無錫大橋側翻思考篇——物聯網技術如何應用於橋樑監測

2011年12月5日7時30分許,合肥包河大道高架跨繁華大道下穿橋建設工地貝雷梁預壓時發生傾斜,造成工地一名施工人員手臂骨折。

無錫大橋側翻思考篇——物聯網技術如何應用於橋樑監測

2017年7月18日早6時許,武漢光谷大學園路處,一建設中的高架橋上的腳手架發生坍塌,此時,一輛經過的麵包車被壓,車內5名傷者送往醫院救治,其中1人搶救無效死亡,另外4人傷情穩定。

無錫大橋側翻思考篇——物聯網技術如何應用於橋樑監測

2019年10月10日18時10分許,江蘇省無錫市312國道K135處、錫港路上跨橋發生橋面側翻事故。。側翻橋面上共有5輛車,其中3輛小車、2輛卡車。事故造成3人死亡,2人受傷。這一件件悲劇的發生讓我們痛心,有關部門迴應高架橋坍塌是因為火車超載,還有一部分質量問題,真希望有關部門能夠加強相關方面的管理,讓這些悲劇少發生一些,今天小邁想說說物聯網技術在橋樑檢測中的作用,在小邁看來,物聯網技術應用於橋樑監測主要體現在兩個方面:

1。應對貨車超載

在高架橋兩端加裝路面壓力感測器,透過物聯網進行車輛載重和型別識別,和攝像頭聯接獲取違規車輛的車牌資訊,在進行分級實時告警的同時,還可以統計路面總體載荷。

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案例:

目前,交通設施智慧管理平臺已在上海投入試運營。今後超載貨運車一旦違規駛上高架橋樑,橋上埋設的線圈會自動感知微小受力變化,同步向智慧管理平臺報警。據相關工程技術專家介紹,以前高架橋樑對重車的監控大都是人工觀察,今後可以透過在道路內植入帶有訊號發射功能的感測器,實時監測每一座設施的荷載和運作狀況。

一旦有超過該橋樑負荷的卡車出現,感測器能及時感應並向監控平臺自動報警,工作人員上報資訊,由執法者對違規卡車進行及時處理。目前,這項技術已經在松江辰塔大橋試運作。

2。對橋樑健康狀況進行日常監測

在大橋中植入若干個不同種類的感測裝置,另設立彙集節點/閘道器和實時監測平臺,利用低功耗廣域網等技術無線傳輸監測資料併發送資料至彙集節點,再將資料傳入平臺層進行儲存、處理與分析,並根據分析結果及時採取應對措施,比如當橋樑極限承載力損失嚴重時,考慮將其拆除。

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案例:

在武漢市,中鐵大橋科學研究院的技術人員為42座橋樑安裝15種、共1929個感測器,硬體裝置更是達到了25類、共3053套。技術人員將透過這些感測器和硬體裝置對橋樑的結構安全(即應變、裂縫、位移、撓度、傾角、溫溼度)、車輛荷載(即車型、車速、車重、軸重、車長)、獨柱墩匝道傾覆及滑移(即應變、位移、傾角)、沉降及橋面線形(即撓度、GPS)等關鍵引數進行監測。

橋樑的結構狀況、基礎沉降、車輛監測抓拍等各種監測資料將實時地透過網際網路儲存至雲計算資料中心伺服器中,從而實現“一橋一檔”電子化戶籍式管理。若無其事,原來是最狠的報復。

其次,技術人員還會到現場對橋樑外觀進行檢查,並將檢查結果透過手機APP上傳。各級管理人員或技術人員可以透過任何一臺電腦的瀏覽器或手機APP進行登入訪問,實時掌握這42座橋樑的健康狀況,有助於技術人員及時處理突發事件、及時修復病害橋樑、確保橋樑運營安全。

另外,“智慧橋樑”系統還能自動生成維修建議,並透過查閱系統中的監控影片、檢測資料,為事後追溯、索賠提供依據。

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物聯網在結構監測中的應用

當然,不只是橋樑,隨著中國大規模基礎建設浪潮的漸漸消退,隧道、樓宇、軌道等各種結構物都開始進入長期的運營使用階段。但是,在各種自然界的不確定外力載入下,以及經濟發展的需求,致使各種結構物超載疲勞運營現象普遍出現。

