城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統的製作方法

2023-10-18 10:22:59 4

專利名稱：城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於全壽命的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統。
背景技術：
諾貝爾經濟學獎獲得者斯蒂格利茨把我國的城市化與美國的高科技並列為影響21世紀人類發展進程的兩大關鍵因素。激烈的城市化進程託起了我國經濟的騰飛與全球最大規模的交通基礎設施建設，已經建成(包括在建)一大批舉世矚目的橋梁、隧道、高架道路等城市標誌性的重大交通基礎設施如杭州灣跨海大橋(世界最長的跨海大橋，36km);蘇通長江大橋(世界最大跨度的斜拉橋，1088m);秦嶺終南山隧道西安至柞水段(世界上最長的雙洞高速公路隧道，單洞長18. 02km)等。這些關係國計民生的基礎工程或標誌性工程，其投資規模和社會影響巨大，在其整個生命周期中，受環境載荷作用、疲勞、腐蝕和材料老化等不利因素的影響，結構不可避免地產生損傷積累，這對公眾的安全構成了極大的威脅，甚至導致突發事件。如2007年8月I日美國明尼蘇達州密西西比河的大橋發生坍塌；2009年5月17日我國株洲紅旗路高架快速路倒塌；2010年3月19日我國內蒙古新旗下營隧道塌方。同時我國也是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，在各類自然災害如地震、颱風、暴雨等影響下，這些城市交通生命線工程如果遭受破壞，會引起一連串災難性後果，導致整個城市應急及管理系統的癱瘓。如2008年5月12日我國汶川地震中，道路與橋梁的破壞導致交通受阻，搶險救災的物資和人員無法進入災區，造成了巨大的人員和財產損失。因此，對這些城市重大交通基礎結構實施壽命周期內的實時在線的信息化監測，並對結構安全做出實時安全評估，實現對突發事件的預警，提前採取應急處置措施，避免或減少人民生命財產損失具有重要的意義。預防性的信息化管理將是最高層次的現代城市的安全理念。結構的全壽命監控理論認為，結構監測的時間應向前延伸，對結構壽命周期的每個階段(設計階段-施工階段-運營階段-報廢拆除)均應進行有效控制，特別是在事故多發階段如施工階段和運營階段設置過程監控系統。目前，對在役的少量長大橋梁、隧道等結構已經開展了相關的在線監測及安全預警研究，發揮了一定的積極作用，但這些監測系統都為單一的監測系統，各系統間缺乏溝通與整合；城市具有明顯的空間地域特徵，監測系統的空間地域覆蓋面不夠，單一監測系統容易形成「信息孤島」，無法為保障城市交通基礎設施整體安全提供有效的支持；信息的利用率不足，缺乏對監測數據的分析處理，與之配套的狀態反演和評估體系都不健全。所有這些都制約著城市交通基礎設施的安全信息化管理的發展。

發明內容
為了克服現有監測系統的單一性，各系統間缺乏溝通與整合、監測系統的空間地域覆蓋面不夠，無法為保障城市交通基礎設施整體安全提供有效的支持，信息的利用率不足，缺乏對監測數據的分析處理，與之配套的狀態反演和評估體系都不健全等缺點，本發明提供一種基於全壽命的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統。本發明採用的技術方案是
