無錫高架橋倒塌慘劇敲響警鐘，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能否為高架橋保駕護(hù)航？

大橋“連連塌”事件無疑為人們敲響了警鐘，驚心之余，大家也在積極討論如何才能減少甚至杜絕此類悲劇的發(fā)生。除了專家認(rèn)真調(diào)查原因吸取教訓(xùn)，管理者主動承擔(dān)責(zé)任，執(zhí)法機(jī)構(gòu)嚴(yán)格執(zhí)法，立法機(jī)構(gòu)對癥立法之外，也有網(wǎng)友設(shè)想能否通過科技手段解決這一問題。事實(shí)上，早已經(jīng)有類似的解決方案在上海、武漢等地施行，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用案例也屢見不鮮。

當(dāng)你驅(qū)車行駛在高架橋上，突然看到前面出現(xiàn)一輛重載卡車時(shí)，你的反應(yīng)是什么？就 iot101 君來說，每次遇到這種情況神經(jīng)都會不由自主地繃緊，然后盡可能的和對方拉開距離。

相信很多人的反應(yīng)也都和 iot101 君一樣，畢竟不怕一萬，就怕萬一。

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然而這個(gè)萬一終究還是發(fā)生了——據(jù)人民日報(bào)客戶端報(bào)道，就在昨天傍晚 6：10 左右，312 國道上海方向 K135 處、錫港路上跨橋出現(xiàn)橋面?zhèn)确８浇囕v的行車記錄儀拍下的畫面可謂觸目驚心，恐怕大家的朋友圈都已經(jīng)被刷屏了吧 .....

當(dāng)晚 22 時(shí)左右，江蘇省交通運(yùn)輸廳官方微博轉(zhuǎn)發(fā)消息稱，事故發(fā)生時(shí)，一嚴(yán)重超載貨車在橋上行駛，可能為橋梁垮塌的直接原因。

事發(fā)之后，新京報(bào)記者走訪了錫山區(qū)一名從事鋼材生意的老板，該老板表示：“貨車超載是常事，前些年有一輛車?yán)?300 噸的，現(xiàn)在超載管得嚴(yán)，但一輛車也都是拉 150 噸左右?！边@一數(shù)字幾乎是貨車應(yīng)載重量的 3-6 倍。

散落在事發(fā)現(xiàn)場的鋼卷

即使生就一副鋼筋鐵骨，即使設(shè)計(jì)的再優(yōu)秀，也無法承受這般“摧殘”啊！

無獨(dú)有偶，就在十天之前，也就是舉國歡慶的 10 月 1 日當(dāng)天，中國臺灣省宜蘭縣有著 21 年橋齡的重要地標(biāo)——南方澳跨港大橋突然坍塌，事故已經(jīng)造成 6 人死亡、多人受傷。

南方澳跨港大橋坍塌現(xiàn)場

隨著臺當(dāng)局調(diào)查的深入，這座大橋被曝在過去 21 年里，主管單位中國臺灣港務(wù)公司從未對其進(jìn)行獨(dú)立檢測。

在南方澳大橋發(fā)生坍塌后，外界對各地橋梁的安全均產(chǎn)生疑慮。而經(jīng)港務(wù)公司追查，竟發(fā)現(xiàn)其管轄內(nèi)的 17 座橋，有 8 座尚未進(jìn)行檢驗(yàn)?？鄢艚?4 年新建的橋梁，剩下的 13 座橋僅有 5 座做過橋梁檢驗(yàn)，其中有 2 座是在 10 年前完成的。

再往前推，2011 年 7 月，5 天內(nèi)，3 座大橋相繼發(fā)生坍塌事故：7 月 11 日，建于 1997 年的江蘇鹽城境內(nèi) 328 省道通榆河橋坍塌；7 月 14 日，建成不到 12 年、造價(jià)逾千萬元的當(dāng)?shù)貥?biāo)志性工程武夷山公館大橋倒塌；7 月 15 日，通車僅 14 年的杭州錢江三橋引橋橋面塌落。

