虎門大橋突發(fā)“波浪式”抖動(dòng)，物聯(lián)網(wǎng)該出手了！

5月5日下午，正值“五一”假期返程高峰，虎門大橋懸索橋橋面突發(fā)異?！安ɡ耸健被蝿?dòng)，振幅較為明顯，對(duì)行車造成不舒適感。情況發(fā)生后不少網(wǎng)友紛紛反映，“行車到虎門大橋橋面上有‘爆胎’的感覺”“感覺橋面波瀾起伏，像坐船一樣，感覺有點(diǎn)‘暈船’”“虎門大橋搖得人頭暈，太恐怖了”……

隨后，虎門大橋公司發(fā)布通告，宣布從2020年5月5日15時(shí)20分起，對(duì)虎門大橋?qū)嵭腥忾]交通管制。同時(shí)，為確保過往船舶航行安全，廣東海事局與廣東省交通運(yùn)輸廳商定，于5月5日18時(shí)15分實(shí)行臨時(shí)水上交通管制，從19時(shí)起，對(duì)虎門大橋附近通航水域?qū)嵤┓夂健?br/>

一、虎門大橋簡(jiǎn)介

虎門大橋是中國第一座大型懸索橋，其主航道跨徑888米，被譽(yù)為“中國第一跨”，橋梁結(jié)構(gòu)與鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋相似?；㈤T大橋作為粵港澳大灣區(qū)關(guān)鍵通道，通車23年來，為粵港澳大灣區(qū)各城市互聯(lián)互通和經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展發(fā)揮了重要作用。與此同時(shí)，車流量的持續(xù)增長(zhǎng)也造成這條交通大動(dòng)脈不堪重負(fù)。據(jù)了解，虎門大橋的車流量由1997年建成時(shí)的日均1.84萬標(biāo)準(zhǔn)車次，到最高日均17萬標(biāo)準(zhǔn)車次，遠(yuǎn)超日均8萬車次的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，飽和度達(dá)2.1。

出現(xiàn)橋梁振動(dòng)情況后，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜冶几艾F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，給出了目前最可信度最高的說法，初步認(rèn)定此次虎門大橋的振動(dòng)主要是因?yàn)檠貥蚩邕呑o(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬（擋墻），破壞了大橋的斷面流線型，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，產(chǎn)生了橋梁渦振現(xiàn)象。

虎門大橋橋梁專業(yè)人員第一時(shí)間回應(yīng)稱，目前虎門大橋橋梁主體結(jié)構(gòu)未受損，同時(shí)，專家表示橋梁遇到特殊風(fēng)況會(huì)晃動(dòng)是正常的，一般遇到漩渦風(fēng)橋面晃動(dòng)比較大。

二、橋梁渦振現(xiàn)象產(chǎn)生原因

新華社報(bào)道，國內(nèi)橋梁相關(guān)領(lǐng)域的專家也第一時(shí)間奔赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，12位國內(nèi)知名橋梁專家連夜開會(huì)研判，給出權(quán)威解答：

虎門大橋懸索橋本次震動(dòng)的主要原因是，由于沿橋跨護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬（擋墻），改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，產(chǎn)生的橋梁渦振現(xiàn)象。

大跨徑懸索橋在較低風(fēng)速下存在渦振現(xiàn)象，震動(dòng)幅度較小且不易察覺，僅在特殊條件下會(huì)產(chǎn)生較大振幅，不會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，但會(huì)影響行車的體驗(yàn)感和舒適性，易引發(fā)交通安全事故。

而根據(jù)現(xiàn)有對(duì)虎門大橋掌握的數(shù)據(jù)和觀測(cè)到的現(xiàn)象分析來看，此次虎門大橋懸索橋“抖動(dòng)”并未使其橋梁主體結(jié)構(gòu)受損，也不會(huì)影響虎門大橋懸索橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

不過，雖說“虎門大橋抖動(dòng)”是虛驚一場(chǎng)，卻也又給我們敲響了警鐘。近年來，大橋坍塌的事件層出不窮，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)都造成了巨大的威脅，導(dǎo)致了不少家庭支離破碎的悲劇發(fā)生。

關(guān)于大橋因外力坍塌最著名的例子是1940年塔科馬海峽大橋，同樣是懸索橋，但是在通車4個(gè)月后，突然被微風(fēng)摧毀?；氐絿鴥?nèi)，不久前長(zhǎng)江鸚鵡洲大橋也出現(xiàn)類似現(xiàn)象。研究風(fēng)力對(duì)橋梁的影響顯得十分重要，因此需要了解橋梁為什么會(huì)在風(fēng)力作用下產(chǎn)生擺動(dòng)。

