密歇根理工学院 (MTRI)

足球比赛结果 使用远程传感器进行桥梁状况评估

足球比赛结果和密歇根理工学院 (MTRI)，与还有，承担了美国交通部研究和创新技术管理局的一个项目 (RITA) 探索使用遥感技术来评估和监测 改善桥梁基础设施状况，提高检查、维修、 和康复工作。这项调查建立在放置传感器的现有工作的基础上 直接在桥梁结构上评估恶化和损坏。

遥感技术与就地传感器相关联，以获得桥梁 状态评估数据，无需在结构上放置重型仪器。 该信息由计算机决策支持系统进行分析，以开发独特的 桥梁状况的签名。监控这些签名如何随时间变化可以提供 州和地方工程师提供用于确定关键优先级的附加信息 维护和修理我们国家的桥梁。获取此信息的能力 无需密集传感器网络即可远程连接许多桥梁 更准确、近实时地评估桥梁状况。改进评估 允许有限的资源更好地分配在维修和保养工作中， 从而延长桥梁资产的使用寿命和安全性，并最大限度地降低成本 延长使用寿命。

关于该项目

项目摘要

执行摘要

足球比赛结果开发出遥感技术桥接条件签名可用于提高桥梁检查团队的效率并改进 运输机构的资产管理计划。因为没有单一类型的传感器 可以提供准确评估桥梁状况所需的所有信息， 我们的方法集成了现场传感器、“本地”遥感数据（例如 红外热成像）和远距离遥感数据（例如卫星图像） 创建独特的桥梁签名，提供桥梁的整体评估 结构健康。这些数据集成在决策支持系统 (DSS) 中 应用来自多个来源的信息，包括传感器数据；之前的检查 结果；现有桥梁管理系统；实验室验证的模型；和气象 输入。这“签名” 从可用于跟踪桥梁状况变化的基线索引开始 随着时间的推移。

项目概念流程图。

系统通过为桥梁资产管理者提供获取信息的工具来增加价值 无需在桥梁上安装仪器即可评估桥梁状况。并由 为检查组提供相关初步状况评估数据、桥梁 检查团队可以将精力集中在传感器识别的问题点上 通过 DSS 进行评估。这些指标，结合模型和算法 在实验室和历史桥梁检查记录中验证，提供 输入到 DSS。 DSS 允许管理者和决策者确定维护的优先级 基于客观数据和分析能力的康复工作可以帮助 监控状况、状况变化，并制定更具成本效益的计划。

项目目标

The project had three primary goals:

  • 建立遥感桥梁健康指标
  • 制定基准桥梁性能指标，即桥梁状况签名，用于 对整体桥梁状况进行基准测试
  • 提供一个系统，增强州和地方桥梁工程师的能力 优先考虑国家桥梁的关键维修和维护需求

背景

国家基础设施的状况越来越受到关注，主要是 2007 年明尼阿波利斯 I-35W 公路倒塌等灾难性事件造成的。 日益恶化的交通基础设施给交通部门带来了沉重的负担 很多年了。桥梁继续老化，需要资金来修复和更换桥梁 在目前的资金水平下，基础设施不足。美国有 60 万人口 公路桥梁。结构性缺陷，描述了显着的状况 承载元件和水道开口的充足性通常直接相关 到桥梁时代（AASHTO 2008）。 3% 的桥梁年龄在 15 至 19 岁之间 老年人，以及 95 岁至 100 岁的老年人中，有 53% 存在结构缺陷（Memmott 2007）。

近年来，桥梁结构健康监测（SHM）采用了“水平 IV”方法，主要重点是准确监测现场行为以评估 使用中的性能、检测损坏并确定结构的状况（ISIS 2001）。大多数研究工作都集中在结构健康的子系统上 监测系统，包括静态和动态现场测试，以及定期监测和 持续监控，但完整的SHM体系还需要例行检查， 数据管理、数据解释和决策支持。 SHM 的最新进展 包括新颖的传感技术和评估方法，例如无线传感器， 应变传感薄膜和局部损伤识别，而是一个完整的解决方案 上述挑战尚未实现。 SHM 进一步复杂化 桥梁类型、材料、操作环境等方面存在很大程度的差异 结构配置。

机械和耐用性问题。

不存在能够完全确定条件的单一 SHM 方法 一座桥的。当前的评估方法提供了有关病情的关键信息 桥梁的数据，但所获得的数据必须由熟练的专业人员进行解释，并且 通常仅限于局部指标，例如应力、应变、温度、挠度、 潮湿、开裂和分层。

遥感技术能够结合多种方法来获取 更完整的评估。这些方法表现出结构性指标之间的分歧 全球层面的应对措施和地方层面的物质危机。组合 这些指标可以更好地了解桥梁的整体状况。

