健康监测系统

健康监测系统（精选十篇）

健康监测系统 篇1

人类在过去的几十年间一直是以化石燃料作为能源利用的主要方式,自从以风能、太阳能为代表的清洁能源技术大力发展结合当前世界低碳减排的趋势,风电以其绿色环保、能源获取方式可持续、减少二氧化碳排放等特点势必继续蓬勃发展。风机叶片是风力发电机组的核心部件之一,其造价昂贵且维修成本巨大。

随着风力发电机单台功率的不断提高,风机叶片的外观尺寸也越来越大。在已经上机运行的风电叶片中出现叶片表面撕裂、扭转、螺丝松动等现象。上述现象集中在叶片根部、空心材料与实心材料交接处,结合风机叶片的加工制造工艺、风电场所处的自然环境,产生这种情况的原因主要是震动量及应变力对叶片影响的结果。叶片表面出现的裂纹、扭转、螺丝松动会大大影响风力发电机组的运行效率,造成风机停转,严重地甚至造成叶片折断,因此,对叶片损伤的早期预警显得十分重要。

1 研究背景及意义

中国作为世界第二大经济体,其飞速发展的经济是以巨大的能源消耗作为支撑,其中最大的能源来源于以煤炭为主的化石资源;这不仅带来巨大的环境污染问题,还使得经济建设对于能源的依赖程度越来越大。以风能、太阳能行业作为引领的新能源发展在我国的能源消耗中一直处于补充地位,不能撼动化石能源的绝对地位[1]。随着新能源技术的发展、对于环境保护的重视,以风能为代表的新能源将在未来有更多的应用。

受风资源环境的限制,风力发电机组大多位于远离市区的高山荒漠之中,由于风力发电技术的特点和风电场环境的复杂性决定了其运营和管理的特点与要求,风机运行的维护成本在已经投入运行的风机中占成本的10%以上,推算到海上风力发电机组的比例更高。因此,风机叶片作为风力发电机组的核心部件之一,研究风机叶片在运行过程中是否处于正常状态、尽可能早地发现故障及其产生的原因,做到故障信号的提前预警是风电叶片结构健康监测系统研究的关键技术[2]。通过咨询风力发电领域相关专家学者,结合风机叶片的结构,研究发现,震动量及应变力是造成风机叶片表面出现裂纹、扭转、螺丝松动的两种主要原因。换一句话说,对风机叶片的运行状态的实时监测,即安装于叶片根部的应变片、安装于叶片空心部位与实心部分交接处的震动信号传感器的在线数据测量和实时数据采集(如图1所示)。

利用安装于风机叶片上的加速度传感器和应变片进行实时的数据采集,通过网络通信方式实现与上位机的连接,通过上述方式建立风电叶片结构健康监测系统实时了解风机叶片的受力情况、工作状态,可有效提高风力发电机组的运行可靠性。形成这样一套风机叶片远程状态监测既达到了叶片故障诊断的提前预警,也有利于降低风电场的运维成本。

风力发电机的叶片位于高空,且地理位置上分布广泛,采用传感器网络进行数据的采集和传输能够很好地解决风电场设备空间上分布广泛和事件时间上并行的难题。

2 震动测量信号

2.1 加速度传感器选型

为了有效采集风机叶片的震动信号,选择LC1001型号的加速度传感器作为测量工具[3],通过研究LC系列加速度传感器的设备选型手册可以发现1001加速度传感器其频率范围、测点数量、平衡方式、精度范围均在可控范围内,综合考虑采购价格作为最终的选择方案。加速度传感器安装在风机叶片实心与空心材料交界处。

LC10001具有精度高、漂移小、噪声低,可接1/4桥、1/2桥、全桥应变片,或应变加速度、压力、拉力、扭矩、位移、温度传感器,对结构或材料的应变、加速度、拉压力、扭矩、位移、温度等进行测量。

安装:以单轴为例,传感器与被测试件接触的表面要清洁、平滑、不平度应小于0.01 mm,安装螺孔轴线与测试方向一致。如安装表面较粗糙时,可在接触面上涂清洁硅脂以改善耦合。测量冲击时,由于冲击脉冲具有较大的瞬态能力,故传感器与结构的连接必须十分可靠,最好用钢螺钉。现场环境需单点接地,以避免地电回路噪声对测量的影响,采取使加速度传感器与构件绝缘的安装措施。

2.2 状态监测模件

状态监测模件有四个测量通道可同时测量4组加速度传感器信号,每个通道可组态的用于测量震动、偏心、相对/绝对盖振、轴位移[4]。通过选用的两个LC10001型加速度传感器相对安装于距离风电叶片根部1 880 mm处为一组,通过硬接线的方式连接至状态监测模块,信号输入至状态监测模块为4 m A~20 m A模拟量信号。该状态监测模件可接受任意前置式探头,通过以太网连接到诊断服务器进行数据分析,做出震动分析图谱。震动分析输出包括:时基波形、综合振动、振动间隙、1x,2x&3x倍频幅值和相位、非一倍频Not1x、同步和异步采样、所有传感器和键相的缓冲输出。

状态监测模件通过网络方式与诊断服务器连接,IP地址范围192.168.001.001~192.168.255.255

3 应变力测量信号

3.1 应变片选型

目前,风力风电机组的主流型号为2 MW风力发电机组,其叶片根部直径达到1.8 m,通过大量现场试验验证,普通大小的应变片对于风电叶片应变力的数据测量起不到任何作用,基本不能采集到应变信号,因此,应变片的选型为BX120-100AA型应变片。其敏感栅的尺寸达到100 mm,是目前市面上在售的最大尺寸,应用在风电叶片的应变测量上具有比较好的效果[5]。具体参数如表1所示。

使用4片高精度应变片组成全桥进行测量,当叶片发生形变时,应变片阻值发生变化导致桥路不平衡从而输出微电压信号。应变片受应力变化时,应变片的电阻值发生变化,输出的信号是电阻值变化信号。但测量应力时,都要将应变片连成电桥,然后在电桥上加上电,这样,就把应变片的电阻变化信号转换成了电信号输出。

电桥用+5 V电源激励,满度输出电压0~2 m V,带2.5 V共模电压,故需要经放大器抑制共模信号,将电压放大至满足芯片ADC需要的范围内。

该单元主要由滤波电路,放大电路和参考电压生成电路组成,滤波电路对传感器(电桥)输入的信号进行低通滤波,经滤波后的信号送入仪表放大器AD623进行放大。采用集成式单电源仪表放大器AD623对输入信号进行放大,5 V单电源供电,外接电阻对增益进行编程,将输入信号放大500倍送入主控芯片处理。在5 V电压供电时,放大器的精度为0.1%。

AD623具有优异的交流共模抑制比(CMRR),并且随着增益提高而增大,因此可确保误差极小。由于CMRR在最高200 Hz时仍然保持稳定,因此线路噪声和线路谐波均得到抑制。AD623具有宽输入共模范围,可以放大共模电压低于地电压150 m V的信号。当AD623在5 V电压工作时,轨到轨输出级可以使动态范围达到最大。

由于AD623的增益是通过改变编程电阻来实现的,为了使AD623输出电压增益精确,采用优质的(0.1~1)%精度1/8 W的增益电阻提高增益精度,降低DC失调和增益误差。同时为了保持增益的高稳定性,避免高的增益漂移,选择低温度系数的电阻。