一種城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於所述系統包括在線監測模塊，用於管理橋梁建造信息、幾何信息、監測信息和分析結果全部數據，承擔著數據的存貯、備份、修改、刪除及查詢功能；數據分析及處理模塊，用於通過傳感器模塊對經過預處理的監測數據進行對比、統計分析，列表或圖形化顯示各種載荷和環境因素作用下的結構狀態的變化，形成橋梁的健康檔案；預警評估模塊，用於依據設計文件、現場監測數據、相關的規範及標準、以往運營以及管理維護方面的信息，對結構的運營狀態進行評價，分析結構的安全性、適用性及耐久性；決策支持模塊，用於對橋梁的運營狀態評價、易損性分析，為養護維修提供決策支持；監測系統控制管理與維護模塊，對集群監測系統自身的運行狀態進行監控及管理。進一步，所述在線監測模塊包括結構監測資料庫、數據管理模塊和數據分析模塊。進一步，所述預警評估模塊包括結構狀態評估和結構壽命預測。進一步，所述在線監測模塊、數據分析及處理模塊、預警評估模塊、決策支持模塊以及監測系統控制管理與維護模塊之間以系統集群管理平臺為中心，以伺服器作為後臺資料庫且通過城市網絡和人機互動的方式相互建立通訊和聯繫。進一步，所述系統集群管理平臺以城市VPN網絡為平臺，通過城市橋梁、城市高架、隧道分布的監測站採集相應數據，建立結構監測資料庫，通過數據分析，對結構進行狀態評估及壽命預測，並進行系統控制管理與維護的決策支持。進一步，所述傳感器模塊包括溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、環境及荷載傳感器。進一步，所述系統根據健康監測系統，包括荷載監測資料庫、環境監測資料庫、橋梁特性監測資料庫、各項監測數據報告及系統運行狀況報告，進行構件的關鍵性分析、易損性分析及結構性能分析，之後根據構件的重要度指標，包括構件的關鍵性和易損性指標，對構件進行預測式養護檢測排序。本發明的目的是建立基於全壽命的城市重大交通基礎設施集群監測體系及相關的監測指標系，研究和解決基於全壽命的重大交通基礎設施結構的安全評估關鍵技術，為發展建立以現代信息技術、現代控制技術、現代高新技術裝備為支撐的城市公共安全與應急反應體系，合理地提高城市生命線工程基礎設施抵禦工程災變的能力，保證國民經濟與社會的持續、快速、穩定發展，提供基礎研究。本發明的有益效果體現在(I)完善的監測功能集散系統可以完成從簡單的單座橋梁單一項目的監測到多座複雜橋型的多參數監測，可以根據需要進行採集參數的遠程控制，更能實現監控、顯示、列印、報警、歷史資料庫存儲等日常操作要求；(2)完善的人一機界面、集中監控和網絡共享功能系統採用B/S與C/S相結合的架構，可以方便的實現遠程監控；
(3)系統擴展靈活，容易進行升級修改，因而適合於長期規劃、分批投資，分批受益；如果形成一套行之有效的城市橋梁管理新模式，將長期發揮效能；(4)安全可靠性高由於每一座橋梁由現場的單片機分散監測，當一個或多個橋梁站點的儀器設備萬一發生故障時，不會影響系統其他部分的正常運行，如果輔以完善的自診斷及維護系統，系統的平均無故障時間將會大大的延長，從而提高系統的可靠性；(5)能夠快速地構建監測子系統對特定橋梁的監測系統設計及接入不再需要每次都從零開始，只需選擇適當的監測內容及布點方案組建分布監測系統、選擇及開發適當的數據處理方法、預警評估、及維修決策等模塊即可；具有良好的性價比，而且納入集群監測平臺的橋梁規模越多，平均每座橋梁的投資越省；(6)利用現有的智能傳感、網絡傳輸等一系列新技術，在抗幹擾，可靠性，實用性方面，完全可以做到與單一橋梁健康系統具有相同的性能，同時由於其靈活性和開放性，更有利於後續開發，因而具有十分廣闊的應用前景。


圖1是本發明的集群監測平臺系統結構示意圖。圖2是本發明的狀態評估流程圖。圖3是本發明的剩餘使用壽命預測流程圖。圖4是本發明的基於全壽命的預測式養護排序流程圖。圖5 (a)是實施例2中系杆拱橋的總體布置圖。圖5 (b)是實施例2中系杆拱橋跨中截面橫斷面圖。圖6是實施例2中系杆拱橋監測-分析-評估-維護決策流程圖。圖7是實施例2中系杆拱橋動力特性監測傳感器布置圖。圖8是實施例2中橋梁監測數據採集傳輸體系結構。圖9是實施例2中橋梁預警系統流程圖。圖10是實施例2中系杆拱橋的平面分析計算模型。圖11 (a)是實施例2中吊杆的危險度排序圖。圖11 (b)是實施例2中系梁的危險度排序圖。圖11 (c)是實施例2中拱肋的危險度排序圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。