橋梁平面與風(fēng)向相同，當(dāng)風(fēng)速不大時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)的原因是因?yàn)轱L(fēng)速加快，會(huì)在橋梁平面上生成一個(gè)個(gè)氣旋，這些氣旋在橋梁左右兩側(cè)分布，這樣就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)頻率與橋梁不同步，使橋梁產(chǎn)生振動(dòng)，這就是橋梁渦振現(xiàn)象，其原理就是卡門渦街導(dǎo)致形成的。

東莞理工大學(xué)老師有專門做到這個(gè)卡門渦街實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程就是用一塊紙條在吹風(fēng)機(jī)下面，當(dāng)風(fēng)速比較小時(shí)，紙條基本不會(huì)搖擺。當(dāng)調(diào)大吹風(fēng)筒風(fēng)速時(shí)，紙條的尾部就會(huì)擺動(dòng)起來，實(shí)驗(yàn)雖然存在誤差，但可以很好的解釋橋梁在大風(fēng)作用下產(chǎn)生擺動(dòng)的原因。

三、物聯(lián)網(wǎng)在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

近些年，一系列的橋梁損害甚至坍塌事故，都在提醒我們必須高度重視橋梁的健康檢測(cè)與安全評(píng)估，及危橋的損傷檢測(cè)和監(jiān)控，爭(zhēng)取消除隱患。所以對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，掌握其健康狀況是有非常重要的意義的。橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)也成為橋梁結(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(cè)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(cè)的實(shí)時(shí)性。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(cè)中，成為一個(gè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

在20世紀(jì)80年代中后期，美國開始在一些橋梁上，布設(shè)用于檢測(cè)環(huán)境、荷載、震動(dòng)、局部應(yīng)力等橋梁各類基本參數(shù)的傳感器，力圖通過數(shù)據(jù)分析，來尋求一些力學(xué)規(guī)律。

美國的Sunshine Skyway Bridge上面共計(jì)安裝500多個(gè)傳感器，這些傳感器，主要用于采集橋梁建設(shè)、運(yùn)營等各階段的位移、應(yīng)變和溫度變化等，最終人們可以通過這些信息，找到橋體結(jié)構(gòu)和橋體材料，隨時(shí)間變化的規(guī)律。

在國內(nèi)，虎門大橋、徐浦大橋、江陰長(zhǎng)江等大橋在施工階段，工程師已經(jīng)在橋體上，布設(shè)了傳感器，這些傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋體的各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)。

香港青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，還曾布設(shè)過當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括900個(gè)各類傳感器、9臺(tái)電腦控制信息收集系統(tǒng)、2臺(tái)電腦工作站負(fù)責(zé)信息處理和分析系統(tǒng)。

根據(jù)論文顯示虎門大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加入了GPS位移、應(yīng)變實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期形變、超限超載等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過這些系統(tǒng)的作用，實(shí)時(shí)獲取橋梁在各種情況下的受力、工作狀態(tài)，以及抗風(fēng)和抗震等結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的安全監(jiān)測(cè)。

從虎門大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的表現(xiàn)來看，融入物聯(lián)網(wǎng)的基建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來的市場(chǎng)將會(huì)加速擴(kuò)大。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)目前鐵路營運(yùn)里程12.9萬公里，橋梁20萬座；公路總里程14.26萬公里，82.55萬座橋梁；還有一些2萬余座水電站、200多個(gè)機(jī)場(chǎng)等大型公共基礎(chǔ)設(shè)施。在這些大型基建里面，并不是所有的設(shè)施都有完整的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)，在新基建的加持下，相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求和市場(chǎng)只會(huì)大幅增加。

四、物聯(lián)網(wǎng)在橋梁檢測(cè)的方案場(chǎng)景

上述文中提到了過重的超載行駛以及特殊的天氣都會(huì)對(duì)橋梁本身產(chǎn)生影響，而除此之外，設(shè)計(jì)施工不合理、自然災(zāi)害、橋梁本身的病害以及其他的認(rèn)為活動(dòng)都有可能造成橋梁坍塌的悲劇產(chǎn)生。