然而,前期的設計、施工並不能確定結構物是否正常運營,必將需要一種更實時、快捷的方式對運營狀態進行全面的精細化監測,尤其是對已經服役多年的老舊結構物。

專注於物聯網結構監測領域的浩坤科技曾經總結過結構監測的市場現狀,見下圖:

無錫大橋側翻思考篇——物聯網技術如何應用於橋樑監測

因而近年來,物聯網在結構監測領域正發揮著越來越重要的作用。

物聯網智庫之前曾報道過,以LoRa為代表的低功耗廣域網路具有的超低功耗、更廣覆蓋、超大連線、低成本、高穿透等特點不僅能滿足不同結構物在各種複雜環境下的大連線、高穿透等的監測需求,而且能為其提供精細化監測解決方案。

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針對結構監測環境的複雜性和高穿透等需求,LoRa主要從以下幾個方面解決其痛點。

1。高穿透性、遠距離、低功耗

由上圖可以看出LoRa高達157db的鏈路預算使其通訊距離可達15公里,且穿透性極強。其接收電流僅10mA,睡眠電流200nA,這大大提高了電池的使用壽命。高穿透性、遠距離傳輸的特點解決了橋樑、隧道等內部震動監測訊號在穿透多層混凝土結構或者巖壁後變弱的問題。低功耗的特點在提高裝置持續長久安全監測穩定性之外,也減少了裝置維護和結構巡檢次數,從而提高了安全效率,降低了人力成本。

2。基於該技術的智慧閘道器支援多通道多資料速率的並行處理,系統容量大

閘道器是節點與IP網路之間的橋樑。每個閘道器每天可以處理500萬次各節點之間的通訊(假設每次傳送10Bytes,網路佔用率10%)。如果把閘道器安裝在現有行動通訊基站的位置,發射功率20dBm(100mW),那麼在建築密集的城市環境可以覆蓋2公里左右,而在密度較低的郊區,覆蓋範圍可達10公里。這種大範圍的覆蓋對於隧道、橋樑等遠距離,多節點的監測尤為重要。

3。基於終端和閘道器的系統可以支援測距和定位

LoRa對距離的測量是基於訊號的空中傳輸時間而非傳統的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication),而定位則基於多點(閘道器)對一點(節點)的空中傳輸時間差的測量。其定位精度可達5m(假設10km的範圍)。從而保障監測資料的精準性。

4。低成本、易於部署

LoRa是基於非授權頻譜的技術,基礎設施和節點(終端)部署成本低,能為結構監測大規模的應用降低大量成本。LoRa網路技術可以滿足行業客戶協議細節調整的需求,可快速幫助客戶低成本地建設區域網以實現業務運營,同時不僅能適應分散性應用需求,還能很好地滿足行業性應用需求。

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結構監測前景大有可為

中國結構監測的市場剛剛起步,結合著物聯網,智慧城市的發展,未來五年內會滋生出數十億的市場份額,同時隨著現有建築物的逐步老化,市場還會越來越大。鑑於感測器的生命週期一般為8年左右,所以也是一個無限迴圈的市場。如果新建築物在施工階段就採用物聯網結構監測方案,那麼整個市場無疑會擴大很多。

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例如,一座普通200米左右橋樑監測費用10萬左右,每公里隧道監測費用5萬左右,每公里地鐵監測費用5萬左右,一座體育場館監測費用100萬左右,高層建築監測費用30萬左右。

據統計,截止2015年,國內現有大小橋樑70多萬座,隧道8000多座(總長度4000多公里),地鐵總長度超過3000公里,大型體育場館上千座,老舊建築,高層建築數量龐大,未來都有實時線上監測預警的需求。

同時日益增多的地質災害也是一個龐大的監測市場。猶記得2018年5月9日,成都高新區聯合成都高新減災研究所,在成都高新區60個社群啟用地震預警“大喇叭”,透過社群廣播、手機、電視等多途徑,在地震波到達前提前預警,為民眾避險爭取寶貴時間。

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希望未來物聯網技術也能在防災防害、保護人民生命財產安全方面發揮越來越重要的作用。

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