實施例1參照圖f圖4，一種城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，所述系統包括在線監測模塊核心為資料庫管理模塊，用於管理橋梁建造信息、幾何信息、監測信息和分析結果等全部數據，是集群監測系統的核心，承擔著數據的存貯、備份、修改、刪除及查詢功能；數據分析及處理模塊通過傳感器模塊對經過預處理的監測數據進行對比、統計分析，列表或圖形化顯示各種載荷和環境因素作用下的結構狀態的變化，形成橋梁的健康檔案；預警評估模塊用於依據設計文件、現場監測數據、相關的規範及標準、以往運營以及管理維護方面的信息，對結構的運營狀態進行評價，分析結構的安全性、適用性及耐久性；決策支持模塊用於對橋梁的運營狀態評價、易損性分析，為養護維修提供決策支持；監測系統控制管理與維護模塊對集群監測系統自身的運行狀態進行監控及管理。進一步，所述在線監測模塊包括結構監測資料庫、數據管理模塊和數據分析模塊。進一步，所述預警評估模塊包括結構狀態評估和結構壽命預測。進一步，所述在線監測模塊、數據分析及處理模塊、預警評估模塊、決策支持模塊以及監測系統控制管理與維護模塊之間以系統集群管理平臺為中心，以伺服器作為後臺資料庫且通過城市網絡和人機互動的方式相互建立通訊和聯繫。進一步，所述系統集群管理平臺以城市VPN網絡為平臺，通過城市橋梁、城市高架、隧道分布的監測站採集相應數據，建立結構監測資料庫，通過數據分析，對結構進行狀態評估及壽命預測，並進行系統控制管理與維護的決策支持。進一步，所述傳感器模塊包括溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、環境及荷載傳感器。進一步，所述系統根據健康監測系統，包括荷載監測資料庫、環境監測資料庫、橋梁特性監測資料庫、各項監測數據報告及系統運行狀況報告，進行構件的關鍵性分析、易損性分析及結構性能分析，之後根據構件的重要度指標，包括構件的關鍵性和易損性指標，對構件進行預測式養護檢測排序。本發明的目的是建立基於全壽命的城市重大交通基礎設施集群監測體系及相關的監測指標系，研究和解決基於全壽命的重大交通基礎設施結構的安全評估關鍵技術，為發展建立以現代信息技術、現代控制技術、現代高新技術裝備為支撐的城市公共安全與應急反應體系，合理地提高城市生命線工程基礎設施抵禦工程災變的能力，保證國民經濟與社會的持續、快速、穩定發展，提供基礎研究。本發明提出的基於全壽命的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，可以通過以下技術方案來實現(I)功能要求城市橋梁集群監測系統平臺將根據規劃、設計目標、投資等，針對納入平臺監測的具體橋梁特性，有選擇的確立各橋梁的健康監測等級。具體分析時要考慮以下因素I)新的橋梁管理模式2)需求分析3)系統的等級。(2)系統的階段化實施城市橋梁集群監測系統平臺是一個「開放」式系統，在系統設計和規劃時，應從宏觀全局及長遠的角度進行考慮，並在此基礎上分步實施，從而實現系統由初級搭建到逐步完善，以及系統的無縫擴展和平滑移植，在實施過程中，應考慮資金規劃、技術規劃、橋梁壽命、儀器壽命等因素。系統的建設必須正視健康監測的技術與實際需要之間的矛盾，在「技術可靠、經濟適用、協調統一」的規劃原則指導下，實現對城市橋梁集群監測系統的合理規劃。(3)確定系統平臺的構建原則為了使城市橋梁集群監測系統成為一個功能強大並能真正長期用於橋梁監測和養護管理，同時又具有經濟效益和高水平的平臺體系，其構建應遵循如下原則1)科學性原則2)標準化原則3)先進性原4)安全性原則5)開放性原則6)實用性原則。(4)健康監測系統設計標準如表I (結構健康監測系統設計指南列表)所示。表I結構健康監測系統設計指南列表
權利要求
