與膠州灣大橋主體工程同步建設的運營期結構監測巡檢養護管理系統（以下簡稱「結構監測系統」），是膠州灣大橋結構安全的重要保障。該系統在膠州灣大橋三座航道橋及十處非通航孔橋布設各類傳感器，通過測量反映山東高速膠州灣大橋環境激勵、結構響應狀態及結構耐久性等方面的信息。實時監測、定期檢測橋梁結構的工作性能，定時、定量地評價橋梁結構的健康狀態，實現膠州灣大橋結構健康狀態的在線評估和實時預警，為膠州灣大橋的安全運營、養護維修提供了科學依據。
該系統主要由傳感器系統、數據採集傳輸系統、數據存儲系統、數據分析評估系統等幾部分組成。整個系統共在全橋布設各類傳感器451個，採集設備24臺，網絡傳輸設備9臺，輔助支持設備6臺，數據存儲及處理設備11臺，伺服器8臺。結構監測系統組成如圖1：
圖1 膠州灣大橋監測系統
系統運轉不暢
結構監測系統於2011年6月與膠州灣大橋主體工程同步建成並投入使用，2012年6月通過驗收並移交正式運營。系統投入運行至今，累計採集了約10TB的結構相關數據，出具了近百份月度評估報告，8份年度評估報告和一份中期（八年）評估報告，以及「梅花颱風」「黃島爆炸」「臺灣地震」等特殊事件臨時評估報告十餘份。大量的監測數據不僅顯示了膠州灣大橋的實時結構狀態，更為膠州灣大橋的安全運營和精準養護提供了科學依據。
結構監測系統24小時不間斷運行,截至2019年6月系統各部件已連續運行超過7萬小時,部分設備尤其是電子信息設備已經到達設備理論壽命。同時由於膠州灣大橋地處北方冰凍海域高鹽環境,結構監測系統大量外場設備暴露在高鹽、高溼、震動、汙穢、強紫外線的嚴苛環境中，設備壽命受到了極大的影響。由於以上原因,近年來包括傳感器、數據採集設備、網絡傳輸設備、伺服器設備、存儲設備在內的各部件故障率增高、穩定性降低,從而導致系統整體穩定性和數據完整率逐年下降。更為嚴重的是,部分傳感器由於安裝位置特殊,無法修復或修復代價極大,關鍵採集設備如光纖數據機、工控機故障造成大量數據無法採集,磁碟故障致使歷史數據丟失。以上問題限制了結構監測系統在線監測和實時預警功能的正常發揮,對膠州灣大橋運營安全和結構安全的保障工作造成較大的困難。
制訂改造方案
為使結構監測系統處於良好工作狀態，降低設備故障概率，保障監測數據的完整性和結構預警的及時性，結合近年來系統運行情況，山東高速青島公路有限公司與膠州灣大橋設計單位、結構健康監測系統設計建設單位、運維單位進行了深入的溝通，充分考慮近年來技術進步的成果，尤其是雲服務和「網際網路+」技術的發展，提出了基於網際網路+雲服務的結構監測系統升級改造方案。
期望實現的目標
根據系統實際運行情況、相關採集傳輸及數據存儲處理設備的運行情況，計劃實施系統設備更新工程，主要實現以下目標：
（1）設備維修、升級和改造，修復系統設備故障，提高系統穩定性；
（2）優化系統功能，確保數據採集、傳輸、存儲及分析需求，確保系統相關功能完整，數據完整率達標；
（3）根據多年數據分析的結果，合理優化傳感器布點，針對薄弱部分加強監測手段；
（4）優化閾限值，合理優化各類報警信息的設置。
升級改造的「三板斧」
本次升級改造主要包括三個方面：一是系統設備的升級改造，主要涉及傳感器、數據採集設備、數據儲存分析設備及輔助支持設備等；二是軟體系統升級改造；三是監測布點的優化，增加塔頂纜索鞍座及除溼機等設備的監控。
(1)系統設備的改造