而將新基建的“力量”融合進(jìn)老基建中，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的能力來保障“老基礎(chǔ)設(shè)施”的安全性則大有可為。比如在傳統(tǒng)橋梁中面臨的人力成本、知識(shí)儲(chǔ)備、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問題，會(huì)隨著增加幾個(gè)普通的傳感器，布設(shè)并利用NB-IoT、4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸而得到解決。像“南方澳大橋21年未做獨(dú)立監(jiān)測(cè)”的想象也有可能杜絕。

場(chǎng)景一：應(yīng)對(duì)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(shí)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(jí)實(shí)時(shí)告警的同時(shí)，還可以統(tǒng)計(jì)路面總體載荷。

案例：目前，交通設(shè)施智能管理平臺(tái)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(huì)自動(dòng)感知微小受力變化，同步向智能管理平臺(tái)報(bào)警。據(jù)相關(guān)工程技術(shù)專家介紹，以前高架橋梁對(duì)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(hào)發(fā)射功能的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(tái)自動(dòng)報(bào)警，工作人員上報(bào)信息，由執(zhí)法者對(duì)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。

場(chǎng)景二：對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)

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(cè)平臺(tái)，利用低功耗廣域網(wǎng)等技術(shù)無線傳輸監(jiān)測(cè)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(tái)層進(jìn)行儲(chǔ)存、處理與分析，并根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)采取應(yīng)對(duì)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(duì)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(zhǎng)）、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(cè)。橋梁的結(jié)構(gòu)狀況、基礎(chǔ)沉降、車輛監(jiān)測(cè)抓拍等各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)地通過互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)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(huì)到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(jí)管理人員或技術(shù)人員可以通過任何一臺(tái)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(dòng)生成維修建議，并通過查閱系統(tǒng)中的監(jiān)控視頻、檢測(cè)數(shù)據(jù)，為事后追溯、索賠提供依據(jù)。

場(chǎng)景三：對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

這一點(diǎn)其實(shí)在虎門大橋的檢測(cè)中也有體現(xiàn)，虎門大橋是中國第一座大型懸索橋。根據(jù)資料顯示，虎門大橋在設(shè)計(jì)之初就加入了GPS位移、應(yīng)變實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期形變、超限超載等檢測(cè)系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)獲取橋梁在各種情況下的受力能力、狀態(tài)參數(shù)、抗震性能等信息，保證橋梁的安全。

當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也不只運(yùn)用于橋梁，目前中國正處于大規(guī)?；A(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(zhǎng)期的運(yùn)營使用階段。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(duì)運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行全面的精細(xì)化監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)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(cè)領(lǐng)域的浩坤科技曾經(jīng)總結(jié)過結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的市場(chǎng)現(xiàn)狀，見下圖：

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(cè)需求，而且能為其提供精細(xì)化監(jiān)測(cè)解決方案，如以下四方面優(yōu)勢(shì)：

（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(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)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(zhǎng)久安全監(jiān)測(cè)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。

（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

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(dòng)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(duì)于隧道、橋梁等遠(yuǎn)距離，多節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)尤為重要。

（3）基于終端和網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)可以支持測(cè)距和定位

LoRa對(duì)距離的測(cè)量是基于信號(hào)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(duì)一點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）的空中傳輸時(shí)間差的測(cè)量。其定位精度可達(dá)5m（假設(shè)10km的范圍）。從而保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

（4）低成本、易于部署

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(cè)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。

虎門大橋懸索橋此次的“抖動(dòng)”不可謂不適時(shí)，今年大事尤多，一系列的事件也讓我們漸漸感受到科技的重要性。此次虎門大橋“虎軀一震”再次為我們敲響了警鐘，在新基建火熱進(jìn)行的大背景下，希望新老基建融合帶給我們更加安全、便捷、經(jīng)濟(jì)、高效的生活體驗(yàn)，也少些對(duì)這類事件的擔(dān)驚受怕。

五、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)市場(chǎng)應(yīng)運(yùn)而生

不只是橋梁，隨著中國大規(guī)?；A(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(zhǎng)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)。

中國結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的市場(chǎng)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(huì)滋生出數(shù)十億的市場(chǎng)份額，同時(shí)隨著現(xiàn)有建筑物的逐步老化，市場(chǎng)還會(huì)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(chǎng)。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(cè)方案，那么整個(gè)市場(chǎng)無疑會(huì)擴(kuò)大很多。

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(zhǎng)度4000多公里），地鐵總長(zhǎng)度超過3000公里，大型體育場(chǎng)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(cè)預(yù)警的需求。

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