桥梁结构监测系统

在2007 年 ，明尼苏达州明尼阿波利斯市 I-35W 密西西比河大桥的倒塌是一场巨大的灾难。这座桥每天运送超过135，000辆汽车，在晚高峰时段发生故障，造成13人死亡，145人受伤。几乎立即制定了更换桥梁的计划，随后于2008年9月18日开放。但与其命运多舛的前身不同，新的I-35W圣安东尼瀑布大桥设计有一个完整的最先进的监控系统，可以持续评估桥梁的完整性，以确保灾难性故障不会再次发生。该监控系统是使用DATAQ Instruments的分布式以太网数据采集产品实现的，该产品提供了数据采集能力与捕获桥梁1，200英尺长度的测量值的能力的最佳组合。

测量什么，在哪里测量？

明尼苏达州交通部 （MDOT） 部署的数据采集系统需要解决许多必要的问题，该系统用于监测桥梁生命体征。其中最主要的是需要建立一个传感器类型框架及其在桥梁上的特定位置，以产生最佳诊断。他们决定混合使用传感器类型，以提供快照和桥梁状态的长期趋势（见表1）。

表 1- 部署在 I-35W 桥上多个位置的传感器类型范围。

这一系列传感器需要部署在桥梁跨度的战略结构位置，以获得最佳结果。为此，这座桥的 1，200 英尺跨度被映射到八个节点。可以将每个节点视为相同或不同类型的传感器集群。表 2 描述了如何在八个节点中的每一个节点之间分配传感器。

表2-在战略位置的桥上建立了节点，以确保最坏情况的测量，并根据测量要求将具有指示输出电平的传感器分配给节点。

为了确定特定的节点位置，桥梁分为北向和南向车道，主要结构支撑表示为桥台和桥墩。从桥的南端开始，向北移动，顺序是桥台1，桥头2，桥头3，桥墩4和桥台5。图 3 提供了桥梁的示意图，其中包括结构和节点 （Nx） 位置以及它们之间的距离。不直接位于桥墩上的节点被放置在结构支撑之间的中心线（理论上最薄弱的点），以进行最坏情况的测量。

图 3- 用于监控网桥运行状况的八个仪表节点 （Nx） 和继电器 （Rx） 位置示意图。

数据采集挑战需要独特的解决方案

测量节点是多达 26 个设备的传感器集群，从图 3 中可以看出，测量节点之间的距离可能很大。此外，计划是在距离桥北出口约340英尺的碉堡中建立一个计算机系统。计算机将连接到数据采集系统，并通过远程访问提供24/7/365的桥梁状况监控。这给应用带来了两个主要的数据采集问题，在实现I-35W大桥监控系统的目标之前需要解决这两个问题。需要采集的通道总数为62个，考虑到当代数据采集解决方案，这并不是一个压倒性的数字。然而，将运行信号从 62 个传感器引出到一个中心位置是不切实际的。单个数据采集系统的最佳位置是桥的中间（节点2或6），从图3可以看出，在某些情况下，这将导致信号路径超过400英尺。典型的毫伏级信号在此距离内会遇到线损和感应噪声，这会降低测量性能，使其无法达到预期目的的程度。此外，在如此长的距离上串设屏蔽多芯信号电缆是有问题的，而且成本高昂。由于这些原因，放弃了单一的数据采集方法。第二种选择是在每个测量节点安装数据采集系统，解决一个集中式数据采集系统造成的问题。信号电缆的长度将最小化，并且在这些短距离内将它们连接到数据采集系统既实用又具有成本效益。但问题是如何同步分布在 1，800 英尺的北行和南行桥段上的八个数据采集系统。通道同步的需求对于后续数据分析和桥接性能解释的成功至关重要。62个测量通道中的每一个都需要在相对于其他通道的可预测时间段内采集。没有这一点，一个通道上的事件就无法用其他通道来解释，因此该事件对整个桥梁结构的影响将永远丢失。这就像试图解释一个口头句子，其中单词到达您耳朵的顺序与说出时的顺序不同。虽然同步问题本质上可以通过一个集中式数据采集系统来解决，但同步分布在 1，800 英尺以上的多个系统是一项重大挑战。

