专利名称：城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于全寿命的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统。
背景技术：
诺贝尔经济学奖获得者斯蒂格利茨把我国的城市化与美国的高科技并列为影响21世纪人类发展进程的两大关键因素。激烈的城市化进程托起了我国经济的腾飞与全球最大规模的交通基础设施建设，已经建成(包括在建)一大批举世瞩目的桥梁、隧道、高架道路等城市标志性的重大交通基础设施如杭州湾跨海大桥(世界最长的跨海大桥，36km);苏通长江大桥(世界最大跨度的斜拉桥，1088m);秦岭终南山隧道西安至柞水段(世界上最长的双洞高速公路隧道，单洞长18. 02km)等。这些关系国计民生的基础工程或标志性工程，其投资规模和社会影响巨大，在其整个生命周期中，受环境载荷作用、疲劳、腐蚀和材料老化等不利因素的影响，结构不可避免地产生损伤积累，这对公众的安全构成了极大的威胁，甚至导致突发事件。如2007年8月I日美国明尼苏达州密西西比河的大桥发生坍塌；2009年5月17日我国株洲红旗路高架快速路倒塌；2010年3月19日我国内蒙古新旗下营隧道塌方。同时我国也是世界上自然灾害最为严重的国家之一，在各类自然灾害如地震、台风、暴雨等影响下，这些城市交通生命线工程如果遭受破坏，会引起一连串灾难性后果，导致整个城市应急及管理系统的瘫痪。如2008年5月12日我国汶川地震中，道路与桥梁的破坏导致交通受阻，抢险救灾的物资和人员无法进入灾区，造成了巨大的人员和财产损失。因此，对这些城市重大交通基础结构实施寿命周期内的实时在线的信息化监测，并对结构安全做出实时安全评估，实现对突发事件的预警，提前采取应急处置措施，避免或减少人民生命财产损失具有重要的意义。预防性的信息化管理将是最高层次的现代城市的安全理念。结构的全寿命监控理论认为，结构监测的时间应向前延伸，对结构寿命周期的每个阶段(设计阶段-施工阶段-运营阶段-报废拆除)均应进行有效控制，特别是在事故多发阶段如施工阶段和运营阶段设置过程监控系统。目前，对在役的少量长大桥梁、隧道等结构已经开展了相关的在线监测及安全预警研究，发挥了一定的积极作用，但这些监测系统都为单一的监测系统，各系统间缺乏沟通与整合；城市具有明显的空间地域特征，监测系统的空间地域覆盖面不够，单一监测系统容易形成“信息孤岛”，无法为保障城市交通基础设施整体安全提供有效的支持；信息的利用率不足，缺乏对监测数据的分析处理，与之配套的状态反演和评估体系都不健全。所有这些都制约着城市交通基础设施的安全信息化管理的发展。
发明内容
为了克服现有监测系统的单一性，各系统间缺乏沟通与整合、监测系统的空间地域覆盖面不够，无法为保障城市交通基础设施整体安全提供有效的支持，信息的利用率不足，缺乏对监测数据的分析处理，与之配套的状态反演和评估体系都不健全等缺点，本发明提供一种基于全寿命的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统。本发明采用的技术方案是
一种城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于所述系统包括在线监测模块，用于管理桥梁建造信息、几何信息、监测信息和分析结果全部数据，承担着数据的存贮、备份、修改、删除及查询功能；数据分析及处理模块，用于通过传感器模块对经过预处理的监测数据进行对比、统计分析，列表或图形化显示各种载荷和环境因素作用下的结构状态的变化，形成桥梁的健康档案；预警评估模块，用于依据设计文件、现场监测数据、相关的规范及标准、以往运营以及管理维护方面的信息，对结构的运营状态进行评价，分析结构的安全性、适用性及耐久性；决策支持模块，用于对桥梁的运营状态评价、易损性分析，为养护维修提供决策支持；监测系统控制管理与维护模块，对集群监测系统自身的运行状态进行监控及管理。进一步，所述在线监测模块包括结构监测数据库、数据管理模块和数据分析模块。进一步，所述预警评估模块包括结构状态评估和结构寿命预测。进一步，所述在线监测模块、数据分析及处理模块、预警评估模块、决策支持模块以及监测系统控制管理与维护模块之间以系统集群管理平台为中心，以服务器作为后台数据库且通过城市网络和人机交互的方式相互建立通讯和联系。进一步，所述系统集群管理平台以城市VPN网络为平台，通过城市桥梁、城市高架、隧道分布的监测站采集相应数据，建立结构监测数据库，通过数据分析，对结构进行状态评估及寿命预测，并进行系统控制管理与维护的决策支持。进一步，所述传感器模块包括温度传感器、应力传感器、位移传感器、加速度传感器、环境及荷载传感器。进一步，所述系统根据健康监测系统，包括荷载监测数据库、环境监测数据库、桥梁特性监测数据库、各项监测数据报告及系统运行状况报告，进行构件的关键性分析、易损性分析及结构性能分析，之后根据构件的重要度指标，包括构件的关键性和易损性指标，对构件进行预测式养护检测排序。本发明的目的是建立基于全寿命的城市重大交通基础设施集群监测体系及相关的监测指标系，研究和解决基于全寿命的重大交通基础设施结构的安全评估关键技术，为发展建立以现代信息技术、现代控制技术、现代高新技术装备为支撑的城市公共安全与应急反应体系，合理地提高城市生命线工程基础设施抵御工程灾变的能力，保证国民经济与社会的持续、快速、稳定发展，提供基础研究。本发明的有益效果体现在(I)完善的监测功能集散系统可以完成从简单的单座桥梁单一项目的监测到多座复杂桥型的多参数监测，可以根据需要进行采集参数的远程控制，更能实现监控、显示、打印、报警、历史数据库存储等日常操作要求；(2)完善的人一机界面、集中监控和网络共享功能系统采用B/S与C/S相结合的架构，可以方便的实现远程监控；
