详解虎门大桥监测系统：传感器与物联网功不可没
近日，虎门大桥“虎躯一震”给全国人民来了个“深呼吸”。
虎门大桥是广东沿海地区重要的交通枢纽，始建于1992年，1997年通车至今，大桥一直都十分平稳。但在5月5日下午，虎门大桥发生异常抖动，甚至在5月6日凌晨都有振动。
不过，幸运的是，国内相关领域专家初步认定此次虎门大桥的振动主要是因为沿桥跨边护栏连续设置水马（挡墙），破坏了大桥的断面流线型，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振现象，且表示该次异常抖动不会影响虎门大桥后续使用的结构安全性和耐久性。
但是，并不是所有的桥梁公路等基建在对抗外力的情况下都那么幸运。关于大桥因外力坍塌最着名的例子是1940年塔科马海峡大桥，同样是悬索桥，但是在通车4个月后，突然被微风摧毁。
近几年，由于我国重型汽车数量增多等因素导致交通压力越来越大，同时恶劣天气带来的腐蚀性也越来越高，对于有一定使用年代的桥梁和基建结构产生了不小的负面影响。所以，桥梁的健康检测、结构安全评估以及损耗监测等显得尤为重要。
传统的桥梁安全监测，主要以人工巡查为主，并辅之以相应的检测设备，但是很难做到对桥梁实时、连续不间断的监控，监测方式也不够智能化。
随着物联网及智慧城市的不断深入发展，对桥梁的健康安全监测、重要结构部位的养护，都已离不开对传感器的应用。一些可靠、精确和便宜的新型传感器的开发和应用(如位移测量传感器、应变测量传感器、振动测量传感器等)，有力推动了桥梁健康安全监测的发展。
传感器在桥梁健康监测中的应用
据悉，虎门大桥在设计之初就加入了GPS位移、应变实时、长期形变、超限超载等监测系统，通过这些系统的作用，能实时获取桥梁在各种情况下的受力、工作状态，以及抗风和抗震以及绳索的张力、桥面裂痕、承压力、位移、倾斜度等结构参数，实现对桥梁的安全监测。
桥梁健康监测系统 （Bridge Health Monitoring System， 以下简称 BHMS）主要包括两大组成部分：数据采集部分（由传感器和单 片机组成）和数据传输处理部分（由服务器与客户机组成）。 其中现场数据采集是关键，主要是通过各种类型的传感器进行数据采集。
国内典型桥梁 BHMS 建设情况
在桥梁健康监测系统的数据采集过程中会使用用多种传感器，且会根据不同的桥梁环境，选择不同的传感器类型，常用的传感器类型及优缺点如下：
桥梁监测中使用的多种传感器
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器以其对环境干扰不敏感、输出线性范围宽、测量 的分辨率高、可以串联，根据实际情况如测量位置、监测对象的需要来 串联光纤光栅传感器，构成传感器组的独特优点，可以优化传感器布设方案。 在桥梁健康安全监测中应用较多，通常用于应变、位移和温度的监测。但光纤光栅传感器的使用要配以光纤光栅传感解调仪。
GPS位移监测传感器
GPS 定位系统和智能全站仪的出现让位移监测 在自动化、智能化上得到大幅度提升。GPS 差分定位技术采用多台单 频或双频 GPS 接收机进行同步观测， 经后台差分数据处理后得出观 测点间基线向量的高精度解算值。它具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等优点。
智能全站仪通过测出已知坐标(位 置) 点与被测点之间的距离及三个方向的夹角来确定被测点的位置。 该设备的优点是测量精度高、测程远，适用于不同跨径桥梁位移的监 测，能自动识别目标，该仪器的不足之处是受气象条件的影响较大，在 有雾、下雨的情况下，仪器的测程、测量精度将会受到影响。
应变监测传感器
目前常用的应变监测传感器有电阻式应变计和振弦式应变计。
电阻式应变计敏感性好，但稳定性差，长时间测量会产生漂移，适用于短时间的静力或动力试验；振弦式应变计稳定性好，但由于其尺寸不 能做得很小，对应力梯度大的部位难以测出某一点的应变，适用于静 态应变或应变变化较慢的长期监测。
拉索索力、吊杆张力监测
常用监测方法是频率法，采用加速度传 感器测量索的振动频率，并用频率法来推算索力或吊杆张力，该法已 经能满足斜拉桥索力测量高精度的要求。
一些新型传感器，如磁弹仪 和光纤光栅压力传感器也逐步在工程实践中得到应用。 磁弹仪开始较 多地应用于索力监测，它是利用磁通量的变化与拉索应力的改变有关 这一特性研制而成的，内设温度补偿。 磁弹仪及其组件可以直接安装 在索股上，对索股无损伤。 技术先进、安装方便、实时性好，适用于拉索 的长期监测，不足之处是对不同的材料必须标定调试，仪器的抗干扰 性和稳定性还不够好。
振动监测传感器
振动监测应用最普遍的还是加速度传感器，常用压电式、 压阻式、电容式、力平衡式等。 压电式加速度计压电元件的敏感性较高，与之相匹配的是电荷放大器；压阻式加速度计的敏感元件是固定 在悬臂梁上的应变计，与之匹配的放大器是动态应变仪；电容式加速 度计低频响应好、阻尼稳定且过载能力强，适用于低频、微振等振动测 量；力平衡式加速度计更加小巧，适用于直流与低频振动测量。
工作环境监测传感器
桥梁工作环境监测包括：
①风速、风向，常 用风速仪。
②温度荷载，采用电子温度计或应变式温度计。
③车辆荷 载，基本采用动态地秤、车速车轴仪对公路、铁路荷载进行监测。
④偶 然荷载，如地震或船舶撞击等荷载，采用三向加速度传感器。
物联网在桥梁监测中的应用
显然，在桥梁监测的过程仅靠人力是不可能的——费时费力费成本不说，还无法做到监测的实时性，因此，物联网技术在远程桥梁结构健康监测中，成为一个不可缺少的重要环节。
物联网技术应用于桥梁监测主要体现在两个方面：
一方面，是对超限超载的监测。
在高架桥两端加装路面压力传感器，通过物联网进行车辆载重和类型识别，和摄像头联接获取违规车辆的车牌信息，在进行分级实时告警的同时，还可以统计路面总体载荷。
另一方面，是对桥梁健康状况进行日常监测。
在大桥中植入若干个不同种类的传感设备，另设立汇集节点/网关和实时监测平台，利用低功耗广域网等技术无线传输监测数据并发送数据至汇集节点，再将数据传入平台层进行储存、处理与分析，并根据分析结果及时采取应对措施，比如当桥梁极限承载力损失严重时，考虑将其拆除。
结语：
据相关数据统计，目前，我国已有200到300座大桥采取了加装传感器的方式来加强对桥梁健康的监测，费用从百万元到千万元不等。据业内人士预测，我国桥梁等基础设施养护，未来将是一个每年数千亿元的大市场。
此次，虎门大桥“振动”事件给全国桥梁安全防护敲响了警钟，相关部门在加强对过往车辆监管的同时，也应充分意识到桥梁运维管理信息化的必要性。桥梁安全监测系统在很大程度上方便了桥梁检测工作，能够做到实时在线监测。相信未来，将会更多地运用现代物联网传感器技术，对桥梁健康进行更精准的监测，进一步确保桥梁的安全，保障人类的生活。