大橋“連連塌”事件無疑為人們敲響了警鐘，驚心之余，大家也在積極討論如何才能減少甚至杜絕此類悲劇的發(fā)生。

除了專家認(rèn)真調(diào)查原因吸取教訓(xùn)，管理者主動承擔(dān)責(zé)任，執(zhí)法機(jī)構(gòu)嚴(yán)格執(zhí)法，立法機(jī)構(gòu)對癥立法之外，也有網(wǎng)友設(shè)想能否通過科技手段解決這一問題。

事實(shí)上，早已經(jīng)有類似的解決方案在上海、武漢等地施行，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用案例也屢見不鮮。

物聯(lián)網(wǎng)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用

橋梁是連接現(xiàn)代交通的“咽喉”，然而其一旦建成投入使用后，就會進(jìn)入不斷退化、老化的階段。

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港珠澳大橋

由于反復(fù)承受著車輪的磨損、沖擊，遭受暴雨、洪水、風(fēng)沙、冰雪、日曬、凍融等自然因素的侵蝕破壞，橋梁部分建筑材料的性質(zhì)隨著使用時(shí)間的增長會發(fā)生衰變，橋梁的安全性能會受到影響。同時(shí)有些橋梁的設(shè)計(jì)和施工達(dá)不到應(yīng)用的要求，加上近幾年我國交通和重型汽車數(shù)量的不斷快速增長，種種因素累積，造成橋梁倒塌悲劇的發(fā)生。

事故分析表明，橋梁倒塌原因大致可分為：
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設(shè)計(jì)施工不合理

撞橋和超載

自然災(zāi)害

加固拆除不合理

橋梁病害

人為活動

一系列令人觸目驚心的橋梁坍塌事故，提醒我們必須高度重視橋梁的健康檢測與安全評估，及危橋的損傷檢測和監(jiān)控，爭取消除隱患。所以對橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測和評價(jià)，掌握其健康狀況是有非常重要的意義。橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測也就成為橋梁結(jié)構(gòu)安全養(yǎng)護(hù)和保障正常使用的主要技術(shù)手段。

顯然，監(jiān)測的過程僅靠人力是不可能的——費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)成本不說，還無法做到監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，像上文中提及的“南方澳大橋 21 年未做獨(dú)立檢測”的現(xiàn)象絕非個(gè)例。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠(yuǎn)程橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，成為一個(gè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

在 iot101 君看來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1. 應(yīng)對貨車超載

在高架橋兩端加裝路面壓力傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行車輛載重和類型識別，和攝像頭聯(lián)接獲取違規(guī)車輛的車牌信息，在進(jìn)行分級實(shí)時(shí)告警的同時(shí)，還可以統(tǒng)計(jì)路面總體載荷。

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案例：
目前，交通設(shè)施智能管理平臺已在上海投入試運(yùn)營。今后超載貨運(yùn)車一旦違規(guī)駛上高架橋梁，橋上埋設(shè)的線圈會自動感知微小受力變化，同步向智能管理平臺報(bào)警。據(jù)相關(guān)工程技術(shù)專家介紹，以前高架橋梁對重車的監(jiān)控大都是人工觀察，今后可以通過在道路內(nèi)植入帶有信號發(fā)射功能的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測每一座設(shè)施的荷載和運(yùn)作狀況。一旦有超過該橋梁負(fù)荷的卡車出現(xiàn)，傳感器能及時(shí)感應(yīng)并向監(jiān)控平臺自動報(bào)警，工作人員上報(bào)信息，由執(zhí)法者對違規(guī)卡車進(jìn)行及時(shí)處理。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在松江辰塔大橋試運(yùn)作。

2. 對橋梁健康狀況進(jìn)行日常監(jiān)測

在大橋中植入若干個(gè)不同種類的傳感設(shè)備，另設(shè)立匯集節(jié)點(diǎn) / 網(wǎng)關(guān)和實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺，利用低功耗廣域網(wǎng)等技術(shù)無線傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)至匯集節(jié)點(diǎn)，再將數(shù)據(jù)傳入平臺層進(jìn)行儲存、處理與分析，并根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)采取應(yīng)對措施，比如當(dāng)橋梁極限承載力損失嚴(yán)重時(shí)，考慮將其拆除。

