軌道交通橋梁隧道結構電子病害采集系統及采集分析方法
【專利摘要】本發明公開了一種軌道交通橋梁隧道結構電子病害采集系統，在軌道交通橋梁隧道結構中各檢查點設置有電子標簽，該系統尚包括便攜式計算機，與所述便攜式計算機連接的電子標簽掃描器、計算機終端，在部分檢查點設有傳感器以及與該傳感器配合的數據采集模塊，所述便攜式計算機包括輸入單元，用于輸入檢查信息；評價單元，根據所述檢查信息確定各檢查點的安全等級，并根據該安全等級確定各檢查點的檢查周期。本發明不但能夠對軌道交通橋梁隧道結構病害進行定量評價和及時預警與反饋，而且能夠規范檢查工作流程，使工作人員脫離原有的紙張式檢查工作，保證工作人員的到位率，確保數據真實可靠，提高工作人員的工作積極性和工作質量，防止錯檢和漏檢。
【專利說明】軌道交通橋梁隧道結構電子病害采集系統及采集分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種軌道交通橋梁隧道結構養護技術，具體涉及到一種軌道交通橋梁 隧道結構電子病害采集系統及其采集分析方法。
【背景技術】
[0002] 軌道交通橋梁隧道作為城市車輛通行的防御結構，通常處于惡劣環境，其在運營 期內不可避免地受到各種影響，從而使結構的耐久性、可靠性和安全性不斷降低。軌道交通 橋梁隧道里程長、穿越地質復雜、隧道結構內部空間相對封閉，使得在運營期養護工作開展 甚為不便。
[0003] 目前，我國的軌道交通橋梁隧道養護工作尚是基于紙張表格式的人工檢查，即管 養人員根據已經設定好的檢測評定表格在現場對結構外觀狀況進行檢查，這種檢查方式費 時、費力、數據準確性差而且人員積極性不夠高，易出現錯檢和漏檢，人員到位率低，而且對 軌道交通橋梁隧道結構的關鍵受力參數不能定量檢測，以至于對軌道交通橋梁隧道內出現 的緊急突發事件不能及早預警；而且，采用傳感器自動化監測結構狀態時，對傳感器監測區 域以外的狀態信息尚不能很好地預測，因而極易造成重大的生命和財產損失。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提出一種軌道交通橋梁隧道結構電子病害采集系統，該系統不 但能夠規范養護檢查工作，確保軌道交通橋梁隧道結構養護工作質量，并且提高了工作效 率。
[0005] 為實現這一目的，本發明的技術方案如下：一種軌道交通橋梁隧道結構電子病害 采集系統，特征在于在軌道交通橋梁隧道結構中各檢查點設置有電子標簽，此外，該系統尚 包括便攜式計算機，與所述便攜式計算機連接的電子標簽掃描器，與所述便攜式計算機連 接的計算機終端，在部分檢查點設有傳感器以及與該傳感器配合的數據采集模塊，所述便 攜式計算機與所述數據采集模塊以無線方式進行通訊，所述便攜式計算機包括輸入單元， 用于輸入檢查信息；評價單元，根據所述檢查信息確定各檢查點的安全等級，并根據該安全 等級確定各檢查點的檢查周期。
[0006] 本發明的另一目的是提供一種軌道交通橋梁隧道結構電子病害采集系統的采集 分析方法，該方法以電子病害采集裝置為依托，不但能夠規范養護檢查工作，確保軌道交通 橋梁隧道結構養護工作質量，并且提高了工作效率。
[0007] 為實現這一目的，本發明的技術方案如下：一種軌道交通橋梁隧道結構電子病害 采集裝置的采集分析方法，在軌道交通橋梁隧道結構中設置多個檢查點，其特征在于該方 法包括以下步驟:A、計算機終端上完成檢查工作規劃，確定各次檢查任務的工作內容、檢查 點位置以及相應的工作人員，將檢查規劃內容發送至各便攜式計算機，工作人員手持便攜 式計算機到現場進行數據采集；B、工作人員根據便攜式計算機中檢查規劃路線，依次按序 對軌道交通橋梁隧道結構中各檢查點進行檢查，通過電子標簽掃描器對電子標簽掃描，并 將信息反饋至便攜式計算機，便攜式計算機根據電子標簽內的信息，調用該檢查點所要求 的檢查內容，由工作人員進行檢查和評判，待工作人員完成該處檢查信息后，將相應的檢查 結果錄入便攜式計算機，并通過掃描器寫入至電子標簽進行存儲，當檢查點處布設有傳感 器時，工作人員以無線方式從傳感器配套的數據采集模塊中將監測參數采集到便攜式計算 機中，并將現場檢查信息寫入數據采集模塊，完成該檢查點處的檢查工作；C、便攜式計算機 的評價單元根據所述檢查結果及監測參數確定各檢查點的安全等級，并根據該安全等級確 定各檢查點的檢查周期。