输入端加10 kΩ限流电阻,对放大器进行保护。由于传感器输入的信号带2.5 V共模电压,故在信号输入放大器前需要先对信号进行处理,用BAV99结合阻容滤波技术来抑制共模信号,抑制传导干扰。两信号线间加1 n F的电容抑制低频共模信号。由于共模干扰耦合进来后,会在信号线上产生双向高电压,可能对放大器造成损坏。有BAV99后电压幅度在接口处被钳位。从而保护了放大器。

设计RFI滤波器对输入信号进行调理(如图2所示)

使用一个差分低通滤波器在仪表放大器前提供RF衰减滤波器。该滤波器需要完成三项工作∶尽可能多地从输入端去除RF能量,保持每个输入端和地之间的AC信号平衡,以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗以避免降低对输入信号源的带载能力。设计RFI滤波增加了电路的信号带宽并且降低了电阻器的噪声作用。此外,10 kΩ电阻器仍提供非常有效的输入保护。该滤波器的带宽大约为400 Hz。在增益为100的条件下,1 Vpp输入信号的RTI最大DC失调电压小於1μV。在相同增益条件下,该电路的RF信号抑制能力优于74 d B。

软件滤波:考虑采用中位值平均滤波法来提高采样精度,消除由于偶然出现的脉冲干扰引起的采样值偏差。

3.2 应变片安装工具及过程解析

(1)小功率手枪钻(自带蓄电池):打磨安装在叶片根部的表面,使应变片能可靠粘结。先使用60目打磨柱打磨,再使用120目打磨柱打磨,打磨表面应尽可能平整,若无法打磨平整,则需更换位置;若有空穴,则应用胶补平。

(2)记号笔:标记安装位置。

(3)清洗剂:打磨完成后,对于表面进行清洁,一般采用高浓度酒精。

(4)应变片及应变片粘接剂:采用应变片专用粘结剂进行安装,使用胶泥密封应变片,胶泥类似与真空灌注用密封胶泥,胶泥之后,使用铝箔密封(注意排除内部空气,在铝箔四周使用钝器压出密封槽,并在四周涂抹密封胶)

(5)焊接:连接应变片与电缆并将其固定

(6)编号存档:对于安装有应变片、加速度传感器的叶片进行编号、存档,便于后期分析。

3.3 应变片数据采集

通过应变片与模拟电路信号调整电路组成全桥测量方法记录应变量,再通过网络通讯方式与上位机连接[6]。

使用4片高精度应变片组成全桥进行测量,当叶片发生形变时,应变片阻值发生变化导致桥路不平衡从而输出微电压信号。应变片在受到应力变化时,应变片的电阻值发生变化,输出的信号是电阻值变化信号。但测量应力时,都要将应变片连成电桥,然后在电桥上加上电,这样,就把应变片的电阻变化信号转换成了电信号输出。图3所示为应变片数据采集系统收集到的2015年11月26日风机叶片应变片的数据变化。

从图3中我们可以看出,在数据采集时间内,应变片的数据变化范围在8~12之内且出现了一定的数据重复,说明了风机叶片在正常状态下受到的应变力基本在这一区间范围内,不会有明显的数据跳变。若风机叶片受到较大的应力作用则会在数据上出现明显的跳变,在排除数据干扰的情况下通过捕捉数据跳变,对风机叶片的结构做出预测,避免更大程度的应力破坏,做到提前预警,真正发挥该套系统的作用。

4 结束语

通过安装在风机叶片实心材料与空心材料交接处的加速度传感器测量震动信号,安装在叶片根部的应变片测量应变信号,采集这两种对于风机叶片表面出现裂纹、扭转、螺丝松动等原因影响最大的信号因素,实行数据采集和监测达到实时动态监测风机叶片健康状态的目的。

参考文献

[1]黄东,朱法华,王圣.我国燃煤电厂“十二五”期间新增烟气脱硝费用测算[J].能源技术经济,2012,24(4):1-5.

[2]刘万鲲,张志英,李银凤,等.风能与风力发电技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]李圣怡,刘宗林,吴学忠.微加速度计研究进展[J].国防科技大学学报,2004,26(6):34-37.

[4]李志辉,罗平.SPSS forwindows统计分析教程[M].北京:电子工业出版社,2003.

[5]周详,刘益虹.工程结构检测[M].北京:北京大学出版社,2007.

桥梁健康监测系统心得体会 篇2

桥梁健康监测系统的建设关键还是在桥梁结构专业方向上为主，依托的是相当专业的桥梁专业知识，也是监测方向的和监测手段实现的最根本思路所在，目前来讲，主要存在的问题有以下几点：

1.数据可靠度的验证，由于监测设备(传感器和信号处理器)本身的误差和不正当使用可能造成数据的不准确性，如何解决底层数据来源的可靠度是系统运行的根本要求

2.海量数据的存储方式：究竟利用什么形式来存储海量数据，并且有效的实现各项系统功能，便于后期数据挖掘功能开发，这个是系统很关键技术问题，虽然数据存储在大多数程序员看来也就是硬盘大小的问题，其实不然，作为一个系统来讲海量数据存储不仅仅是保存就行那么简单，更多是要为更好的实现数据的有效利用而服务，无疑是整个系统在开发的基础

健康监测系统 篇3

关键词： 分布式光纤传感； 后向散射； 电力电缆； 健康状态监测

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.015

引言

电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖断、被盗等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，如何应用科学手段实现对电力电缆的运行及环境状态的监控、预警和定位、以便及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。

文中研究一种基于全光纤传感技术的智能监测系统，该系统利用光纤传感器对电网中的电力电缆线路的运行状况进行全方位实时智能监测。该智能监测系统不但可实现对电力电缆线路的温度、载流量、偷盗入侵等进行监测，确保电网安全、高效运行，而且还可综合分析处理各传感器信息，在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。

桥梁健康监测系统的构成 篇4

1 硬件部分

健康监测系统的硬件主要用于桥梁参数的采集和数据处理, 在监控分中心设置数据服务器进行系统数据分析处理, 并设置工作站计算机进行实时监控, 在桥梁现场设置网络传输设备和数据采集处理设备进行远程数据的传输和采集, 在桥梁的不同位置设置原始数据采集设备进行桥梁实时状态的监测。原始数据采集设备如下:

(1) 风力风向监测设备

成桥后风荷载是桥梁结构的主要动力荷载之一。在风荷载作用下, 桥梁的主要构件索、梁和塔都将产生振动, 引起疲劳损伤累积, 导致桥梁抗力衰减。通过监测风速、风向, 统计最大风速值、风荷载脉动特性及风功率谱密度等, 可以得出结构的风与结构响应关系, 从而对结构进行风致振动的分析。

(2) 环境温度监测设备

通过环境温度的监测, 可以分析环境温度对结构静力响应的影响, 以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态;可以分析环境温度对振动特性的影响, 以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确;可以预测可能出现的极限环境温度荷载。同时, 空气湿度对结构的耐久性影响也较大。环境监测中温度和湿度的监测对于分析结构状态和结构损伤发展状态是重要的参数指标, 另外温湿度监测可以为系统采集站设备的工作环境控制提供参考数据。

(3) 结构温度监测设备

构件温度的分布状况将直接影响到结构的变形和内力状态, 构件温度场中的温差效应的实际分布也是设计单位关心的一个重要结构参数 ;对结构温度分布情况的监测可以用于分析结构温度场对结构静力响应的影响, 以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态 ;可以帮助分析结构温度场对振动特性的影响, 以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确 。因此温度荷载的监测可以帮助考察可能出现的极限温度场荷载 , 为结构分析提供帮助。另外温度场监测可为部分监测设备做温度补偿。