案例：
在武漢市，中鐵大橋科學(xué)研究院的技術(shù)人員為 42 座橋梁安裝 15 種、共 1929 個(gè)傳感器，硬件設(shè)備更是達(dá)到了 25 類、共 3053 套。技術(shù)人員將通過這些傳感器和硬件設(shè)備對橋梁的結(jié)構(gòu)安全（即應(yīng)變、裂縫、位移、撓度、傾角、溫濕度）、車輛荷載（即車型、車速、車重、軸重、車長）、獨(dú)柱墩匝道傾覆及滑移（即應(yīng)變、位移、傾角）、沉降及橋面線形（即撓度、GPS）等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。橋梁的結(jié)構(gòu)狀況、基礎(chǔ)沉降、車輛監(jiān)測抓拍等各種監(jiān)測數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)地通過互聯(lián)網(wǎng)存儲至云計(jì)算數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，從而實(shí)現(xiàn)“一橋一檔”電子化戶籍式管理。

其次，技術(shù)人員還會到現(xiàn)場對橋梁外觀進(jìn)行檢查，并將檢查結(jié)果通過手機(jī) APP 上傳。各級管理人員或技術(shù)人員可以通過任何一臺電腦的瀏覽器或手機(jī) APP 進(jìn)行登錄訪問，實(shí)時(shí)掌握這 42 座橋梁的健康狀況，有助于技術(shù)人員及時(shí)處理突發(fā)事件、及時(shí)修復(fù)病害橋梁、確保橋梁運(yùn)營安全。

另外，“智慧橋梁”系統(tǒng)還能自動生成維修建議，并通過查閱系統(tǒng)中的監(jiān)控視頻、檢測數(shù)據(jù)，為事后追溯、索賠提供依據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用

當(dāng)然，不只是橋梁，隨著中國大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)浪潮的漸漸消退，隧道、樓宇、軌道等各種結(jié)構(gòu)物都開始進(jìn)入長期的運(yùn)營使用階段。但是，在各種自然界的不確定外力加載下，以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，致使各種結(jié)構(gòu)物超載疲勞運(yùn)營現(xiàn)象普遍出現(xiàn)。

然而，前期的設(shè)計(jì)、施工并不能確定結(jié)構(gòu)物是否正常運(yùn)營，必將需要一種更實(shí)時(shí)、快捷的方式對運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行全面的精細(xì)化監(jiān)測，尤其是對已經(jīng)服役多年的老舊結(jié)構(gòu)物。

專注于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域的浩坤科技曾經(jīng)總結(jié)過結(jié)構(gòu)監(jiān)測的市場現(xiàn)狀，見下圖：

因而近年來，物聯(lián)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。

物聯(lián)網(wǎng)智庫之前曾報(bào)道過，以 LoRa 為代表的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)具有的超低功耗、更廣覆蓋、超大連接、低成本、高穿透等特點(diǎn)不僅能滿足不同結(jié)構(gòu)物在各種復(fù)雜環(huán)境下的大連接、高穿透等的監(jiān)測需求，而且能為其提供精細(xì)化監(jiān)測解決方案。