[0008] 其中步驟C中，根據所述監測參數確定該檢查點的安全等級又包括以下步驟，a、 建立結構各組成部件及構件的層次劃分指標體系；b、對各層指標相對重要性打分，建立本 層次的模糊判斷矩陣；c、驗證模糊判斷矩陣的一致性；d、計算各層指標的權值；e、確定隸 屬函數，以病害指標實測值與規范規定的限值的比例作為模糊函數的計算元素，采用梯形 的模糊函數對各指標進行模糊等級評判；f、模糊評判，在根據各指標的隸屬函數計算出指 標的模糊等級后，通過與該層指標相應的權重加權平均得到該層的評價結果，進而將該結 果與該層相應的權重加權平均得到這一層的評價結果，逐層向上，最終完成結構整體的狀 態評價，即可獲得各檢查點的安全等級。
[0009] 本發明以電子化設備為依托，實現軌道交通橋梁隧道結構檢查工作的全電子化， 規范軌道交通橋梁隧道結構檢查工作，確保工作人員的到位率和工作質量，提高效率和積 極性，在對結構進行定性檢查的同時，完成參數的定量采集，因此，該檢查技術提供了一種 軌道交通橋梁隧道結構養護工作的新方式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明中所依托的電子病害采集裝置隧道結構構成示意圖。
[0011] 圖2為本發明中所依托的電子病害采集裝置橋梁結構構成示意圖。
[0012] 圖3為本發明中的數據采集模塊結構構成示意圖。
[0013] 圖4為評價指標層次劃分示意圖。
[0014] 圖5是混凝土簡支梁橋上部結構子類層次劃分示意圖。
[0015] 圖6是混凝土簡支梁橋下部結構子類層次劃分示意圖。
[0016] 圖7是混凝土簡支梁橋下部結構蓋梁子類層次劃分示意圖。
[0017] 圖8是混凝土簡支梁橋下部支座子類層次劃分示意圖。
[0018] 圖9是混凝土簡支梁橋下部結構主墩子類層次劃分示意圖。
[0019] 圖10是混凝土簡支梁橋下部結構墩橫梁子類層次劃分示意圖。
[0020] 圖11是混凝土簡支梁橋附屬設施子類層次劃分示意圖。
[0021] 圖12是結構檢查周期與運營時間的變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0022] 本發明的技術方案主要依托軌道交通橋隧電子病害采集系統完成，該系統主要包 括便攜式計算機6、傳感器3、與傳感器相配套的數據采集模塊4、電子標簽2、電子標簽掃描 器5和計算機終端7六部分，如圖1和圖2示意。
[0023]圖3中的數據采集模塊包括與傳感器8相連接的數據采集模塊11，數據模數轉換 及數據存儲模塊13,數據無線通訊模塊15、內置的數據采集模塊與模數轉換以及數據存儲 與無線通訊模塊的通訊線路12和14,數據采集模塊、數據存儲模塊、模數轉換模塊、通訊線 路均包含在數據采集模塊保護罩10中，以便粘貼于結構表面或埋于結構內部。
[0024]圖1和圖2中的傳感器3以預埋或表面粘貼的方式長期布設于軌道交通橋梁隧道 結構1內部或表面，以獲取運營期軌道交通橋梁隧道結構的狀態信息；數據采集模塊4用于 采集、存儲和發射傳感器3的監測數據；便攜式計算機6用于現場病害數據的采集；電子標 簽2用于檢查點定位以及當次檢查結果和檢查信息的記錄；電子標簽掃描器5主要根據便 攜式計算機的指令，完成電子標簽信息的讀寫工作；計算機終端7主要用于完成檢查工作 規劃以及檢查結果的存儲和管理工作。所述便攜式計算機包括輸入單元，用于輸入檢查信 息；評價單元，根據所述檢查信息確定各檢查點的安全等級，并根據該安全等級確定各檢查 點的檢查周期。所述檢查信息可以是傳感器檢測的內容，由便攜式計算機通過無線方式從 數據采集模塊采集得到，也可以是工作人員通過其他儀器或者通過其它方式測得的數據， 利用人工輸入或者其它連接方式輸入得到的。