(4) 地震监测设备

地震荷载的监测是指在地震事件或船舶撞击下监测大桥桥址处的地震动加速度时程及其频谱, 为结构整体和局部的动静力响应及灾后评估提供依据, 为大桥管理部门处理突发事件提供资料。

(5) 动态交通荷载监测

交通荷载的监测一方面可以对运营期大桥的交通量进行统计, 对过桥的车辆轴重、速度、车长进行动态实时监测, 当车辆超载时可给出预警。另一方面, 车辆交通荷载的监测可以为结构响应大小提供对比的参照, 提供桥梁是否处于无车辆活荷载的近似恒载的判断依据, 作为桥梁恒载状态对比分析的前提条件。

(6) 结构应变监测设备

对构件应力的监测可以分析求解出测点的应力状况。结构的应力是重要的结构局部信息, 一旦应力超限, 便可能导致材料开裂或破坏, 进而导致构件和桥梁的破坏。应变指标是运营期间安全性预警的重要信息, 也是结构状态分析的参考信息, 尤其对一些关键的结构部位 (如主梁跨中、主梁支座顶部、桥塔根部等) , 必须对其进行监测。

(7) 主梁挠度监测设备

桥梁主梁挠度直接反应了主梁当前的整体受力状态, 桥梁挠度也是监测系统预警和安全评定的主要指标。

(8) 索塔倾斜监测设备

桥塔是斜拉桥的主要承重构件, 桥塔一旦出现较大倾斜, 整个斜拉桥会有倾覆的危险。另外桥塔沿桥纵向倾斜也是索力不均匀分布的表现。

(9) 主梁及索塔空间变位监测设备

主梁和索塔的空间变位是反映大桥安全状态及进行内力状态评估分析的重要参数, 是结构安全预警的重要指标。

(10) 整体位移监测设备

斜拉桥主梁在温度作用下会发生纵向变形, 这种纵向变形将通过伸缩缝处主梁端部位移来反映。伸缩缝处主梁端部位移与温度之间具有一定的对应关系, 通过监测可以掌握主梁纵向变形情况, 如果主梁的纵向变形异常 (变形未被释放) , 则会导 致主梁出现较大的温度应力, 这对主梁安全将产生危险。

(11) 斜拉索索力监测设备

斜拉索是斜拉桥最重要的受力构件, 斜拉索索力的变化直接反映桥梁结构受力状态的变化, 关系到整座大桥的安全, 通过索力的监测能够为运营期间的安全性提供直接的预警信息和状态评估信息。

(12) 动力特性监测设备

桥梁动力特性参数的变化 (频率、振型、模态阻尼系数) 是桥梁构件性能改变的标志。桥梁的振动水平 (振动幅值) 反映桥梁的安全运营状态。桥梁自振频率的降低、桥梁局部振型的改变可能预示着结构的刚度降低和局部破坏, 是进行结构损伤评估的重要依据。

(13) 腐蚀监测设备

桥墩支撑着整个桥梁, 一旦出现问题, 后果极其严重。桥墩所处位置环境恶劣, 各种腐蚀因素会导致桥墩混凝土耐久性降低, 通过对桥墩处混凝土耐久性CL-腐蚀进程监测, 能及时掌握桥墩混凝土的腐蚀程度, 在腐蚀速度过快或腐蚀程度过大时可及时进行补救。

在桥梁现场设置的工作站进行数据转换后, 将光信号和模拟信号转换成数字信号, 通过光缆传输到监控分中心, 在现场的工作站设置一套同步时钟系统, 以保证各个设备采集数据的同时性。

2 软件部分

健康监测系统要实现全桥整体状态的监测, 离不开最后软件系统的数据分析与处理, 其中, 又可以把软件系统分为三大块, 分别是:

(1) 数据采集与传输系统

数据采集与传输系统是整个健康监测系统实现的首要条件, 通过这个子系统, 实现了对传感器信号的采集、处理、存储、传输与显示功能, 现场设备与数据服务器紧密联系, 可以随时对所需要的数据进行调用。

(2) 数据处理与分析系统

这个子系统是桥梁健康监测系统的核心, 它完成桥梁巡检、养护管理及预警功能, 实现巡检动态数据的录入、存储、导出、上传功能。达到桥梁健康监测系统要求的数据接收与处理服务器上的数据传输、数据下载、数据处理及数据存储等功能, 并通过 WEB 统一门户形式, 提供给用户使用。

(3) 数据库管理系统

根据系统运行数据的规模和系统功能要求, 数据库管理系统利用数据库软件, 作为结构健康监测系统数据存储及共享的平台。这个子系统是整个系统的基础。

软件部分三个子系统实际上是密不可分的, 系统进行数据分析, 不仅仅是自动采集的, 也包括人工巡检后录入数据库的数据。其中桥墩变位、斜拉索索力、斜拉索探伤、钢结构焊缝探伤、腐蚀、混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土裂缝测量、桥面线形、桥面状况、混凝土表观状况、钢结构状况、斜拉索状况、阻尼器状况、伸缩缝状况、支座状况、桥梁的抗震设施、人行通道、护栏状况、其他设施状况等都需要人工巡检后录入。

3 桥梁健康监测系统总体运行

桥梁健康监测系统由外场设备进行数据的采集, 由软件进行数据的归纳分析, 对桥梁的整体状态进行评估, 并根据桥梁的初始状态暨通车前交工后的状态和正常运营时的状态进行对比, 设定桥梁危险信号的预警值, 当系统分析桥梁不安全时, 会自动发出警报, 实现尽早发现、尽早处理的管理方式, 可以提前规避重大事故的发生。

4 桥梁健康监测系统的发展前景

桥梁健康监测系统是电子化数据自动检测与传统人工巡检结合的结果, 它的出现大大降低了桥梁因为不注意的异常情况而发生事故的可能性, 减少了国家经济和人民生命财产的损失, 这是桥梁安全的一大进步, 值得我们普及与推广。

而且甬江大桥健康监测系统使用了对桥梁裂缝监测的技术, 通过表面浅埋分布式光纤进行桥面板裂缝的监测, 区别于传统的BOTDA检测技术, 测量精度大大提高, 这也是健康监测技术的一种进步 (由于原理复杂, 这里不做赘述) 。

由此可见, 健康监测系统降低了运营成本, 减少了人工误差, 节省了大量的人力物力, 大大加强了桥梁健康检测的精确度, 走在了桥梁健康监测的前列, 将会越来越进步, 越来越普及。

5 结束语

健康监测系统 篇5

载人航天器推进系统健康监测的组件技术研究

为了适应载人航天器推进系统多发动机的.分布式结构,提高健康监测系统的可靠性,应用组件技术构造了分布式多智能组件集成的健康监测系统,给出了组件之间的协调修正和决策算法.原型系统仿真结果表明,该技术比传统的面向对象(OOP)技术更适用于分布式系统,可应用于载人航天器推进系统的健康监测.