(3)系统扩展灵活，容易进行升级修改，因而适合于长期规划、分批投资，分批受益；如果形成一套行之有效的城市桥梁管理新模式，将长期发挥效能；(4)安全可靠性高由于每一座桥梁由现场的单片机分散监测，当一个或多个桥梁站点的仪器设备万一发生故障时，不会影响系统其他部分的正常运行，如果辅以完善的自诊断及维护系统，系统的平均无故障时间将会大大的延长，从而提高系统的可靠性；(5)能够快速地构建监测子系统对特定桥梁的监测系统设计及接入不再需要每次都从零开始，只需选择适当的监测内容及布点方案组建分布监测系统、选择及开发适当的数据处理方法、预警评估、及维修决策等模块即可；具有良好的性价比，而且纳入集群监测平台的桥梁规模越多，平均每座桥梁的投资越省；(6)利用现有的智能传感、网络传输等一系列新技术，在抗干扰，可靠性，实用性方面，完全可以做到与单一桥梁健康系统具有相同的性能，同时由于其灵活性和开放性，更有利于后续开发，因而具有十分广阔的应用前景。
图1是本发明的集群监测平台系统结构示意图。图2是本发明的状态评估流程图。图3是本发明的剩余使用寿命预测流程图。图4是本发明的基于全寿命的预测式养护排序流程图。图5 (a)是实施例2中系杆拱桥的总体布置图。图5 (b)是实施例2中系杆拱桥跨中截面横断面图。图6是实施例2中系杆拱桥监测-分析-评估-维护决策流程图。图7是实施例2中系杆拱桥动力特性监测传感器布置图。图8是实施例2中桥梁监测数据采集传输体系结构。图9是实施例2中桥梁预警系统流程图。图10是实施例2中系杆拱桥的平面分析计算模型。图11 (a)是实施例2中吊杆的危险度排序图。图11 (b)是实施例2中系梁的危险度排序图。图11 (c)是实施例2中拱肋的危险度排序图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。实施例1参照图f图4，一种城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，所述系统包括在线监测模块核心为数据库管理模块，用于管理桥梁建造信息、几何信息、监测信息和分析结果等全部数据，是集群监测系统的核心，承担着数据的存贮、备份、修改、删除及查询功能；数据分析及处理模块通过传感器模块对经过预处理的监测数据进行对比、统计分析，列表或图形化显示各种载荷和环境因素作用下的结构状态的变化，形成桥梁的健康档案；预警评估模块用于依据设计文件、现场监测数据、相关的规范及标准、以往运营以及管理维护方面的信息，对结构的运营状态进行评价，分析结构的安全性、适用性及耐久性；决策支持模块用于对桥梁的运营状态评价、易损性分析，为养护维修提供决策支持；监测系统控制管理与维护模块对集群监测系统自身的运行状态进行监控及管理。进一步，所述在线监测模块包括结构监测数据库、数据管理模块和数据分析模块。进一步，所述预警评估模块包括结构状态评估和结构寿命预测。进一步，所述在线监测模块、数据分析及处理模块、预警评估模块、决策支持模块以及监测系统控制管理与维护模块之间以系统集群管理平台为中心，以服务器作为后台数据库且通过城市网络和人机交互的方式相互建立通讯和联系。进一步，所述系统集群管理平台以城市VPN网络为平台，通过城市桥梁、城市高架、隧道分布的监测站采集相应数据，建立结构监测数据库，通过数据分析，对结构进行状态评估及寿命预测，并进行系统控制管理与维护的决策支持。进一步，所述传感器模块包括温度传感器、应力传感器、位移传感器、加速度传感器、环境及荷载传感器。进一步，所述系统根据健康监测系统，包括荷载监测数据库、环境监测数据库、桥梁特性监测数据库、各项监测数据报告及系统运行状况报告，进行构件的关键性分析、易损性分析及结构性能分析，之后根据构件的重要度指标，包括构件的关键性和易损性指标，对构件进行预测式养护检测排序。本发明的目的是建立基于全寿命的城市重大交通基础设施集群监测体系及相关的监测指标系，研究和解决基于全寿命的重大交通基础设施结构的安全评估关键技术，为发展建立以现代信息技术、现代控制技术、现代高新技术装备为支撑的城市公共安全与应急反应体系，合理地提高城市生命线工程基础设施抵御工程灾变的能力，保证国民经济与社会的持续、快速、稳定发展，提供基础研究。本发明提出的基于全寿命的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，可以通过以下技术方案来实现(I)功能要求城市桥梁集群监测系统平台将根据规划、设计目标、投资等，针对纳入平台监测的具体桥梁特性，有选择的确立各桥梁的健康监测等级。