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。這個論點是，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荷傳感器
6. 裂縫計和接縫計，用于測量裂縫和接縫處的運動
裂縫計有一個滑動元件，因此當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成為更嚴格的技術驅動解決方案的方向發(fā)展。人工智能的發(fā)展——一段時間內的數(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——正在導致傳感器數(shù)據(jù)收集和處理方法的改變。
當代橋梁監(jiān)控解決方案使用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術來頻繁采樣數(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)字雙傳感器驅動的橋梁監(jiān)控方法正在行業(yè)中獲得牽引力。事實越來越證明，這種方式的實時監(jiān)測比傳統(tǒng)的定期取樣方法更有效，特別是因為在許多情況下，檢查每隔幾年才進行一次。即使沒有數(shù)字孿生，簡單地記錄各種相關參數(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測性維護。橋梁工程可以通過一個傳感器網(wǎng)絡獲得類似的結果，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器學習模型的數(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用和中斷進行修復，而不是導致故障和潛在的生命損失。成本節(jié)約也吸引了預算緊張的政府。另一個優(yōu)勢是可以遠程設置連續(xù)監(jiān)控功能，因此不需要派遣專家團隊，這增加了維護和維修成本。管理法規(guī)遵從性和延長資產壽命是額外的優(yōu)勢。
結論：
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行動態(tài)和持續(xù)的監(jiān)控，并實時提供關于條件的預測。由于基礎設施維護是許多州和地方政府的優(yōu)先任務，他們正在努力使用最有效的解決方案來完成這項工作。測量各種關鍵參數(shù)的先進傳感器將繼續(xù)成為技術驅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)需要進行維修。