作 者：宋政吉 姜兴渭 黄文虎 SONG Zheng-ji JIANG Xing-wei HUANG Wen-hu 作者单位：哈尔滨工业大学,航天学院,黑龙江,哈尔滨,150001刊 名：推进技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY年，卷(期)：21(5)分类号：V430关键词：航天器推进 发动机故障 故障检测 分布式结构

美国用无线监测人体健康 篇6

今年3月初,美国联邦通信委员会(FCC)发布了首个全国性宽带计划,其中一个重要组成部分是,提议为新的医疗人体域网(Medical Body Area Networks,MBAN)分配专用频谱,此项计划还包括针对这种网络的潜在服务和技术规则。

在家监测健康数据

要是为无线医疗网络分配无线电频谱的提案获得批准,许多病人也许再也不需要为了让大型医疗器械监测健康状况而大老远跑到医疗保健机构。相反,他们通过小型一次性无线设备,就可以连接至监测系统,不但降低了成本,还减少了感染和临床失误的风险。

联邦通信委员会目前正在征求公众对该计划的意见,这项计划最早是由通用电气公司的医疗保健部门提议的。联邦通信委员会表示,MBAN将用于构建无线人体传感器网络,从而监测病人的生理数据,比如体温、脉搏、血糖含量、血压和呼吸等。传统的医疗遥测系统需要针对每一种人体机能使用不同的网络链接,与此不同,无线MBAN系统则可以监测所有需要监测的机能,然后把结果汇总起来,传送到远地进行评估。

尽管联邦通信委员会的计划要求MBAN频谱最初只用于医院,但医疗器械厂商们表示,从长远来看,这些频谱可以用于家庭,80%的保健服务是在家里提供给病人的。飞利浦医疗保健公司MBAN和无线策略主管Paul Coss强调,病人可使用诸如Wii或任天堂视频游戏平台之类的家庭娱乐系统,帮助收集医疗数据,然后传送到医生可以访问的服务器。

Coss强调,除非无线监测设备足够便宜,以便医院不需要病人拿回来,并且足够牢固,可以在整个治疗期间维持正常工作,否则MBAN不适合用于家庭。一些厂商表示,监测设备可能相当于创可贴或裹伤布,每个成本低至5美元到10美元。

波段有争议

与蓝牙一样,MBAN也将使用短程无线电波、而不是电缆来进行短距离通信。MBAN所需的带宽分布于2360M~2400 MHz、2300M~2305 MHz、2395M~2400 MHz、2400M~2483.5 MHz或5150M~5250 MHz,邻近蓝牙设备所用的带宽。

先进医疗技术协会的企业沟通副总裁助理Mark Brager说:“你希望这些设备在合理的成本范围之内,而这个带宽邻近蓝牙带宽,所以它让你可以使用常用的发射器芯片。”先进医疗技术协会是竭力希望MBAN频率范围获得通过的组织之一。

拟议中的MBAN频率目前由几家私营和公共组织用于航空移动遥测和联邦无线电定位任务,业余无线电用户也使用该频率。由于航空业在飞机测试期间使用这些波段来发送遥测信息,所以它们竭力阻挠MBAN要求使用相应频谱的提案。Coos说:“我们希望,确保自己不影响航空业使用现有这个波段,将会采取措施确保我们不会干预这个波段。”

无线医疗变革将至

有了MBAN,加上消费类保健电子产品的兴起,比如便携式心电图仪设备、血压监测仪或体重器,病人无论在家里、在单位还是在路上,都可以轻松获取健康数据,并传送给医生。比如说,便携式心电图仪的重量只有3.5盎司,让门诊病人可以记录心脏电子信号,并将结果传送给医生。

微处理器技术的进步预计会让这些设备可以无线连接家用电脑、手机,或者甚至连接远程互联网应用。现在正开始出现的其他无线医疗技术也有望使用MBAN。

比如说,医疗保健专家们表示,开发可监测及传送生命体征和病人位置的绷带和腕带的工作正在进行之中。这项技术还可应用于新兴的具有数据库功能的工具中,比如可将数据传送到中央数据库的血糖监测仪。

再比如说,有些工具可以使用这种网络不断监测病人生命体征,能在葡萄球菌感染导致脓毒症之前迅速查明这种感染。据拯救脓毒症运动组织(Surviving Sepsis Campaign)声称,美国每年死于脓毒症的大约有20万人。孟菲斯北部医院的质量和绩效改进主管Paula Jacobs表示,两年多来,这家拥有280个床位的医疗机构一直在使用脓毒症早期监测技术,已将脓毒症引起的死亡数量减少了17%,相当于每个月挽救6个病人。

据从事医疗数据挖掘的MedMined公司声称,医院感染导致每个病人要花费2000~12000美元,全国共花费115亿美元。Coss表示,“使用一次性设备可以大大降低被感染的风险,能够利用无线技术及早发现疾病发作的前兆,那么医生就能早早干预,不但大大降低了医疗成本,还大大改善了治疗效果。”

陈金雄:论CIO领导力

自主与引进

福州总医院信息化建设经过多年探索,已经走出了一条统筹规划、以我为主、内外联合、军地兼容、高效低耗的建设路子。

1.以我为主

随着信息技术的快速发展和需求的不断深化,过去那种基本依赖医院自身力量开发的路子肯定走不通,但社会化保障不等于完全市场化,不等于完全放任不管,必须是在统筹规划、以我为主和统一标准的前提下进行开发,特别是那些涉及医院核心流程和关键业务的系统更要进行统筹规划并制定统一标准。即使是那些局部使用的系统,也要对数据项、名称及代码等进行规范。

2.内外联合

医院信息化建设是一项非常复杂的系统工程,需要用到非常多的高、精、尖的技术。而受体制编制的影响,医院信息化人才总体上是非常欠缺的,特别欠缺能解决核心和关键技术的高层次人才,医院完全依靠自身技术力量,信息化建设很难向深层次发展。只有加强与一些有实力的公司,特别是与有实力的大学进行深度合作,才能推动医院信息化向深层次发展。内外联合采用三种方式:

一是直接购买,对于那些非常成熟、技术含量又比较高的项目如PACS、LIS、病程记录编辑器等应该采用直接购买的方式,可以迅速提高医院的信息化程度。

二是合作开发,对于那些技术含量高、有较好发展前景,但又不是很成熟而且独立开发有一定难度的项目可以采用合作开发的方式。这样医院可以节省不少费用甚至还有一定的效益,而且还可以申请科研基金甚至申报科技进步奖。

三是外聘技术人员,对于那些医院完全有能力自己开发,只是技术人员不够的项目,或者可以聘用到关键技术人员的项目,应尽量采取以我为主并聘用部分技术人员的方式进行开发,当然要给予外聘人员一定项目经费或工资。这有几个好处,医院拥有全部的知识产权,而且可以节省大量经费,通过市场运作甚至还可以产生利润。

这么多年从事信息化建设,如果说有点成绩的话,个人认为核心就是牢牢把握建设的主动权。从需求分析、建设目标、建设内容、技术架构、队伍建设、人才培养、科室管理等方面都要有清晰的思路和定位。