[0025] 根據本發明的具體實施例，可以是所有的檢查點均設有電子標簽2,或部分檢查點 設有電子標簽2,部分檢查點設有傳感器3,所述傳感器3與數據采集模塊4配套設置，一般 來說傳感器3的種類主要為位移計、應變計、鋼筋計、土壓力計和收斂計等，各傳感器3應選 取軌道交通橋梁隧道結構受力的關鍵斷面進行布設，關鍵斷面的位置應根據軌道交通橋隧 實際穿越的地質條件和受力情況并經過計算分析后進行選取，對隧道結構，一般應選取在 最不利荷載作用下承載力相對較薄弱的位置、所處地質條件較差的位置、水壓力較大的位 置、有偏壓的位置、管片接縫位置等，在每個關鍵斷面傳感器宜布設于變形或內力較大的位 置等，如在承載力相對較薄弱的斷面和有偏壓的斷面應根據實際受力增設應變計，在地質 條件較差且有管片縱向接縫的位置應增設位移計和土壓力計；對橋梁結構，一般應選取在 最不利荷載作用下受力較大的斷面，如簡支梁橋跨中最大彎矩斷面、支點最大剪力斷面，連 續梁橋跨中最大彎矩斷面，支點負彎矩斷面、支點最大剪力斷面等，在這些位置應布設應力 計，對于需測試模態參數的結構，尚應布設加速度計。
[0026] 檢查點的位置設定則依據計算機終端給出的檢查規劃來完成，通常，檢查點位置 按軌道交通橋隧構件(軌道交通隧道結構管片、堅井、聯通道、防排水設施、軌道交通橋梁結 構主梁、橋墩、拱肋、吊桿、斜拉鎖等）分別布設，每構件布設時應按構件長度或面積均勻劃 分，對于在檢查過程中出現的較嚴重病害，應在該處增設檢查點，加強檢查。檢查點的布設 高度距離便攜式計算機的距離應大于電子標簽的讀寫距離。所述便攜式計算機具有相應病 害檢查軟件，能夠對檢查數據進行采集和存儲，并具有有線或無線數據傳輸功能。
[0027] 軌道交通橋隧結構病害檢查工作的檢查周期宜按下列公式進行計算， D=7[ln(N-?)+M] 其中， N表示結構的設計使用年限； 表示結構的運營時間； D表示檢查工作的檢查周期； M表示結構當前的安全等級，其取值依照結構技術狀況等級劃分而定，并按照結構技術 狀況變化趨勢的反向取值。當結構技術狀況分為5級時(分級依據為《公路橋梁技術狀況評 定標準》JTG/TH21-2011和《盾構法隧道結構服役性能鑒定規范》（上海市工程建設規范)），M的取值為1，2, 3, 4, 5,當結構技術狀況良好時取5,最差時取1。
[0028]由該公式可知，結構檢查周期與運營時間符合如圖12的曲線變化關系（以N=IOO年，M=I為例)。由該曲線可以看出，軌道交通橋梁隧道結構在建成初期（0~20年）檢查周期 宜為40天~37天，運營中期（21年~60年）的檢查周期宜為37天~32天，運營后期（61年 ~1〇〇年）宜為32天~7天。若期間結構狀態等級被評為2-5級時，相應的檢查周期按公式 計算。在運營初期結構狀態等級不同時檢查周期包含的天數相差較多，隨著結構狀態的不 斷退化，不同狀態等級結構檢查周期相差天數逐漸減少。
[0029] 當工作人員完成病害采集工作后，將采集的病害信息及傳感器數據匯總至終端病 害管理計算機，終端軌道交通橋隧結構病害管理評估軟件將采用相關的橋梁隧道結構狀態 評估方法，對結構當前狀態進行等級評定，結構養護工作人員根據評價結果，進行后續的養 護管理及維修工作。
[0030] 對橋梁及隧道結構，采用基于模糊算法的層次分析法進行狀態評價。該算法將結 構按部件-構件-病害的層次進行劃分，基于模糊算法將底層病害指標進行評價，根據由專 家調查得出的模糊判斷矩陣計算各層指標的權重，通過加權平均法得到待評價結構整體的 技術狀態。
[0031] 該方法具體評價步驟包括以下步驟： (1)建立結構各組成部件及構件的層次劃分指標體系，如圖4 ;對橋梁結構，可以按圖 5~圖11的層次具體劃分。即混凝土簡支梁橋可以劃分為上部結構、下部結構和附屬設施， 其中上部結構分為主梁，下部結構劃分為主墩和支座。下部結構進一步劃分為主墩、支座、 蓋梁以及墩橫梁。附屬結構劃分為限界、電纜、高架橋梁排水設施以及伸縮縫。