結構健康監測系統硬體部分包括傳感器設備、數據採集及傳輸設備、數據處理與控制設備、輔助支持設備四個部分。
①傳感器設備：由布置在橋梁結構上的各類傳感器、專用設備和線纜等組成；
②數據採集與傳輸設備：本系統又可分為數據採集系統、數據傳輸系統兩部分:其中數據採集系統是由布置在橋梁結構內部或橋面的調理設備、採集設備、採集計算機和傳感器電纜網絡等組成；數據傳輸系統由布置在橋梁外場工作站機櫃內及監控中心機房內的網絡傳輸設備和網絡傳輸線纜組成；
③數據處理與控制設備：由布置在監控中心的伺服器系統及工作站組成；
④輔助支持設備：包括外場機櫃、外場機箱、配電及UPS、防雷和遠程電源、綜合布線等組成。
經過調查和分析，上述四個部分均存在設備故障或者運行不穩定的情況，對於傳感器設備、數據採集和傳輸設備、輔助支持設備採用同型號或同類型設備替代的方式維修。對於數據處理與控制設備，即伺服器和存儲設備，由於一次性更新需要投入60～80萬元，成本較高，考慮到雲服務技術已經成熟，網際網路伺服器可以滿足本項目需求，從經濟性、安全性、穩定性和可擴展性等多方面考慮，本次系統升級不再更新伺服器、磁碟陣列等數據處理與控制設備，改用雲伺服器。具體方案如下：
① 傳感器設備：更換傳感器22臺，其中光纖傳感器20臺，風速風向傳感器2臺，更換方案採用原廠同型號或同系列升級產品替代。
② 數據採集與傳輸設備：更換PXI機箱兩臺、PXI實時控制器兩臺、光纖光柵信號處理器2臺、接入交換機1臺。因原型號設備現已停產，更換方案採用原廠升級產品替代，升級產品具有更快的處理速度、更好的穩定性，並且可以兼容現有傳感器設備，可以實現無縫替換。
③ 數據處理與控制設備：從相關技術應用及成本考慮，本方案採用阿里雲伺服器及存儲進行系統數據採集處理工作，原系統相關伺服器正常維護至設備壽命期結束，作為系統備份使用，雲伺服器相關要求如表1。
雲存儲本次擬採用NAS雲存儲方式，存儲空間暫定20TB，隨著後期數據增加，再進行存儲空間擴容。
④ 輔助支持設備：更換UPS主機及UPS電池各兩組。
（2）軟體系統升級改造和遷移
膠州灣大橋健康監測軟體系統結構框圖如圖2。
圖2 膠州灣大橋健康監測軟體系統結構框圖
膠州灣大橋結構健康監測系統軟體主要包括監測數據自動化採集、人工檢測數據管理、數據管理、安全分析評估預警、巡檢養護管理等幾大模塊。平臺軟體目前已運行8年，相關功能在本次遷移至雲服務平臺時，將進行部分優化。具體內容如下：
① PXI固件升級及驅動程序升級
PXI採集系統本次由原來IN的RT系統升級為Windows7系統,操作界面能使維護人員更方便、更直接訪問系統和查看數據採集情況。同時系統採集開發軟體由Labview 2011，升級至Labview 2019版本，相應採集系統軟體進行二次開發並優化功能。
② GPS服務軟體更新升級
本次GPS系統升級將對三座航道橋的7臺Trimble 7500主機進行檢測及固件升級，更新華測新版本解算軟體HCMonitor，以提高GPS相關信號解算精度，解決青島測繪院基站數據的匹配問題。
圖3 膠州灣大橋結構監測系統GPS系統圖
③ 健康監測系統軟體整體遷移
本次升級改造項目的伺服器升級採用了雲伺服器的方案，在雲伺服器準備完畢後，需將系統整體移至雲伺服器。主要工作包括：系統軟體遷移及部署、網絡設置、歷史數據遷移等。
（3）監測布點的優化
結合膠州灣大橋養護工作和安全運營需求,新增大沽河塔頂鞍罩內部溫溼度監控、相關塔頂設備視頻監控系統。
