橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在2007 年 ，明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市 I-35W 密西西比河大橋的倒塌是一場(chǎng)巨大的災(zāi)難。這座橋每天運(yùn)送超過(guò)135，000輛汽車，在晚高峰時(shí)段發(fā)生故障，造成13人死亡，145人受傷。幾乎立即制定了更換橋梁的計(jì)劃，隨后于2008年9月18日開(kāi)放。但與其命運(yùn)多舛的前身不同，新的I-35W圣安東尼瀑布大橋設(shè)計(jì)有一個(gè)完整的最先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以持續(xù)評(píng)估橋梁的完整性，以確保災(zāi)難性故障不會(huì)再次發(fā)生。該監(jiān)控系統(tǒng)是使用DATAQ Instruments的分布式以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的，該產(chǎn)品提供了數(shù)據(jù)采集能力與捕獲橋梁1，200英尺長(zhǎng)度的測(cè)量值的能力的最佳組合。

測(cè)量什么，在哪里測(cè)量？

明尼蘇達(dá)州交通部 （MDOT） 部署的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要解決許多必要的問(wèn)題，該系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)橋梁生命體征。其中最主要的是需要建立一個(gè)傳感器類型框架及其在橋梁上的特定位置，以產(chǎn)生最佳診斷。他們決定混合使用傳感器類型，以提供快照和橋梁狀態(tài)的長(zhǎng)期趨勢(shì)（見(jiàn)表1）。

表 1- 部署在 I-35W 橋上多個(gè)位置的傳感器類型范圍。

這一系列傳感器需要部署在橋梁跨度的戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)位置，以獲得最佳結(jié)果。為此，這座橋的 1，200 英尺跨度被映射到八個(gè)節(jié)點(diǎn)。可以將每個(gè)節(jié)點(diǎn)視為相同或不同類型的傳感器集群。表 2 描述了如何在八個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間分配傳感器。

表2-在戰(zhàn)略位置的橋上建立了節(jié)點(diǎn)，以確保最壞情況的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量要求將具有指示輸出電平的傳感器分配給節(jié)點(diǎn)。

為了確定特定的節(jié)點(diǎn)位置，橋梁分為北向和南向車道，主要結(jié)構(gòu)支撐表示為橋臺(tái)和橋墩。從橋的南端開(kāi)始，向北移動(dòng)，順序是橋臺(tái)1，橋頭2，橋頭3，橋墩4和橋臺(tái)5。圖 3 提供了橋梁的示意圖，其中包括結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn) （Nx） 位置以及它們之間的距離。不直接位于橋墩上的節(jié)點(diǎn)被放置在結(jié)構(gòu)支撐之間的中心線（理論上最薄弱的點(diǎn)），以進(jìn)行最壞情況的測(cè)量。

圖 3- 用于監(jiān)控網(wǎng)橋運(yùn)行狀況的八個(gè)儀表節(jié)點(diǎn) （Nx） 和繼電器 （Rx） 位置示意圖。

數(shù)據(jù)采集挑戰(zhàn)需要獨(dú)特的解決方案

測(cè)量節(jié)點(diǎn)是多達(dá) 26 個(gè)設(shè)備的傳感器集群，從圖 3 中可以看出，測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離可能很大。此外，計(jì)劃是在距離橋北出口約340英尺的碉堡中建立一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)將連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)提供24/7/365的橋梁狀況監(jiān)控。這給應(yīng)用帶來(lái)了兩個(gè)主要的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)I-35W大橋監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)之前需要解決這兩個(gè)問(wèn)題。需要采集的通道總數(shù)為62個(gè)，考慮到當(dāng)代數(shù)據(jù)采集解決方案，這并不是一個(gè)壓倒性的數(shù)字。然而，將運(yùn)行信號(hào)從 62 個(gè)傳感器引出到一個(gè)中心位置是不切實(shí)際的。單個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳位置是橋的中間（節(jié)點(diǎn)2或6），從圖3可以看出，在某些情況下，這將導(dǎo)致信號(hào)路徑超過(guò)400英尺。典型的毫伏級(jí)信號(hào)在此距離內(nèi)會(huì)遇到線損和感應(yīng)噪聲，這會(huì)降低測(cè)量性能，使其無(wú)法達(dá)到預(yù)期目的的程度。此外，在如此長(zhǎng)的距離上串設(shè)屏蔽多芯信號(hào)電纜是有問(wèn)題的，而且成本高昂。由于這些原因，放棄了單一的數(shù)據(jù)采集方法。第二種選擇是在每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決一個(gè)集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)造成的問(wèn)題。信號(hào)電纜的長(zhǎng)度將最小化，并且在這些短距離內(nèi)將它們連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既實(shí)用又具有成本效益。但問(wèn)題是如何同步分布在 1，800 英尺的北行和南行橋段上的八個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通道同步的需求對(duì)于后續(xù)數(shù)據(jù)分析和橋接性能解釋的成功至關(guān)重要。62個(gè)測(cè)量通道中的每一個(gè)都需要在相對(duì)于其他通道的可預(yù)測(cè)時(shí)間段內(nèi)采集。沒(méi)有這一點(diǎn)，一個(gè)通道上的事件就無(wú)法用其他通道來(lái)解釋，因此該事件對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的影響將永遠(yuǎn)丟失。這就像試圖解釋一個(gè)口頭句子，其中單詞到達(dá)您耳朵的順序與說(shuō)出時(shí)的順序不同。雖然同步問(wèn)題本質(zhì)上可以通過(guò)一個(gè)集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)解決，但同步分布在 1，800 英尺以上的多個(gè)系統(tǒng)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