栏目主持:谭啸 tan_xiao@ccw.com.cn

网址:www.chinanewhealth.cn

隧道支护体结构健康监测系统的构建 篇7

近年来, 我国的建筑工程行业获得了很大的发展, 其在很多建筑结构施工中都应用了先进的施工技术, 在施工方法上也进行了改变, 因此, 对隧道工程施工的结构安全性进行监测成为了检验隧道安全的重要措施。隧道施工取得了很大的进步, 同时, 在施工健康监测方法也取得了很大的进步, 对现有的施工技术情况进行掌握, 更加系统和全面的对采集传输进行更好的利用, 在进行采集的时候, 可以对施工现场的化学成分相关信息进行收集, 然后对施工过程中可能存在的风险进行识别, 这样也能提高监测的准确性。隧道施工过程中, 一定好保证施工的安全性, 这样不仅仅能够更好的提高施工企业的信誉, 同时, 也能促进隧道工程建设获得更好的发展。现在, 对隧道施工进行监测是有一些方法的, 隧道施工安全监测与其相比存在很大的差别, 其在发展过程中实现了更加系统、全面的发展, 经济性方面也非常好。

2 隧道施工健康监测系统组成探讨

隧道健康监测系统在利用过程中实现了在施工前、施工中和施工后的健康监测, 在施工前, 健康监测能够对出现的风险进行识别, 同时, 也能将出现的风险进行排除;在施工中, 健康监测能够对施工中出现的任何情况都进行了解;在施工后, 能够保持观测角度对隧道健康监测系统进行分析, 对系统的组成情况进行掌握。

隧道是非常特殊的施工工程, 在施工过程中面临的问题也非常多, 对出现的问题及时发现进行处理, 对保证施工的安全性非常有利。在施工前, 对开挖的风险进行监测, 同时进行提醒, 这样能够促使整个施工是在安全控制状态下进行施工, 施工前要对施工地点的地质进行分析, 在确定没有安全隐患的情况下, 制定施工组织计划, 避免出现盲目施工的风险。隧道在施工过程中, 开挖工程具有的风险非常大, 开挖过程中非常容易遇到瓦斯、地下水以及地质构造破碎的情况, 为了更好的提高安全性, 在施工中可以对先进的技术进行利用, 对提高隧道施工工程的监测和应急能力非常有利。

对施工人员和施工设备进行监测, 对可能出现的风险可以进行有针对的预防, 监测风险的时候也能提高其处理的速度。隧道施工现场可视监控系统, 能够对施工现场的情况进行实时的反映, 因此, 相关的管理部门也能更好的对施工情况进行指导。隧道施工人员和设备的使用都要满足安全施工规范, 这样能够确保隧道施工的安全性。隧道施工过程中, 其施工质量的好坏和构造的尺寸以及位置有很大的关系, 因此, 对构造的尺寸和位置要进行有效的控制, 在施工中对其进行很好的观察, 对出现的问题及时解决。

3 隧道支护与围岩结构体系分析

对施工经验进行总结, 得出了理想的支护体结构, 其应该满足两个方面的要求, 要保证支护体能够和周围的围岩紧密的结合, 这样能够将支护结构和围岩作为一个完整的结构进行施工;支护体在使用的时候要能够和围岩共同产生形变, 而且这种形变要保证是有限的, 支护体要能够对围岩的变形量进行控制, 对围岩的承载能力进行充分的利用。因此, 隧道施工中, 支护体的结构采用了柔性支护结构, 这样能够和围岩实现紧密联系, 同时, 也能给围岩提供必要的支护能力。

支护体钢构件通常是钢拱架和格栅拱架, 钢拱架一般都是由槽钢或者是工字钢弯制而成, 而格栅拱架通常是由螺纹钢筋弯曲焊接而成, 这种钢结构虽刚度非常低, 在施工中, 对围岩的支撑效果也不明显, 但是, 其在施工中能够和混凝土紧密结合为一体, 能够形成完整的钢筋混凝土结构, 对提高支护结构的刚度有非常明显的效果, 同时, 也能更好的发挥结构的施工作用。格栅拱架在施工中非常的方便, 重量也非常轻, 因此, 在安装过程中也具有很多的优点。刚度较大的拱架能够在支撑效果方面非常明显, 同时, 也能避免出现围岩早期变形的问题。型钢结构拱架在施工中具有很多的优点, 但是, 其在制造过程中要面临很多的问题, 其在制作过程中由于本身的刚度较大, 弯曲的过程比较困难, 而且, 重量方面也比较大, 在搬运和安装过程中要面临的问题非常多, 因此, 钢拱架一般都是应用在特殊地质结构中, 避免出现围岩早期变形过大的问题, 同时, 在稳定性方面也能发挥很大的效果。

4 针对隧道支护体的健康监测技术分析

4.1 隧道支护体健康监测系统的组成

实际的监测系统一般应包括以下几个部分:现场监测。由就地安装的现场传感器和自动采集单元构成, 结合目前先进的传感技术, 利用先进有效的信号处理技术, 实现数字化的信号采集和分析处理。通信与传输。在隧道里利用各种有线和无线传输方式, 结合网络等远程传输设备将数据传输到监控中心。通过各种检测方法对隧道结构的变形与受力情况进行监测, 及时提供围岩沉降和变形信息, 及时预见事故和险情。

4.2 隧道结构健康监测参数

隧道结构健康状态监测需要从隧道结构中提取能反映结构特性的参数信号, 如应力、应变、温度、变形、位移等信号, 所以隧道结构安全监测主要应该集中在以下方面。监测位移, 为了了解隧道断面的变形情况可以检测隧道的周边收敛、纵向位移及洞口地表沉降等位移情况, 依此来判断隧道结构的稳定性。

5 支护体健康监测系统设计

隧道支护体结构健康监测不同于目前工程上常用的应力监测, 旨在监测支护体内部受力钢结构是否与设计位置一致、受力钢构件细部结构是否受到损害、施工完成后乃至运营期间, 位于复杂地质结构处的结构体是否稳定无变形。即系统应该包括三个子系统:支护体结构完整性检测、支护体结构损伤监测以及支护体拱顶变形沉降监测。为实现系统目标, 设想三个子系统技术实现总体思路及要解决的技术关键分别是:支护的结构完整性检测子系统:拟利用在隧道地质超前预测时得到的隧道两侧的雷达波数据, 通过杂波抑制处理和参数估计得到支护的完整性信息。该方面的技术关键在于如何提高接收振动反射波的识别质量, 形成易于操作、效果好的构造物定形定位技术。支护体结构损伤监测子系统:该系统目的是实现较为精确的支护体结构是否受到损伤监测值, 为后续施工和防护提供有效的数据支持。支护体沉降变形监测子系统:该子系统目的是较传统隧道变形监测方法在测量精度、设备组成与安装上进行简化。技术关键是设备组装与分析集成技术。

6 结束语

文章对隧道施工前期存在的安全风险进行分析, 对隧道施工健康监测系统构成进行分析, 对影响健康监测的问题进行深入讨论, 对支护体结构的重要性和支护检验的必要性进行分析, 提出了隧道结构健康监测系统的总体设计方案和技术措施。

摘要：结构健康监测是为了实现结构无损伤监测, 在这个过程中使用了很多的方法对现场无损传感器采集到的数据进行结构系统特性分析。隧道结构和其他建筑形式存在着很大的不同, 因此, 在施工中, 隧道支护体和围岩之间存在着相互作用的情况, 而且情况比较复杂, 这样就导致结构健康监测在隧道施工中应用非常缓慢。随着新技术和新理论的出现, 隧道结构也发生了很大的改变, 对其进行结构健康监测也慢慢成为了隧道安全管理中非常重要的组成部分。

关键词：隧道支护结构,健康监测系统,构建

参考文献

[1]林强.隧道支护体结构健康监测技术研究[D].长安大学, 2010.

[2]李明.山岭隧道与地下工程健康评价理论研究及应用[D].西南交通大学, 2011.