[0032] (2)專家對各層指標相對重要性打分，建立本層次的模糊判斷矩陣；該模糊判斷矩 陣表示針對上一層某元素，本層次與之有關元素之間相對重要性的比較，構造時采用"0-1" 標度法。模糊判斷矩陣中的各元素表示第?個因素指標％與第J'個因素指標4?之間的相對 重要性程度，并且滿足〇 。當元素％ = 〇.5時，表示S.與七同等重要；當<〇.5 時,表示七比吟重要；當〇.5 < %S1時，表示崎比?重要，當1? = 0.5 , \ =I- 。如對混凝 土簡支梁橋部件層建立模糊判斷矩陣，采用"0-1"標度法進行構造，如下表1。
[0033] 表1模糊判斷矩陣構造表
【權利要求】
1. 一種軌道交通橋梁隧道結構電子病害采集系統，特征在于在軌道交通橋梁隧道結構 中各檢查點設置有電子標簽，此外，該系統尚包括便攜式計算機，與所述便攜式計算機連接 的電子標簽掃描器，與所述便攜式計算機連接的計算機終端，在部分檢查點設有傳感器以 及與該傳感器配合的數據采集模塊，所述便攜式計算機與所述數據采集模塊以無線方式進 行通訊，所述便攜式計算機包括輸入單元，用于輸入檢查信息；評價單元，根據所述檢查信 息確定各檢查點的安全等級，并根據該安全等級確定各檢查點的檢查周期。
2. 如權利要求1所述的電子病害采集系統，其特征在于數據采集模塊包括數據采集模 塊保護罩，該數據采集模塊保護罩內設有數據采集模塊、數據存儲模塊、數據模擬數字轉換 模塊以及數據通訊模塊。
3. 如權利要求2所述的電子病害采集系統，其特征在于所述傳感器、數據采集模塊和 電子標簽以預埋或表面粘貼的方式長期布設于軌道交通橋梁隧道結構內部或表面。
4. 如權利要求2所述的電子病害采集系統，其特征在于傳感器為位移計、應變計、鋼筋 計、土壓力計或收斂計。
5. -種軌道交通橋梁隧道結構電子病害采集系統的采集分析方法，在軌道交通橋梁 隧道結構中設置多個檢查點，其特征在于該方法包括以下步驟：A、計算機終端上完成檢查 工作規劃，確定各次檢查任務的工作內容、檢查點位置以及相應的工作人員，將檢查規劃內 容發送至各便攜式計算機，工作人員手持便攜式計算機到現場進行數據采集；B、工作人員 根據便攜式計算機中檢查規劃路線，依次按序對軌道交通橋梁隧道結構中各檢查點進行檢 查，通過電子標簽掃描器對電子標簽掃描，并將信息反饋至便攜式計算機，便攜式計算機根 據電子標簽內的信息，調用該檢查點所要求的檢查內容，由工作人員進行檢查和評判，待工 作人員完成該處檢查信息后，將相應的檢查結果錄入便攜式計算機，并通過掃描器寫入至 電子標簽進行存儲，當檢查點處布設有傳感器時，工作人員以無線方式從傳感器配套的數 據采集模塊中將監測參數采集到便攜式計算機中，并將現場檢查信息寫入數據采集模塊， 完成該檢查點處的檢查工作；C、便攜式計算機的評價單元根據所述檢查結果及監測參數確 定各檢查點的安全等級，并根據該安全等級確定各檢查點的檢查周期。
6. 如權利要求5所述的采集分析方法，其特征在于其中步驟C中，根據所述監測參數確 定該檢查點的安全等級又包括以下步驟，a、建立結構各組成部件及構件的層次劃分指標體 系；b、對各層指標相對重要性打分，建立本層次的模糊判斷矩陣；c、驗證模糊判斷矩陣的 一致性；d、計算各層指標的權值；e、確定隸屬函數，以病害指標實測值與規范規定的限值 的比例作為模糊函數的計算元素，采用梯形的模糊函數對各指標進行模糊等級評判；f、模 糊評判，在根據各指標的隸屬函數計算出指標的模糊等級后，通過與該層指標相應的權重 加權平均得到該層的評價結果，進而將該結果與該層相應的權重加權平均得到這一層的評 價結果，逐層向上，最終完成結構整體的狀態評價，即可獲得各檢查點的安全等級。
【文檔編號】G07C1/20GK104504769SQ201410722642
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月3日 優先權日:2014年12月3日
【發明者】趙曉燕, 周質炎, 楊玉泉, 楊元偉, 王剛 申請人:上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司