使用以太網(wǎng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集

I-35W 橋的理想儀器解決方案允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保持信號(hào)完整性和低布線成本，并且還能夠在分散在八個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行同步，數(shù)據(jù)收集計(jì)算機(jī)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)相距超過(guò) 2，000 英尺。DATAQ Instruments的同步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品提供了這樣的解決方案。DATAQ Instruments的OEM型DI-5001數(shù)據(jù)采集卡配有以太網(wǎng)接口，每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)一個(gè)。每塊板支持 32 個(gè)模擬通道，每個(gè)通道可容納一個(gè)傳感器輸入，并具有雙 RJ45 連接器，允許標(biāo)準(zhǔn) CAT-5 以太網(wǎng)電纜在八個(gè) DI-5001 板之間簡(jiǎn)單地菊花鏈，每個(gè)儀器節(jié)點(diǎn)一個(gè)。這種方法使換能器信號(hào)引線較短，用低成本的 CAT-5 以太網(wǎng)電纜代替節(jié)點(diǎn)之間的長(zhǎng)距離傳輸。菊花鏈?zhǔn)揭蕴W(wǎng)方法還解決了其他問(wèn)題。它支持模塊化和擴(kuò)展，因此可以根據(jù)應(yīng)用程序需要輕松交換、添加或刪除節(jié)點(diǎn)以增加或減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量。以太網(wǎng)是一種隔離標(biāo)準(zhǔn)，這意味著即使在存在共模電壓的情況下，數(shù)據(jù)通信的可靠性也是無(wú)懈可擊的。最后，它允許單元之間長(zhǎng)達(dá) 100 米的超長(zhǎng)通信電纜。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步接口提供內(nèi)置以太網(wǎng)交換機(jī)，因此各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以及它們與砌塊之間的距離可以長(zhǎng)達(dá)100米。同步機(jī)制包含兩對(duì)未使用的 CAT-5 電纜。一對(duì)攜帶16 MHz主控時(shí)鐘，第二對(duì)攜帶觸發(fā)信號(hào)。時(shí)鐘在 DI-5001 單元之間以菊花鏈方式連接，每個(gè)單元的以太網(wǎng)接口都包含一個(gè)鎖相環(huán) （PLL），可提供故障安全操作并以零相位延遲精確再現(xiàn)主時(shí)鐘。故障安全功能是PLL的一個(gè)獨(dú)特方面，可確保在菊花鏈主時(shí)鐘發(fā)生瞬時(shí)甚至長(zhǎng)期中斷時(shí)保持鎖定。將PLL集成到每個(gè)DI-5001的以太網(wǎng)接口中，可確保每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元在頻率和相位上與主時(shí)鐘保持精確同步，從而保證各個(gè)單元之間以及各個(gè)通道之間的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換。在第二對(duì) CAT-5 電纜上添加主觸發(fā)信號(hào)即可完成圖像，以確保分布式鏈中的所有單元在同一時(shí)刻啟動(dòng)采樣，不受網(wǎng)絡(luò)延遲的影響。再次參考圖 3，在節(jié)點(diǎn)或計(jì)算機(jī)之間的距離超過(guò) 100 米的情況下，使用繼電器來(lái)彌合差距。DI-789 型繼電器（在圖 3 中表示為 Rx）專門設(shè)計(jì)用于在節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)和同步定時(shí)信號(hào)，并最終傳輸?shù)竭B接的計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集軟件