使用以太网进行同步数据采集

I-35W 桥的理想仪器解决方案允许每个节点一个数据采集系统，以保持信号完整性和低布线成本，并且还能够在分散在八个测量节点上的多个系统之间进行同步，数据收集计算机和最后一个节点相距超过 2，000 英尺。DATAQ Instruments的同步以太网数据采集产品提供了这样的解决方案。DATAQ Instruments的OEM型DI-5001数据采集卡配有以太网接口，每个数据采集节点一个。每块板支持 32 个模拟通道，每个通道可容纳一个传感器输入，并具有双 RJ45 连接器，允许标准 CAT-5 以太网电缆在八个 DI-5001 板之间简单地菊花链，每个仪器节点一个。这种方法使换能器信号引线较短，用低成本的 CAT-5 以太网电缆代替节点之间的长距离传输。菊花链式以太网方法还解决了其他问题。它支持模块化和扩展，因此可以根据应用程序需要轻松交换、添加或删除节点以增加或减少节点数量。以太网是一种隔离标准，这意味着即使在存在共模电压的情况下，数据通信的可靠性也是无懈可击的。最后，它允许单元之间长达 100 米的超长通信电缆。由于数据采集系统的同步接口提供内置以太网交换机，因此各个节点之间以及它们与砌块之间的距离可以长达100米。同步机制包含两对未使用的 CAT-5 电缆。一对携带16 MHz主控时钟，第二对携带触发信号。时钟在 DI-5001 单元之间以菊花链方式连接，每个单元的以太网接口都包含一个锁相环 （PLL），可提供故障安全操作并以零相位延迟精确再现主时钟。故障安全功能是PLL的一个独特方面，可确保在菊花链主时钟发生瞬时甚至长期中断时保持锁定。将PLL集成到每个DI-5001的以太网接口中，可确保每个数据采集单元在频率和相位上与主时钟保持精确同步，从而保证各个单元之间以及各个通道之间的同步模数转换。在第二对 CAT-5 电缆上添加主触发信号即可完成图像，以确保分布式链中的所有单元在同一时刻启动采样，不受网络延迟的影响。再次参考图 3，在节点或计算机之间的距离超过 100 米的情况下，使用继电器来弥合差距。DI-789 型继电器（在图 3 中表示为 Rx）专门设计用于在节点之间传输数据和同步定时信号，并最终传输到连接的计算机进行显示和存储。

数据采集软件

用于实现同步操作的传感器和硬件只是解决方案的一半。还需要对桥梁进行24/7/365的持续监控。这意味着一台运行软件的专用计算机能够将来自每个检测节点的连续采集数据流传送到计算机的硬盘驱动器以进行永久存储。结果将是需要有效方法来查看数据的大型数据文件。DATAQ Instruments的WinDaq软件提供了一种解决方案，通过使用其磁盘流功能，满足了从每个节点连续获取数据的需求。每个节点的每个通道都连续采样，有些速度高达1 kHz，在数据缩减后每天产生大约2 GB的数据文件，并且生成的数据文件中的每个值都带有时间和日期戳，以将任何给定事件与实际发生日期和时间相关联。通过使用 WinDaq 软件的播放组件，可以快速高效地查看数据。可以轻松识别特定事件并将其导出到其他应用程序以进行进一步分析。图 4 是一个压缩的回放屏幕，显示了 2009 年 3 月 30 日下午一辆大型车辆过桥的北行进程。从屏幕底部开始，向顶部移动，并将其与图3的桥梁原理图相关联，我们可以清楚地看到，车辆首先由第一个桥跨度（SP1，通道6和5）上的节点3加速度计检测到，然后由第二个桥跨度上的节点2加速度计（SP2， 通道 4 和 3），最后通过第三个也是最后一个桥跨度（SP3，通道 2 和 1）上节点 1 的加速度计。

图 图 4 - 仪表节点 3、2 和 1 处的加速度计检测到的在 I35W 桥上向北行驶的一辆单独的重型车辆的进展（请参阅图 3）。

在另一个示例中，图5详细介绍了三个北向和两个南向桥梁伸缩缝在24小时内的温度变化。测量值取自几个以英寸为单位校准的线性电位计（LP）。再次从屏幕底部开始并向上移动，首先是节点 4 的 LP，用于测量跨度 1 南行通道（SP1、通道 6 和 5）的扩展。接下来是节点 4 LP 传感器，用于测量北向车道（SP1、通道 4 和 3）上的互补位置。最后是节点 1 LP 传感器，测量跨度 3（SP3，通道 2 和 1）北行车道的膨胀节活动。

图5 - 线性电位计在 24 小时内测量的膨胀节活动与温度的关系。在节点 1 和 4 进行测量（见图 3）。

图6显示了I35W桥上日常活动的最后一个示例以及检测它们的仪器的灵敏度。2009 年 4 月 6 日上午 7 点 32 分，扫雪车造成的破坏，由位于北行车道节点 3 的加速度计检测到，可以在封闭的盒子中看到。将封闭部分与犁通过之前和之后的相对平静进行比较，在这个高度压缩的图中。

图 6- 位于仪表节点 3 的北行车道第一个跨度上的加速度计检测

结论

对圣安东尼瀑布大桥生命体征的持续监测将为结构寿命的桥梁状况提供前所未有的洞察力。磨损评估不再需要仅仅是主观的人工检查。现在，它可以通过定量分析进行补充，必要时每年、每月甚至每天评估桥梁性能，使手动检查模式更加高效。先进的数据采集系统是这一过程的核心。由于电桥长度以及测量点和类型的数量和多样性的限制，只有同步数据采集系统才能产生有意义的结果。DATAQ Instruments的以太网数据采集产品通过硬件和软件解决方案满足了这一要求，这些解决方案将生成描述未来桥梁状况的多通道数据文件。

审核编辑：郭婷