[3]丁勇, 施斌, 隋海波.隧道结构健康监测系统与光纤传感技术[J].防灾减灾工程学报, 2005, 04:375-380.

一种远程裁断机健康监测系统 篇8

关键词：裁断机,健康监测,信号采集,远程监控

柔性材料裁断机械是制鞋业、箱包业、服装业生产的一种重要设备, 大量机械设备的投入是相关企业提高生产效率、降低生产成本的重要手段。 由于这些机械是现代化连续大生产过程中的关键部分, 一旦发生故障造成停机, 不仅使其本身遭受重大损失, 而且有可能造成连续生产中断, 甚至停工停产, 有的还可能带来灾难性后果[1,2]。

因此, 如何及时掌握设备运行状态则是保证现代化连续大生产的重要保证, 网络技术和现代通讯技术的不断发展成熟, 为裁断机远程诊断技术提供了技术基础, 可以使专家们能通过网络及时了解裁断机械的运行状态[3]。一旦出现故障, 现场的故障数据或故障分析图谱可以很快的传给专家, 专家分析完毕后再返回诊断结果, 指导现场人员处理现场情况。

远程裁断机状态监测技术使人们摆脱距离的束缚, 可以在异地及时地查看设备的运行状态, 改进了企业的设备管理模式[4,5], 设备运行中形成了大量详实数据和各类图谱为企业的故障诊断技术支持打下坚实的基础。

本项目开发了一种皮革裁断设备的远程健康监测系统, 通过物联网技术的智能感知, 可以获取裁断设备的健康状况, 而且为以后的故障诊断提供样本, 大大加快了故障的处理效率。

1 总体技术方案与软件结构

裁断机在正常工作时, 需要对压力、温度、噪声以及振动等各种参数进行监测, 以判断其工况, 因此要开发底层数据采集接口硬件, 实现数据采集, 为了加强对产品的集中监测及售后维护, 各状态参数需实时上报至远程监测中心进行分析, 需要开发基于Internet网络的远程监测软件平台, 通过Internet实现对国内外各地裁断设备的运行状态进行监控。 为了保证远程监控终端能够访问服务器, 远程中心服务器需配置一个固定的IP地址, 接入Internet, 鉴于上述分析, 系统平台的总体结构如图1 所示:

上述网络结构主要分为三部分:

(1) 现场信号采集及通信 (简称为采集通信端) , 主要利用物联网技术, 建立现场信号的无线传感器网络, 各传感器节点采集设备运行参数, 并以无线的方式将数据发送至汇集节点, 汇集节点接入Internet, 并将各数据发送至远程;

(2) 本地在线监测与诊断站 (简称本地机) , 主要为本地机提供设备的运行状态监测及分析诊断功能, 并将运行数据保存在本地;

(3) 远程监测及故障诊断中心 (简称远程中心) , 基于Internet的互联网应用, 是本地机监控系统在空间上的延伸和拓展, 为远程客户提供基于IE浏览器的快捷访问, 完成对远程软性材料裁断机设备的远程在线监测及故障诊断, 其软件结构如图2 所示。

2 现场信号采集硬件设计方案

现场信号的采集是通过传感器网络节点来实现的, 节点是采用TI公司的CC2430 芯片为核心, 结构如图3 所示, 温度、位置和力等模拟信号送入到CC2430 中转换成数字量, 再将这些信息通过天线发送至汇集节点, 这些信息也可以在现场的LCD上显示出来。

网关结构如图4 所示, 汇集节点将数据传送至嵌入式计算机中, 嵌入式计算机一方面对3G模块进行设定与管理, 使传感层接入Internet并实时监测掉线, 保证实时在线, 以防传送中断, 另一方面先对汇集节点传送的数据做FIFO处理, 保证数据不会丢失。

3 系统测试与应用

该系统进行了多次测试并实际投入使用。大量的运营数据分析表明, 该系统满足实时性、准确性和经济性的要求。 实验中, 测得的多个监测点的实时波形图如图5 所示, 可以实现多裁断机工作状况的远程监测, 可以设置远程监控系统的不同周期通, 兼顾3G通讯流量费用和系统运营成本, 系统具有CRC检验功能, 可保证通讯数据的准确性。

4 结论

软硬件调试及性能测试表明了本系统运行稳定, 可靠性好、稳定性高扩展性好, 可实现裁断机的全自动化及管控信息化、网络化。此系统很好地解决了裁断机分散度高、信息化管理水平偏低、设备维护成本高、专业人员需求量大、自动化控制不完善等现状问题。系统在保证各项性能稳定的前提下, 使裁断机工况信息的及时得以掌控与把握提高企业设备管理水平。

参考文献

[1]王法龙, 郑明辉.应用于裁断机中无刷直流电机调速系统的智能算法研究[J].电子设计工程, 2015 (2) :91-93.

[2]陈志红.PLC变频器技术在裁断机升级改造中的应用[D].大连理工大学, 2014.

[3]郭然.液压摇臂裁断机的技术改造及应用[J].机械研究与应用, 2013, 26 (6) :156-158.

[4]雷志鹏, 宋建成, 李艳伟, 等.基于Lab VIEW的工作面输送设备远程监测与诊断系统设计[J].工矿自动化, 2012 (10) :1-6.

[5]许重建.机械设备远程监测与故障诊断系统的设计[J].科学之友:下, 2012 (9) :10-11.

健康监测系统 篇9

关键词：隧道,健康监测,布拉格光纤光栅

0 引言

我国隧道工程建设方兴未艾, 由于其交通运输的枢纽作用, 其安全对于铁路、公路的正常运营起着至关重要的作用。在复杂的工作环境中, 由于受到设计荷载的作用以及各种突发性外在因素的影响, 隧道结构受到损伤累积, 结构安全受到威胁。因此, 重要的隧道工程安全监测与健康评定显得越来越重要。

新近发展起来的布拉格光纤光栅传感技术通过栅格反射波长的移动来感应外界物理量的微小变化, 具有线性程度高、重复性好, 可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量的优点;同时也可集合成阵列式分布传感系统, 通过波分和时分复用技术来测量外界应力场作用下大量待测目标的空间与时间特征。光纤光栅传感技术由于具有很多传统检测技术所不具备的优点而被认为是未来隧道结构健康监测的首选传感形式, 这一尖端技术在隧道应变监测和健康诊断中具有广阔的应用前景。

本文主要介绍布拉格光纤光栅传感技术在隧道工程安全监测中的应用。

1 隧道结构健康监测

结构健康监测是新发展的技术, 目前比较流行的定义是:利用现场的无损传感技术, 通过包括结构响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤或退化的目的。

由于结构健康监测在大型基础工程中的广阔应用前景, 各国都已经在积极开展该项技术的应用研究。在世界各国政府的支持和研究机构的努力下, 结构健康监测正逐渐成熟起来, 并在航空航天、桥梁、建筑物等各领域取得了阶段性的成功, 部分成果已经应用在了工程实践当中。

隧道的构成体系, 尤其是以新奥法为代表的现代隧道构成体系, 并不是单纯的钢筋混凝土结构, 围岩在隧道结构健康中扮演了极为重要的角色, 这也正是隧道结构健康监测区别于其他如桥梁结构健康监测的一个本质特征。隧道在本质上是围岩和支护结构的综合体。在通常情况下, 围岩是主要的承载单元, 而支护结构是辅助性的, 但也是不可缺少的, 在某些特殊情况下, 支护结构也是主要的承载单元。支护结构的基本作用在于:保持坑道断面的使用净空;防止围岩质量的进一步恶化;承受可能出现的各种荷载;使隧道支护体系有足够的安全度[1]。