具体分析时要考虑以下因素I)新的桥梁管理模式2)需求分析3)系统的等级。(2)系统的阶段化实施城市桥梁集群监测系统平台是一个“开放”式系统，在系统设计和规划时，应从宏观全局及长远的角度进行考虑，并在此基础上分步实施，从而实现系统由初级搭建到逐步完善，以及系统的无缝扩展和平滑移植，在实施过程中，应考虑资金规划、技术规划、桥梁寿命、仪器寿命等因素。系统的建设必须正视健康监测的技术与实际需要之间的矛盾，在“技术可靠、经济适用、协调统一”的规划原则指导下，实现对城市桥梁集群监测系统的合理规划。(3)确定系统平台的构建原则为了使城市桥梁集群监测系统成为一个功能强大并能真正长期用于桥梁监测和养护管理，同时又具有经济效益和高水平的平台体系，其构建应遵循如下原则1)科学性原则2)标准化原则3)先进性原4)安全性原则5)开放性原则6)实用性原则。(4)健康监测系统设计标准如表I (结构健康监测系统设计指南列表)所示。表I结构健康监测系统设计指南列表
权利要求
1.一种城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于所述系统包括 在线监测模块，用于管理桥梁建造信息、几何信息、监测信息和分析结果数据，承担着数据的存贮、备份、修改、删除及查询功能； 数据分析及处理模块，用于通过传感器模块对经过预处理的监测数据进行对比、统计分析，列表或图形化显示各种载荷和环境因素作用下的结构状态的变化，形成桥梁的健康档案； 预警评估模块，用于依据设计文件、现场监测数据、相关的规范及标准、以往运营以及管理维护方面的信息，对结构的运营状态进行评价，分析结构的安全性、适用性及耐久性； 决策支持模块，用于对桥梁的运营状态评价、易损性分析，为养护维修提供决策支持； 监测系统控制管理与维护模块，对集群监测系统自身的运行状态进行监控及管理。
2.如权利要求1所述的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于所述在线监测模块包括结构监测数据库、数据管理模块和数据分析模块。
3.如权利要求1或2所述的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于所述预警评估模块包括结构状态评估模块和结构寿命预测模块。
4.如权利要求1或2所述的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于所述在线监测模块、数据分析及处理模块、预警评估模块、决策支持模块以及监测系统控制管理与维护模块之间以系统集群管理平台为中心，以服务器作为后台数据库且通过城市网络和人机交互的方式相互建立通讯和联系。
5.如权利要求4所述的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于所述系统集群管理平台以城市VPN网络为平台，通过城市桥梁、城市高架、隧道分布的监测站采集相应数据，建立结构监测数据库，通过数据分析，对结构进行状态评估及寿命预测，并进行系统控制管理与维护的决策支持。
6.如权利要求1或2所述的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于所述数据分析及处理模块中，所述传感器模块包括温度传感器、应力传感器、位移传感器、加速度传感器、环境及荷载传感器。
7.如权利要求1或2所述的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于所述系统还包括基于全寿命的系杆拱桥构件预测式检测养护排序，用于根据健康监测系统，包括荷载监测数据库、环境监测数据库、桥梁特性监测数据库、各项监测数据报告及系统运行状况报告，进行构件的关键性分析、易损性分析及结构性能分析。
8.如权利要求1或2所述的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，其特征在于定义构成构件的危险度指标Ri为 Ri= QiCi+(1-Si)+ YiVi(I) ai； ^j, Yi为权重因子，分别表示构件关键性、敏感性和易损性的置信程度[O，1]，通过确立权重因子形成构件的危险度指标。
全文摘要
本发明公开了一种基于全寿命的城市重大交通基础设施集群监测及成套管养系统，所述系统包括在线监测模块、数据分析及处理模块、预警评估模块、决策支持模块以及监测系统控制管理与维护模块；发明所涉及的上述模块之间以系统集群管理平台为中心，以服务器作为后台数据库且通过城市网络和人机交互的方式相互建立通讯和联系。本发明将集群监测及成套管养技术与全寿命理念结合起来，为面向公共安全的城市基础设施信息化的研究提供了一种新的解决方案，同时硬件层与软件层相结合，为分析和研究典型交通基础设施提供理论与实验基础。
文档编号G06F17/30GK103049480SQ20121048931
公开日2013年4月17日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者罗晓峰, 邢国徽 申请人:浙江工业职业技术学院