用于實(shí)現(xiàn)同步操作的傳感器和硬件只是解決方案的一半。還需要對(duì)橋梁進(jìn)行24/7/365的持續(xù)監(jiān)控。這意味著一臺(tái)運(yùn)行軟件的專用計(jì)算機(jī)能夠?qū)?lái)自每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的連續(xù)采集數(shù)據(jù)流傳送到計(jì)算機(jī)的硬盤驅(qū)動(dòng)器以進(jìn)行永久存儲(chǔ)。結(jié)果將是需要有效方法來(lái)查看數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)文件。DATAQ Instruments的WinDaq軟件提供了一種解決方案，通過(guò)使用其磁盤流功能，滿足了從每個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)獲取數(shù)據(jù)的需求。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)通道都連續(xù)采樣，有些速度高達(dá)1 kHz，在數(shù)據(jù)縮減后每天產(chǎn)生大約2 GB的數(shù)據(jù)文件，并且生成的數(shù)據(jù)文件中的每個(gè)值都帶有時(shí)間和日期戳，以將任何給定事件與實(shí)際發(fā)生日期和時(shí)間相關(guān)聯(lián)。通過(guò)使用 WinDaq 軟件的播放組件，可以快速高效地查看數(shù)據(jù)。可以輕松識(shí)別特定事件并將其導(dǎo)出到其他應(yīng)用程序以進(jìn)行進(jìn)一步分析。圖 4 是一個(gè)壓縮的回放屏幕，顯示了 2009 年 3 月 30 日下午一輛大型車輛過(guò)橋的北行進(jìn)程。從屏幕底部開(kāi)始，向頂部移動(dòng)，并將其與圖3的橋梁原理圖相關(guān)聯(lián)，我們可以清楚地看到，車輛首先由第一個(gè)橋跨度（SP1，通道6和5）上的節(jié)點(diǎn)3加速度計(jì)檢測(cè)到，然后由第二個(gè)橋跨度上的節(jié)點(diǎn)2加速度計(jì)（SP2， 通道 4 和 3），最后通過(guò)第三個(gè)也是最后一個(gè)橋跨度（SP3，通道 2 和 1）上節(jié)點(diǎn) 1 的加速度計(jì)。

圖 圖 4 - 儀表節(jié)點(diǎn) 3、2 和 1 處的加速度計(jì)檢測(cè)到的在 I35W 橋上向北行駛的一輛單獨(dú)的重型車輛的進(jìn)展（請(qǐng)參閱圖 3）。

在另一個(gè)示例中，圖5詳細(xì)介紹了三個(gè)北向和兩個(gè)南向橋梁伸縮縫在24小時(shí)內(nèi)的溫度變化。測(cè)量值取自幾個(gè)以英寸為單位校準(zhǔn)的線性電位計(jì)（LP）。再次從屏幕底部開(kāi)始并向上移動(dòng)，首先是節(jié)點(diǎn) 4 的 LP，用于測(cè)量跨度 1 南行通道（SP1、通道 6 和 5）的擴(kuò)展。接下來(lái)是節(jié)點(diǎn) 4 LP 傳感器，用于測(cè)量北向車道（SP1、通道 4 和 3）上的互補(bǔ)位置。最后是節(jié)點(diǎn) 1 LP 傳感器，測(cè)量跨度 3（SP3，通道 2 和 1）北行車道的膨脹節(jié)活動(dòng)。

圖5 - 線性電位計(jì)在 24 小時(shí)內(nèi)測(cè)量的膨脹節(jié)活動(dòng)與溫度的關(guān)系。在節(jié)點(diǎn) 1 和 4 進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)圖 3）。

圖6顯示了I35W橋上日常活動(dòng)的最后一個(gè)示例以及檢測(cè)它們的儀器的靈敏度。2009 年 4 月 6 日上午 7 點(diǎn) 32 分，掃雪車造成的破壞，由位于北行車道節(jié)點(diǎn) 3 的加速度計(jì)檢測(cè)到，可以在封閉的盒子中看到。將封閉部分與犁通過(guò)之前和之后的相對(duì)平靜進(jìn)行比較，在這個(gè)高度壓縮的圖中。

圖 6- 位于儀表節(jié)點(diǎn) 3 的北行車道第一個(gè)跨度上的加速度計(jì)檢測(cè)

結(jié)論

對(duì)圣安東尼瀑布大橋生命體征的持續(xù)監(jiān)測(cè)將為結(jié)構(gòu)壽命的橋梁狀況提供前所未有的洞察力。磨損評(píng)估不再需要僅僅是主觀的人工檢查。現(xiàn)在，它可以通過(guò)定量分析進(jìn)行補(bǔ)充，必要時(shí)每年、每月甚至每天評(píng)估橋梁性能，使手動(dòng)檢查模式更加高效。先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是這一過(guò)程的核心。由于電橋長(zhǎng)度以及測(cè)量點(diǎn)和類型的數(shù)量和多樣性的限制，只有同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能產(chǎn)生有意義的結(jié)果。DATAQ Instruments的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品通過(guò)硬件和軟件解決方案滿足了這一要求，這些解決方案將生成描述未來(lái)橋梁狀況的多通道數(shù)據(jù)文件。

審核編輯：郭婷