因此, 在进行隧道结构健康监测时, 要综合考虑围岩与支护结构的变形以及相互作用, 这是隧道结构健康监测的主要对象, 而判断隧道结构健康的标准便是隧道的稳定性。所谓“隧道稳定”一般是指坑道周边变形速率呈递减趋势并逐渐趋近于零, 其最终位移不侵入限界, 支护结构不出现影响正常使用的裂缝和破损, 更不能发生大范围的坍塌。

根据上述隧道支护系统的特点以及隧道结构健康的标准, 可将隧道结构健康监测定义为“利用现场的无损传感技术, 通过隧道系统的特征分析, 检测隧道支护系统损伤 (或退化) , 分析发生损伤 (或退化) 的地点、程度和原因, 并对隧道整体的健康状态作出评价”。按照这个定义, 一个完整的隧道结构健康监测系统就应当由监测、诊断和状态评价三个部分组成。

2 光纤布拉格光栅原理及其在隧道监测中的应用

2.1 光纤布拉格光栅原理

光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导, 通常是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内, 并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的基本结构是两层圆柱状媒质, 内层为纤芯, 外层为包层;纤芯的折射率n1比包层的折射率n2稍大, 当满足一定的入射条件时, 光波就能沿着纤芯向前传播。光纤光栅传感的原理见图1。

光纤光栅传感的原理是:当带宽光源照射光纤光栅时, 满足布拉格条件的光将发生反射, 即:

其中, λB为光纤光栅的中心反射波长;neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅的周期。从式 (1) 可以看出, 任何能够改变光栅有效折射率或光栅周期的物理量都能改变光栅中心波长。应变 (或应力) 和温度是最能直接显著改变Bragg光栅波长的物理量。其引起的光纤光栅Bragg波长的漂移可表示为:

其中, ε为光纤布拉格光栅轴向应变;ΔT为温度变化量;pe为有效弹光系数;ζ, α分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数。当Bragg光栅受到外界应变 (或应力) 作用时, 光栅周期会发生变化, 同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化;当Bragg光栅受到外界温度影响时, 热膨胀会使光栅周期发生变化, 同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。目前已有的基于光纤Bragg光栅的各种传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长, 达到测试被测物理量的目的。鉴于此, 充分研究光纤Bragg光栅的应变与温度传感特性、灵敏度误差、应变传感的温度补偿技术以及应变与温度的耦合效应是研究开发光纤光栅传感器的基础

2.2光纤光栅传感器在隧道健康监测中的布设

光纤光栅传感器是结构健康监测及诊断系统的重要组成部分, 主要指铺设在结构物表面或者埋设在内部的光纤, 这部分光纤既是应变传感器, 又是传播媒介。由于隧道已经建成, 这些传感器全部布置在隧道拱圈内壁和边墙上[2]。根据测量的需要, 主要采用以下三种传感器:1) 分布式传感器。2) 定点传感器。3) 温度传感器。

根据测量的实际需要, 还可以设计其他类型的传感器。从上述光纤传感技术的原理和应用可以看到, 光纤传感技术具有许多传统隧道监测手段所不具备的优势。光纤既是传感介质也是传输介质。作为传感介质的光纤, 具有测量敏感性高、性能稳定的优点;而作为传输介质的光纤, 在传输过程中不受电磁干扰、信号损失量小, 传感光纤可以直接通过光缆连到控制监测中心, 这样就可以实现远程分布式监测。因此, 光纤传感技术比传统方法更适合于在恶劣的隧道环境下工作, 进行长距离的远程监测[3]。

3结语

隧道结构健康监测既要监测隧道的支护结构系统, 还要对隧道围岩的应力、应变状态和工程性质进行监测, 从这一意义上说, 隧道结构健康监测系统实际上是地质工程健康监测系统。由于监测技术方面的困难, 目前该系统在发展程度上还落后于桥梁等结构物的结构健康监测, 在相当程度上还停留于施工监测的阶段。随着光纤光栅传感技术在隧道监测中的应用, 可以预计, 隧道结构健康监测与安全评价系统将在隧道管理中发挥越来越大的作用, 一个隧道数字化时代正在来临。

参考文献

[1]丁勇.隧道结构健康监测系统与光纤传感技术[J].防灾减灾工程学报, 2002, 25 (4) :5-6.

[2]厉呈伟.隧道结构健康监测及诊断系统应用研究[J].山东交通学院学报, 2005, 15 (4) :8-9.

[3]徐玉桂.浅谈光纤传感技术在隧道结构健康监测中的运用[J].南京市政, 2006 (2) :11-12.

健康监测系统 篇10

重大工程结构, 如跨江跨海大型桥梁、大型空间结构以及具有特殊用途的建筑结构等的建设一方面发展了工程结构的建造水平, 同时也给结构的设计、服役过程中的维护检修等提出了巨大的难题。由于这些重要工程结构的意义重大, 其设计使用年限一般较长, 在长时间的环境侵蚀、振动作用以及疲劳效应等随机灾害作用下, 必然将导致结构出现局域性的损伤。考虑到微小范围内的损伤并不能使结构发生倒塌破坏, 但随着损伤的累积, 结构的抗力和寿命下降, 从而给重大工程结构的安全和稳定性留有隐患。如何实现对重大工程结构的运营状态进行实时监测和损伤诊断, 从而保障重大工程结构在服役期内安全、可靠地运营是健康监测研究中的一大难题。

近年来, 针对这一问题, 工程界及大量研究学者们提出结构全寿命健康监测的概念, 并在一些重大工程中开始付诸于应用实践。根据Housner的定义[1], 结构健康监测系统可表述为:基于大量传感测试设备, 基于现场实时监测方法从服役结构运营状态中获得结构响应数据, 据此评判结构或构件因损伤或退化导致的主要性能指标改变的有效方法。根据这一定义, 在工程结构中建立健康监测系统时, 系统组成主要包括:传感器子系统、数据采集和传输子系统、结构损伤识别和评估子系统、数据管理子系统[2], 如图1所示。

传感技术、无线通讯技术以及信号采集与处理等科技日新月异的发展, 使得土木工程领域的健康监测与损伤诊断研究面临一个新的发展机遇[3]。如何有效地融合这些新技术, 使重大工程结构的健康监测系统能够在实际操作中普遍应用, 从而能及时的发现结构异常并准确的损伤定位, 为结构的安全提供可靠的保障是目前研究的热点。文中从大跨度桥梁结构、空间结构、海洋平台结构及水利工程结构等几个方面介绍了已成功应用于重大工程结构中的健康监测系统, 综述了健康监测系统的研究及发展现状, 最后展望了对健康检测系统中有待进一步研究的问题和重大工程结构健康监测系统的发展应用趋势。

1 大跨度桥梁健康监测系统的工程应用

大跨度桥梁结构在服役期内长期承受着循环动力作用 (风力作用, 列车行走及地震作用) , 循环负载条件将会导致某些节点局部高应力部位发生疲劳累积损伤, 从而导致节点区域萌生出疲劳损伤[4]。随着裂纹的扩展, 桥梁薄弱部位可能会发生脆性断裂而降低大跨度桥梁的安全性能, 因此, 对大跨度桥梁的健康监测对于保证其在设计使用年限内的安全运营具有重要意义。

