橋梁監控傳感器助力橋梁和結構健康監測
全球人口正在增長——聯合國估計2030年將達到85億——這增加了對可靠的基礎設施的需求，以滿足全球公民的住房和交通需求。各種橋梁是這一重要基礎設施的一部分，幫助貨物和人員通過以前無法進入的走廊。橋梁維護和維修是一個復雜的過程，各種電子傳感器有助于促進這一過程。
橋梁和結構健康監測
橋梁的監測已經經歷了多年的演變。很多國家橋梁檢查標準規定了目視檢查的特定頻率。當定期目視檢查(比如間隔六個月)發現潛在問題時，維護專業人員會增加檢查頻率，在回路中添加更多傳感器和先進的技術解決方案。
正在進行的結構健康監測(SHM)的主題是，當定期目視檢查發現任何問題時，可能已經為時過晚，無法阻止重大損壞。SHM在變化的條件下保持一個脈沖，這些條件可能不容易被肉眼看到。SHM承諾，它可以及早發現問題，避免昂貴的維修、道路封閉等。SHM的成本也不是微不足道的，但作為一種方法，它不僅能讓業務保持運轉，還可能拯救生命。
為了保持橋梁的運行，工程師們從兩個方面收集數據:維修和日常維護。傳感器在每一類中都發揮著作用。保持橋梁安全需要頻繁的持續分析，并在出現問題時進行檢測和故障排除。從本質上講，橋梁分析是為了預防問題和在故障發生時排除故障。為了預防，專業人員可以選擇定期定期檢查，包括目測和測量數據?；蛘?，定期遠程監控也是可能的。先進的計算能力和基于傳感器數據的人工智能加速了持續監控的發展。
要測量的參數
為了清楚地了解橋梁的健康狀況，行業專家需要測量幾個不同的參數。其中包括:
1. 外部負載
例如由風和交通造成的影響。測量風速和風向對于確定電纜振動至關重要，以防止電纜過早損壞和斷裂。風的影響也會導致橋梁的結構扭曲。風增加了裝載問題，交通也是如此。通常需要監控交通噸位，如果需要，大型卡車可以改道。
2. 結構效應
隨著時間的推移，如應變，結構單元的位移。測量應變可以知道橋梁承受的壓力有多大，這可能預示著即將發生的故障。例如，測量梁的位移可以讓專業人員了解材料的硬度和柔韌性。
3. 環境效應
如溫度、風、濕度、雨水和其他降水，因為它們會在近期和長期影響橋梁狀況。溫度上升會影響一系列相關參數，尤其是隨著時間的推移。極端的溫度范圍也是有問題的，因為它會逐漸損壞橋梁材料。
4. 環境條件的影響
像腐蝕一樣，也會導致橋部件失效。鋼纜保持了較低的建造成本，但腐蝕是一個持續的挑戰，可能導致故障，需要監控。裂縫、橋面和面板傾斜、可能影響橋梁基礎強度的橋梁周圍水位、沉降、振動和疲勞都是重要的考慮因素。工程師需要測量的參數的確切組合取決于橋梁所在地區的具體地理情況。例如，在多雨地區，我們可能需要更頻繁地監測雨水引起的腐蝕，而河上的橋梁可能需要注意伴隨侵蝕的河床沖刷。
要使用的傳感器
用于測量這些不同參數的潛在傳感器可能包括:
1. 加速度計等基于振動的監控器
這些測量橋梁沿所有三個軸傾斜的方式。包括風和交通在內的各種持續環境條件都可能導致傾斜。持續一段時間后，基于振動的監測可以清晰地描繪出橋梁整體結構完整性的畫面。加速度計在測量操作條件的劇烈變化(例如地震)對橋梁功能的影響方面也非常有效。加速度傳感器的工作原理是測量放置它的元件的振動，然后將該信號轉換為可測量的電輸出。
2. 基于應變監測橋梁上的鋼、鋼筋混凝土和其他材料的應變儀
普通類型的應變儀具有金屬箔圖案，當受到應變時，其變形并改變其電阻。測量這種變化為用戶提供了對結構上的應力的測量。
3. 傾斜儀用于測量橋梁超出其最初設計和建造模式的程度
傾斜儀的功能很像一個帶有氣泡的水平儀，氣泡指示元素偏離中心的程度。
4. 光纖傳感器測量一系列參數，如溫度、壓力和濕度
光的傳輸及其在穿過材料時的后續行為是測量所列參數的基礎。這個論點是，不同的材料有不同的彎曲方式或其他與光相互作用的方式。
5. 用于檢查橋上重量的負荷傳感器
6. 裂縫計和接縫計，用于測量裂縫和接縫處的運動
裂縫計有一個滑動元件，因此當傳感器位于裂縫頂部時，滑動元件的移動反映了裂縫的生長。
轉向物聯網和基于云的解決方案
橋梁工程正朝著使日常維護成為更嚴格的技術驅動解決方案的方向發展。人工智能的發展——一段時間內的數據可以告訴我們潛在的故障或發現異常行為的模式——正在導致傳感器數據收集和處理方法的改變。
當代橋梁監控解決方案使用物聯網(IoT)技術來頻繁采樣數據，并將它們中繼到云中的數據處理模型。橋梁工程借用了制造業的一頁，從所有的數據輸入中創建一個數字雙胞胎，以了解不同的參數如何相互影響，以及修改一個參數會如何影響其他參數。傳感器通常以太陽能為能源，或者可能使用只在需要時定期喚醒的電池，從而節省能源。在新建筑中，傳感器也可以嵌入橋梁材料中，從一開始就成為監控解決方案的一部分。
基于云的、數字雙傳感器驅動的橋梁監控方法正在行業中獲得牽引力。事實越來越證明，這種方式的實時監測比傳統的定期取樣方法更有效，特別是因為在許多情況下，檢查每隔幾年才進行一次。即使沒有數字孿生，簡單地記錄各種相關參數的模式行為并隨時間研究它們也有助于主動發現問題。在制造業，工業4.0使用物聯網嵌入式傳感器來提供預測性維護。橋梁工程可以通過一個傳感器網絡獲得類似的結果，這些傳感器全部安裝在一起，并提供可以輸入人工智能或機器學習模型的數據。
這種基于物聯網的連續傳感器解決方案的眾多優勢之一是，問題可以及早發現，并且可以以更少的費用和中斷進行修復，而不是導致故障和潛在的生命損失。成本節約也吸引了預算緊張的政府。另一個優勢是可以遠程設置連續監控功能，因此不需要派遣專家團隊，這增加了維護和維修成本。管理法規遵從性和延長資產壽命是額外的優勢。
結論：
橋梁監控過去是一個周期性和不定期的過程，現在可以通過連接到云的傳感器進行動態和持續的監控，并實時提供關于條件的預測。由于基礎設施維護是許多州和地方政府的優先任務，他們正在努力使用最有效的解決方案來完成這項工作。測量各種關鍵參數的先進傳感器將繼續成為技術驅動型解決方案的重要組成部分，既可用于持續監控，也可根據需要進行維修。