1.一種城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於所述系統包括 在線監測模塊，用於管理橋梁建造信息、幾何信息、監測信息和分析結果數據，承擔著數據的存貯、備份、修改、刪除及查詢功能； 數據分析及處理模塊，用於通過傳感器模塊對經過預處理的監測數據進行對比、統計分析，列表或圖形化顯示各種載荷和環境因素作用下的結構狀態的變化，形成橋梁的健康檔案； 預警評估模塊，用於依據設計文件、現場監測數據、相關的規範及標準、以往運營以及管理維護方面的信息，對結構的運營狀態進行評價，分析結構的安全性、適用性及耐久性； 決策支持模塊，用於對橋梁的運營狀態評價、易損性分析，為養護維修提供決策支持； 監測系統控制管理與維護模塊，對集群監測系統自身的運行狀態進行監控及管理。
2.如權利要求1所述的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於所述在線監測模塊包括結構監測資料庫、數據管理模塊和數據分析模塊。
3.如權利要求1或2所述的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於所述預警評估模塊包括結構狀態評估模塊和結構壽命預測模塊。
4.如權利要求1或2所述的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於所述在線監測模塊、數據分析及處理模塊、預警評估模塊、決策支持模塊以及監測系統控制管理與維護模塊之間以系統集群管理平臺為中心，以伺服器作為後臺資料庫且通過城市網絡和人機互動的方式相互建立通訊和聯繫。
5.如權利要求4所述的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於所述系統集群管理平臺以城市VPN網絡為平臺，通過城市橋梁、城市高架、隧道分布的監測站採集相應數據，建立結構監測資料庫，通過數據分析，對結構進行狀態評估及壽命預測，並進行系統控制管理與維護的決策支持。
6.如權利要求1或2所述的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於所述數據分析及處理模塊中，所述傳感器模塊包括溫度傳感器、應力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、環境及荷載傳感器。
7.如權利要求1或2所述的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於所述系統還包括基於全壽命的系杆拱橋構件預測式檢測養護排序，用於根據健康監測系統，包括荷載監測資料庫、環境監測資料庫、橋梁特性監測資料庫、各項監測數據報告及系統運行狀況報告，進行構件的關鍵性分析、易損性分析及結構性能分析。
8.如權利要求1或2所述的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，其特徵在於定義構成構件的危險度指標Ri為 Ri= QiCi+(1-Si)+ YiVi(I) ai； ^j, Yi為權重因子，分別表示構件關鍵性、敏感性和易損性的置信程度[O，1]，通過確立權重因子形成構件的危險度指標。
全文摘要
本發明公開了一種基於全壽命的城市重大交通基礎設施集群監測及成套管養系統，所述系統包括在線監測模塊、數據分析及處理模塊、預警評估模塊、決策支持模塊以及監測系統控制管理與維護模塊；發明所涉及的上述模塊之間以系統集群管理平臺為中心，以伺服器作為後臺資料庫且通過城市網絡和人機互動的方式相互建立通訊和聯繫。本發明將集群監測及成套管養技術與全壽命理念結合起來，為面向公共安全的城市基礎設施信息化的研究提供了一種新的解決方案，同時硬體層與軟體層相結合，為分析和研究典型交通基礎設施提供理論與實驗基礎。
文檔編號G06F17/30GK103049480SQ20121048931
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者羅曉峰, 邢國徽 申請人:浙江工業職業技術學院