各国学者对桥梁结构的健康监测工程应用进行了相关的实践。丹麦学者对Faroe跨海斜桥进行了施工和运营监测, 以检查该桥的关键设计参数, 并为后续健康监测系统的升级维护提供依据[5];挪威学者在Skarnsundet斜拉桥上进行了数据采集系统的应用研究, 以实时监测该桥的风压荷载、温度变化及振动信息等[6];英国在Foyle桥上安装了大量传感测试设备, 以监测该桥运营期间的行车荷载、风致振动及温度场变化信息[7];美国给已建成60多年Michigan Street桥上安装了远程健康监测系统, 以实现对该桥损伤状态及安全性能的监测。

近年来, 国内对一些新建大型桥梁结构的健康监测开展了一系列的研究。刘西拉等[8]在国家科委攀登计划的资助下, 针对上海徐浦大桥工程, 开发和安装了我国第一个大型桥梁健康监测系统。在该健康监测系统中, 可实现桥梁行车荷载、不同跨度截面应力应变响应、桥梁斜拉索振动状态的实时监测和分析, 采用多尺度传感器子系统的集成应用技术较好的实现了对结构不同结构响应和安全状态的连续性实时监测。

中国香港青马大桥是连接香港市区和大屿山国际机场的主要通路 (见图2) , 也是目前世界上最长的公路铁路两用悬索桥。为了保障桥梁的健康运行, 研究人员在其建设过程中安装了较大规模的结构健康监测系统。该系统可实现风、车辆和温度等荷载和环境作用的实时监测和数据采集[9,10]。为了从实时测试响应中分析青马大桥的运营状态并据此实现损伤识别和评估, 研究人员在青马大桥上约永久性地设置了800个传感器。除此之外, 香港青马大桥健康检测系统还包括了数据分析和数据管理系统, 已完成的青马大桥健康检测系统能有效的对整个桥梁结构的各个关键结构件的安全状况进行实时监测和分析。

李惠等[11]以山东滨州黄河公路大桥 (三塔四跨斜拉桥) 为工程背景, 基于Lab Windows/Lab VIEW软件平台建立了滨州黄河公路大桥健康监测系统。在该健康监测系统中, 由Lab Windows Lab VIEW核心软件总体控制健康监测系统中各个子系统的交互运行和数据传输, 成功实现了基于开放式网络平台且具有远程管理功能的实时在线智能健康监测系统。

李爱群和缪长青等[12]针对润扬大桥设计了大型桥梁的健康监测系统, 该监测系统主要实现以下功能:

1) 润扬大桥运营状态下环境作用变化规律;2) 常规运营状态下主要结构构件响应采集、分析;3) 基于实时测量响应变化的损伤识别及预警;4) 有损伤构件的安全状态及剩余寿命评价。从润扬大桥健康监测系统的运营结果可以看出, 该系统运行稳定, 能较好的实现润扬大桥的实时健康状态监测和评估。

除上述几座桥梁外, 研究者及结构工程师们在南京长江第二大桥, 上海卢浦大桥、珠江口虎门大桥、江阴长江大桥等大型桥梁上均建立适用于桥梁结构的健康监测系统。这一系列健康监测系统的建立为大跨度桥梁的实时安全评估和损伤诊断提供了有力的决策依据。

2 大跨度空间结构健康监测系统应用

风力是大跨度屋盖网架结构的主要设计荷载。风对结构的作用表现出了随机性和长期性, 因此风致破坏是一个损伤累积过程。为此, 建立大型网架结构的健康监测系统, 实时掌握大跨度网架结构的运营工作状态, 对于保证网架结构的安全性具有重要意义。

瞿伟廉等[13]基于深圳市民中心重大工程建立了大型屋顶网架结构智能健康监测系统 (见图3) 。该系统可有效实现大跨度屋盖结构主要风压荷载识别、不同类型风致累积损伤识别及主要构件的安全状态的评价。在建立该屋顶网架大型智能健康监测系统时, 他们采用了“风荷载识别→结构模型修正→正向分析获取”的研究思路, 通过预先存贮网架结构工作状态, 并实时识别调用的方法来实现整个智能系统对整个网架结构的健康监测。

郭祥瑞等[14]针对广州新体育馆钢结构屋架安装监测工程, 提出了广州新体育馆大型屋盖网架施工健康监测方案。他们在施工监测过程中考虑了如下内容:

1) 测点及控制网的优化与实施;2) 监测点观测方法的确定;3) 拆除临时支撑前, 监测点空间位置的观测;4) 拆除临时支撑后, 控制网的复测及稳定性分析、监测点空间位置的观测和数据处理等内容。根据均匀布设在主桁架上以及辐射桁架与主檩条的交汇处的371个监测点的监测数据表明, 在监测工作量大的情况下, 该监测方案作业简便, 测量成果可靠, 满足监测精度的需求。

3 水利及海洋平台结构健康监测系统应用

水利及海洋平台结构是国家水利及资源勘探工作的重要工作基础, 我国渤海湾曾发生过海洋平台结构倒塌的重大事故。因此, 开展相应的健康监测方法及系统集成技术, 对保证水利及海洋平台结构的安全运营具有重要的经济价值和社会意义。针对国内的一些重大水利及海洋平台结构的特点, 研究者们对其健康监测系统进行了应用研究和实践。

2001年, 欧进萍等[15,16]基于中国海洋石油总公司在渤海JZ20-2MUQ钢质导管架式海洋平台结构上的传感监测设备及监测数据, 建立了该海洋平台结构的健康监测系统。该系统包含了结构响应数据采集子系统、结构安全性评定子系统及数据库分析和管理子系统。从运营结构看, 该海洋平台结构的健康监测系统能较好的实现覆冰压力荷载及冰激振动响应的实时监测。

三峡工程是世界上最大的水利枢纽工程, 随着三峡工程的推进, 实时了解和掌握三峡工程中重要结构构件的健康状态对于维护其健康运营具有重大的战略意义。戴会超等[17]基于近年来发展起来的光纤传感技术建立了一套适用于三峡大坝中古洞口面板堆石坝坝面混凝土裂缝的健康监测系统。在安装健康监测系统后, 该系统于1998年两次成功预警了混凝土裂缝损伤, 对于大坝混凝土结构的及时修复起到了重要作用, 也起到了很好的示范作用。

水利及海洋平台结构多为国家重大工程, 有效的实现重大水利工程的全寿命健康监测对保证这些结构在服役期内的安全性至关重要。近年来, 研究者们在一些实际水利及海洋平台结构上建立了整套的健康监测系统, 取得了较好的效果[18]。这些健康监测系统的建立对于实时评估水利及海洋平台结构的安全状态提供了强有力的决策依据。

4 结论与展望

1) 近些年涌现和积累了许多针对重大工程结构损伤健康监测的新方法和新技术, 目前的健康监测系统主要是对于特定的大型工程结构而建立, 通过结构健康监测软件和硬件的集成技术, 以实现实时损伤监测与监控。

2) 工程结构健康监测需要在结构整个服役期内的稳定运营, 且实际结构的损伤形式不可估计, 这对损伤检测方法和传感设备、集成系统的运营寿命等问题提出了较大挑战。保证测试设备的长期稳定性及测试方法及手段的发展是有效实现重大工程结构长期实时健康监测的关键。