針對結(jié)構(gòu)監(jiān)測環(huán)境的復(fù)雜性和高穿透等需求，LoRa 主要從以下幾個(gè)方面解決其痛點(diǎn)。

1. 高穿透性、遠(yuǎn)距離、低功耗

由上圖可以看出 LoRa 高達(dá) 157db 的鏈路預(yù)算使其通信距離可達(dá) 15 公里，且穿透性極強(qiáng)。其接收電流僅 10mA，睡眠電流 200nA，這大大提高了電池的使用壽命。高穿透性、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)解決了橋梁、隧道等內(nèi)部震動監(jiān)測信號在穿透多層混凝土結(jié)構(gòu)或者巖壁后變?nèi)醯膯栴}。低功耗的特點(diǎn)在提高設(shè)備持續(xù)長久安全監(jiān)測穩(wěn)定性之外，也減少了設(shè)備維護(hù)和結(jié)構(gòu)巡檢次數(shù)，從而提高了安全效率，降低了人力成本。
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2. 基于該技術(shù)的智能網(wǎng)關(guān)支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大
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網(wǎng)關(guān)是節(jié)點(diǎn)與 IP 網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。每個(gè)網(wǎng)關(guān)每天可以處理 500 萬次各節(jié)點(diǎn)之間的通信（假設(shè)每次發(fā)送 10Bytes，網(wǎng)絡(luò)占用率 10%）。如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動通信基站的位置，發(fā)射功率 20dBm（100mW），那么在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋 2 公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達(dá) 10 公里。這種大范圍的覆蓋對于隧道、橋梁等遠(yuǎn)距離，多節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測尤為重要。
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3. 基于終端和網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)可以支持測距和定位
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LoRa 對距離的測量是基于信號的空中傳輸時(shí)間而非傳統(tǒng)的 RSSI（Received Signal Sterngth Ind-ication），而定位則基于多點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）對一點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）的空中傳輸時(shí)間差的測量。其定位精度可達(dá) 5m（假設(shè) 10km 的范圍）。從而保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。
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4. 低成本、易于部署
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LoRa 是基于非授權(quán)頻譜的技術(shù)，基礎(chǔ)設(shè)施和節(jié)點(diǎn)（終端）部署成本低，能為結(jié)構(gòu)監(jiān)測大規(guī)模的應(yīng)用降低大量成本。LoRa 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以滿足行業(yè)客戶協(xié)議細(xì)節(jié)調(diào)整的需求，可快速幫助客戶低成本地建設(shè)局域網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)運(yùn)營，同時(shí)不僅能適應(yīng)分散性應(yīng)用需求，還能很好地滿足行業(yè)性應(yīng)用需求。

結(jié)構(gòu)監(jiān)測前景大有可為

中國結(jié)構(gòu)監(jiān)測的市場剛剛起步，結(jié)合著物聯(lián)網(wǎng)，智慧城市的發(fā)展，未來五年內(nèi)會滋生出數(shù)十億的市場份額，同時(shí)隨著現(xiàn)有建筑物的逐步老化，市場還會越來越大。鑒于傳感器的生命周期一般為 8 年左右，所以也是一個(gè)無限循環(huán)的市場。如果新建筑物在施工階段就采用物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測方案，那么整個(gè)市場無疑會擴(kuò)大很多。

例如，一座普通 200 米左右橋梁監(jiān)測費(fèi)用 10 萬左右，每公里隧道監(jiān)測費(fèi)用 5 萬左右，每公里地鐵監(jiān)測費(fèi)用 5 萬左右，一座體育場館監(jiān)測費(fèi)用 100 萬左右，高層建筑監(jiān)測費(fèi)用 30 萬左右。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止 2015 年，國內(nèi)現(xiàn)有大小橋梁 70 多萬座，隧道 8000 多座（總長度 4000 多公里），地鐵總長度超過 3000 公里，大型體育場館上千座，老舊建筑，高層建筑數(shù)量龐大，未來都有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測預(yù)警的需求。

同時(shí)日益增多的地質(zhì)災(zāi)害也是一個(gè)龐大的監(jiān)測市場。猶記得 2018 年 5 月 9 日，成都高新區(qū)聯(lián)合成都高新減災(zāi)研究所，在成都高新區(qū) 60 個(gè)社區(qū)啟用地震預(yù)警“大喇叭”，通過社區(qū)廣播、手機(jī)、電視等多途徑，在地震波到達(dá)前提前預(yù)警，為民眾避險(xiǎn)爭取寶貴時(shí)間。

希望未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也能在防災(zāi)防害、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮越來越重要的作用。
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