[00134511]桥梁工况微机智能检测评估系统研究与开发

简要技术说明及主要技术性能指标本系统为桥梁结构（墩、梁）工况监测与专家评系统，用于现场测量，分析和评估桥结构振动，通过定期诊断评估，建立安全档案，掌握抗震性能变化情况和趋势。本系统的研究方法是：以铁道部《检规》为标准，研究开发出一种小型轻便多功能智能检测分析系统，通过现场对车辆过桥时产生的桥梁振动参数实际测量的结果，进行分析、处理，配合系统中的专家评估程序，对被测墩、梁做出科学的分析评估。可广泛应用于铁路、公路桥梁的工况检测、病态分析以及智能评估工作中。本系统与目前国内类似产品比较在处理能力、处理速度、分析功能和小型轻便性等方面具有明显的优势。与国外同类产品相比在小型便携性，使用方便性、处理能力和通道数量上具有较强的优势，在价格方面优势非常突出（成本不到进口产品售价的1/10）。本系统具有的专家评估功能是国内外同类产品所不具备的功能。该研究开发项目解决的技术难点和评估系统的主要创新点是：1、现场测量分析和专家评估对系统基本功能设置要求的研究开发，解决了如下问题：A．完成了系统小型轻便化设计研究开发。系统用于现场测量，为了减轻工作人员负担，系统设计上实现了小型轻便多功能化的设计原则。采用了运算能力强速度快的功能强大的微控制器芯片，采用EDA技术简化外围电路设计，尽量采用了小体积，低功耗IC块，降低了系统的功耗，采用了高效小体积电源，采用有源传感器等，都是小型化设计研究中采用的技术内容。系统实现了小型轻便和多功能，不但便于使用，而且便于研究成果推广应用。B．完成了系统最佳基本功能设置研究开发。本系统应用目的在于通过对车辆过桥引起产生的桥结构振动实际测量，然后进行相关数据处理、运算、分析和专家系统评估，对桥墩、梁服役现状作出基本评估。系统设置的功能模块基本满足测量评估要求，是该系统研究开发解决的技术难点之一，系统具备的基本功能设置模块包括：桥结构（墩、梁）振动特性基本参数测量实践与研究功能。如振动竖向，横向加速度、振幅、频率及车速等基本参数测量；测量数据分析处理功能，含墩、梁振动加速度时程曲线，振幅时程曲线绘制、显示和频谱分析等；专家评估功能，是本系统的特色和难点之一，涉及的因素较多。以铁道部《检规》标准为依据，建立了正确的专家评估体系和程序，开发出了相应的软件，可以满足不同结构、尺寸和不同车型、车速通过时，墩、梁振动特性分析和工作状况判断，得出反映真实可靠的专家系统综合评估意见，是本系研究开发完成的技术创新重点内容。C．系统信息回放功能。现场测量情况是，铁路每天最多可达几十趟车（公路则更多），每次车辆通过，系统必须至少完成一个桥墩两根梁的振动数据记录，因此，系统除具有足够的容量、运算速度和处理能力、设置快捷方便、界面友好外，还具备有数据信息回放功能，即与上位微机通讯功能，可以将现场测量信息与上位微机通讯，通过网络将测量评估结果送至上一级决策管理中心，为现役桥结构作进一步全面综合诊断，或对病害结构做出判决，或建立安全管理档案数据库。2、系统可靠性和准确性研究开发的特点和创新点就铁路实验而言，对不同路段，根据每天测量车辆通过次数不同，少则一天仅几趟车，多则达几十趟车，如北京路局下属管辖的石-太线，平均不足十分钟就有一趟车通过。实验证明：系统对检测次数频繁情况，具有足够的可靠性。未出现系统失灵，造成前功尽弃和人力时间浪费的现象。系统具有的准确性是测量、分析、运算、综合评估准确可靠的集中反映，它关系到测量分析和专家系统评估是否真实反映服役结构振动性能。系统的应用可有效减少把病害结构误判断成正常服役，造成不堪设想后果的可能性。为提高系统准确性采取的措施包括：系统硬件结构、软件设计、测量元器件筛选、传感器测量误差控制，以及专家评估方案切合实际分析等。总之，该系统可靠性研究与实践是项细致工作，贯穿了整个系统开发全过程。经现场测试证明本系统较好地解决了上述难题。3、数据测量分析与传感器技术实践与研究开发达到了国外同类系统的性能和指标。本系统利用环境震动测试方法，激振源是车辆过桥引发的振动。桥结构振动属于低频微振动，相对通频带较宽，给振动特性曲线频谱分析带来一定难度；此外，微振动测量输出信号信噪比小，信号传输线路多，电缆长（最长电缆 达50米），信号传输损耗、波动及干扰等影响是不可忽视的因素，技术上是检测领域存在的一项要研究解决的重点内容。该系统较好地解决了上述难题。系统中解决了超低频宽带大摆幅加速度传感器（拾振器）设计制作难度大，灵敏度系数分散性大的问题。目前国内可用的超低频拾振器，下限频率为0.33HZ，基本上能满足桥梁结构低频段振动测量。以电动型（有源）拾振器为例，最佳幅频特性在3HZ以上，低于此频率段输出电势信号变弱，灵敏度下降且重现性变差。经研究归纳低频段拾振器幅频特性曲线变化规律，项目组开发出了相应的自校正软件，基本保证测量信号的准确可靠，是本系统重点研究解决的又一实际技术难题问题。也是该系统具有的一个技术优势。经课题组和委托方测试，本开发系统的技术指标是：最大振幅量程±20mm，精度≤1%，测量通频带为0.33HZ-30HZ；系统功耗（不含打印）＜5W，重量＜5Kg，电源：6V蓄电瓶（或锂电池）供电。上述指标的实现，在先进性方面得到了许多同行专家的肯定。推广应用前景与措施：本系统应用前景较好，仅以铁路桥梁为例，截至90年代末，我国现有铁路桥梁3万多座，3百多个工务段，按每个工务段配制两台（每台仅售价3万元）计算，预计可产生近2千万元的产值，利税将在1千万元以上。如果再推广到公路系统（公路桥梁数至少是铁路桥梁的6倍），其经济效益、社会效益将更加显著。目前，该系统已经开始作了一些市场推广工作，已经试销售16台（套）系统，并取得了用户的好评。计划待系统通过鉴定和成果登记后，进一步加大市场的推广力度，并着手进行产品的外观改进和生产定型等工作。