桥梁监控传感器助力桥梁和结构健康监测
全球人口正在增长——联合国估计2030年将达到85亿——这增加了对可靠的基础设施的需求，以满足全球公民的住房和交通需求。各种桥梁是这一重要基础设施的一部分，帮助货物和人员通过以前无法进入的走廊。桥梁维护和维修是一个复杂的过程，各种电子传感器有助于促进这一过程。
桥梁和结构健康监测
桥梁的监测已经经历了多年的演变。很多国家桥梁检查标准规定了目视检查的特定频率。当定期目视检查(比如间隔六个月)发现潜在问题时，维护专业人员会增加检查频率，在回路中添加更多传感器和先进的技术解决方案。
正在进行的结构健康监测(SHM)的主题是，当定期目视检查发现任何问题时，可能已经为时过晚，无法阻止重大损坏。SHM在变化的条件下保持一个脉冲，这些条件可能不容易被肉眼看到。SHM承诺，它可以及早发现问题，避免昂贵的维修、道路封闭等。SHM的成本也不是微不足道的，但作为一种方法，它不仅能让业务保持运转，还可能拯救生命。
为了保持桥梁的运行，工程师们从两个方面收集数据:维修和日常维护。传感器在每一类中都发挥着作用。保持桥梁安全需要频繁的持续分析，并在出现问题时进行检测和故障排除。从本质上讲，桥梁分析是为了预防问题和在故障发生时排除故障。为了预防，专业人员可以选择定期定期检查，包括目测和测量数据。或者，定期远程监控也是可能的。先进的计算能力和基于传感器数据的人工智能加速了持续监控的发展。
要测量的参数
为了清楚地了解桥梁的健康状况，行业专家需要测量几个不同的参数。其中包括:
1. 外部负载
例如由风和交通造成的影响。测量风速和风向对于确定电缆振动至关重要，以防止电缆过早损坏和断裂。风的影响也会导致桥梁的结构扭曲。风增加了装载问题，交通也是如此。通常需要监控交通吨位，如果需要，大型卡车可以改道。
2. 结构效应
随着时间的推移，如应变，结构单元的位移。测量应变可以知道桥梁承受的压力有多大，这可能预示着即将发生的故障。例如，测量梁的位移可以让专业人员了解材料的硬度和柔韧性。
3. 环境效应
如温度、风、湿度、雨水和其他降水，因为它们会在近期和长期影响桥梁状况。温度上升会影响一系列相关参数，尤其是随着时间的推移。极端的温度范围也是有问题的，因为它会逐渐损坏桥梁材料。
4. 环境条件的影响
像腐蚀一样，也会导致桥部件失效。钢缆保持了较低的建造成本，但腐蚀是一个持续的挑战，可能导致故障，需要监控。裂缝、桥面和面板倾斜、可能影响桥梁基础强度的桥梁周围水位、沉降、振动和疲劳都是重要的考虑因素。工程师需要测量的参数的确切组合取决于桥梁所在地区的具体地理情况。例如，在多雨地区，我们可能需要更频繁地监测雨水引起的腐蚀，而河上的桥梁可能需要注意伴随侵蚀的河床冲刷。
要使用的传感器
用于测量这些不同参数的潜在传感器可能包括:
1. 加速度计等基于振动的监控器
这些测量桥梁沿所有三个轴倾斜的方式。包括风和交通在内的各种持续环境条件都可能导致倾斜。持续一段时间后，基于振动的监测可以清晰地描绘出桥梁整体结构完整性的画面。加速度计在测量操作条件的剧烈变化(例如地震)对桥梁功能的影响方面也非常有效。加速度传感器的工作原理是测量放置它的元件的振动，然后将该信号转换为可测量的电输出。
2. 基于应变监测桥梁上的钢、钢筋混凝土和其他材料的应变仪
普通类型的应变仪具有金属箔图案，当受到应变时，其变形并改变其电阻。测量这种变化为用户提供了对结构上的应力的测量。
3. 倾斜仪用于测量桥梁超出其最初设计和建造模式的程度
倾斜仪的功能很像一个带有气泡的水平仪，气泡指示元素偏离中心的程度。
4. 光纤传感器测量一系列参数，如温度、压力和湿度
光的传输及其在穿过材料时的后续行为是测量所列参数的基础。这个论点是，不同的材料有不同的弯曲方式或其他与光相互作用的方式。
5. 用于检查桥上重量的负荷传感器
6. 裂缝计和接缝计，用于测量裂缝和接缝处的运动
裂缝计有一个滑动元件，因此当传感器位于裂缝顶部时，滑动元件的移动反映了裂缝的生长。
转向物联网和基于云的解决方案
桥梁工程正朝着使日常维护成为更严格的技术驱动解决方案的方向发展。人工智能的发展——一段时间内的数据可以告诉我们潜在的故障或发现异常行为的模式——正在导致传感器数据收集和处理方法的改变。
当代桥梁监控解决方案使用物联网(IoT)技术来频繁采样数据，并将它们中继到云中的数据处理模型。桥梁工程借用了制造业的一页，从所有的数据输入中创建一个数字双胞胎，以了解不同的参数如何相互影响，以及修改一个参数会如何影响其他参数。传感器通常以太阳能为能源，或者可能使用只在需要时定期唤醒的电池，从而节省能源。在新建筑中，传感器也可以嵌入桥梁材料中，从一开始就成为监控解决方案的一部分。
基于云的、数字双传感器驱动的桥梁监控方法正在行业中获得牵引力。事实越来越证明，这种方式的实时监测比传统的定期取样方法更有效，特别是因为在许多情况下，检查每隔几年才进行一次。即使没有数字孪生，简单地记录各种相关参数的模式行为并随时间研究它们也有助于主动发现问题。在制造业，工业4.0使用物联网嵌入式传感器来提供预测性维护。桥梁工程可以通过一个传感器网络获得类似的结果，这些传感器全部安装在一起，并提供可以输入人工智能或机器学习模型的数据。
这种基于物联网的连续传感器解决方案的众多优势之一是，问题可以及早发现，并且可以以更少的费用和中断进行修复，而不是导致故障和潜在的生命损失。成本节约也吸引了预算紧张的政府。另一个优势是可以远程设置连续监控功能，因此不需要派遣专家团队，这增加了维护和维修成本。管理法规遵从性和延长资产寿命是额外的优势。
结论：
桥梁监控过去是一个周期性和不定期的过程，现在可以通过连接到云的传感器进行动态和持续的监控，并实时提供关于条件的预测。由于基础设施维护是许多州和地方政府的优先任务，他们正在努力使用最有效的解决方案来完成这项工作。测量各种关键参数的先进传感器将继续成为技术驱动型解决方案的重要组成部分，既可用于持续监控，也可根据需要进行维修。