① 溫溼度傳感器
溫溼度傳感器選用耐久性和可靠性強的工業級產品，考慮系統接入的兼容性和相關接口開發工作量。從系統查詢膠州灣大橋周邊環境數據，極端最高溫度38.9℃、極端最低溫度-16.9℃，選擇溫溼度傳感器如下：
② 視頻監控設備
本次計劃安裝多個攝像頭及後臺存儲控制系統，在滄口橋、紅島橋及大沽河塔頂鞍罩內部各安置一個攝像頭，後臺存儲及控制端放到監控中心，視頻數據傳輸則利用現有健康監測系統數據傳輸環網實現。同時相關圖像可以通過網絡傳輸到其他系統或由大屏監控查看。
圖4 新增視頻監控系統結構圖
系統更新 提升能效
項目的具體實施
（1）設備安裝與軟體升級
項目實施單位根據有關專家意見，對實施方案進行優化，並立即組織設備採購，對故障設備進行了更換或維修，如圖5所示：
圖5 傳感器更換
圖6 滄口塔頂攝像頭安裝過程及安裝位置
根據優化後的實施方案還相繼完成NI-PXI採集軟體升級、Trimble 7500主機檢測及固件升級、GPS解算軟體更新工作。
（2）系統遷移
①雲平臺方案布局
將原系統的5臺伺服器的相關服務遷移到雲伺服器中，原系統中，一臺用於實時數據，一臺存儲歷史數據，一臺作為數據採集，一臺備用（雙機熱備系統），另一臺應用於web服務，數據存儲在磁碟陣列及磁帶機中。雲平臺方案則將3臺數據處理伺服器合併成兩臺，取消熱備系統，其中一臺系統選擇配置為兩臺的容量（16核128GB），用於處理實時數據並提高整個系統的運行能力。另一臺選用正常配置（8核64G內存），數據採集及WEB伺服器（4核32G）設備用雲存儲（NAS）進行替代，相關伺服器性能可根據系統需求隨時進行擴充。
②歷史數據的遷移
目前正將歷史數據陸續遷移到雲存儲中，2019年的大部分數據已轉到雲存儲中，預計全部數據遷移完成需要2個月時間。
系統升級的效果
目前，系統升級改造工作已全部完成，進入試運行階段，共增加4個攝像頭和1個溫溼度傳感器。升級完成後不僅解決了傳感器故障、數據採集設備及伺服器不穩定、供電不可靠的問題，還使GPS信號和數據解算問題，以及數據存儲空間受限與磁碟故障丟失數據等難題迎刃而解，增強了系統的監測能力。改造完成後系統數據完整率達到100%，極大地提升了結構狀態監測和結構預警能力，使該系統能夠繼續為膠州灣大橋結構安全保駕護航。
圖7 紅島航道橋塔頂攝像頭視頻畫面
膠州灣大橋結構健康監測系統是膠州灣大橋結構安全的重要保障，本次更新改造主要完成了傳感器、數據採集的設備維修與更新，伺服器和數據存儲平臺遷移，應用軟體更新升級等工作。該項目的成功實施有效地提高了系統的數據完整性，提升大橋結構監測的準確性，使結構預警更為及時，具有非常重要的意義。
隨著科技的進步和全社會對橋梁工程安全性的重視，實時的結構健康狀況在線監測與預警將得到更廣泛的應用，系統建設將從特殊結構橋梁擴展到一般結構橋梁，監測數據也將更加全面。眾多在役橋梁結構健康檢測系統也將集中進入升級改造或大中修時期，今後一段時間應該從完善橋梁結構健康狀態評估理論，提出新的評估方法，並利用先進的數據處理方式深度挖掘狀態信息等幾方面入手，從而解決橋梁結構安全監測的一系列問題。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌 2020年 第2期 總第10期
作者 / 韓琦 李傳夫 李澤熹
作者單位 / 山東高速青島公路有限公司