技术方法

足球比赛结果团队调查了遥感数据的程度，特别是 来自航空和卫星图像等来源的数据可有效用于监测 桥梁健康的组成部分，例如桥面或其他结构的状况 元素。远程遥感数据源有可能有效地 监测道路和桥梁表面的状况和质量，如果图像数据 能够可靠地捕捉当前和变化状况的指标。因为改变 两年的时间可能是最短的，我们使用了可用的商业卫星档案 来自供应商的信息，以确定随着时间的推移可能发生的变化，同时关联条件签名 当前不同高、低和中等质量条件的样本的图像 在桥梁上。通过这些方法，我们能够报告遥感数据 数据能够以具有成本效益的方式告诉运输机构桥梁评估团队 并及时进行。该计划通过受控的组合实现了这一评估 实验室实验、现场演示和数据分析。 

示例流程图

现场传感器应用

现场传感器在桥梁结构附近进行非接触式测量 非破坏性地感知表面和/或内部条件。具体目标 现场传感器评估的内容包括：

  • 通过受控测量确定现场传感器可以定量 桥梁构件结构健康的测量
  • 提供数据来开发和演示自动化数据处理算法 促进桥梁检查员以具有成本效益的方式使用现场传感器，并提供 DSS 的定量结构健康数据
  • 提供数据以确定类似的远程传感器是否可以进行类似的定量 更远距离的测量

遥感应用

卫星和机载遥感在监测方面显示出越来越大的前景 路面基础设施状况。本项目验证并应用了该方法 评估和监测关键桥梁构件状况的能力 桥接操作。

三个商用合成孔径雷达系统（PALSAR、RADARSAT-II 和 ENVISAT） 可以测量桥梁振动和挠度。我们确定了灵敏度 使用远距离远程传感器进行这些测量的要求，然后进行评估 无论是理论上还是实验上，这些现有的商用传感器是否可以 提供所需的信息。这些 SAR 系统提供所需的时间 以可承受的成本进行天气覆盖，以进行广域桥梁评估。

传感器验证和现场研究

代表性的桥梁构件结构，例如混凝土桥面和支架， 使用具有不同程度的损坏和材料污染来获得传感器 数据。 

将传感器数据与样本地面实况数据进行比较，以定义定量 传感器数据与不同程度的桥梁部件损坏之间的关系或 污染。收集的数据还用于开发和验证数据处理 DSS 算法。

定义传感器特征与结构损坏之间的关系后 并开发了自动数据处理算法，组合测量/数据 处理系统在与 MDOT 联合确定的现场进行了测试 代表典型的桥梁检测操作情况。一系列 进行了现场测试，以确定基于经过验证的初始桥梁签名 技术。

比较原位传感器、现场传感器和远距离传感器的维恩图。

决策支持系统

桥梁状况决策支持系统将包括应用算法的能力 用于从传感器数据中提取并组合相关条件信息，进行比较 当前传感器数据与历史数据相结合以确定趋势并提出建议 使用具有成本效益的维护和维修方案确保最佳桥梁健康状况。 作为综合桥梁评估的一部分，DSS 能够利用 来自现有系统的历史数据。对于我们的研究区域，这些是密歇根州 桥梁检查系统 (MBIS) 和密歇根桥梁报告系统 (MBRS)。

结合现场传感器、现场传感器和远距离遥感的数据 使用适当的统计算法，DSS集成数据来支持和扩展 当前的桥梁监测实践。该图显示了传感器如何输入 DSS。 

决策支持系统集成。

我们计划让用户能够通过映射界面选择特定的桥， 然后能够查询历史数据和新感测数据，以及基于算法的 分析结果支持具有成本效益的桥梁监测和维护。理解 并报告 DSS 在多大程度上制定了有用且一致的措施 对于桥梁评估团队来说及时且具有成本效益的问题已通过以下工作解决 密切关注我们技术咨询委员会的意见。

技术经济评估

作为该项目的一部分进行了技术评估和经济评估。 技术评估评估了 DSS 工具及其技术组件（例如 模型和算法），以及传感器输入以确定它们在 展示对交通有用的综合桥梁评估 机构最终用户。这包括评估桥梁检查的准确性和可靠性 由测试传感器进行测量并将这些测量值与标准测量值进行比较 由桥使用。

经济评估审查了所开发的传感技术的成本和 评估这些成本与技术提供的附加值的关系 在改进桥梁健康监测方面。最终，这个任务回答了这个问题 所开发的技术是否具有成本效益，是否如所证明的那样， 对全面实施未来可能的成本的分析。

任务和可交付成果

任务 1 项目管理

2010 年 1 月至 2012 年 1 月

任务 2 桥梁状况表征

2010 年 2 月至 2011 年 10 月

  • 可交付成果 2-A：实践现状综合报告
  • 可交付成果 2-B：实验室测试和模拟结果报告
  • 可交付成果 2-C：桥梁遥感响应的模型、模拟和数据 特点

任务 3 商业传感器评估

2010 年 4 月至 8 月

任务 4 决策支持系统

2010 年 7 月至 2011 年 3 月

  • 可交付成果 4-A：可供项目使用的演示决策支持系统 (DSS) 利益相关者通过安全的门户网站
  • 可交付成果 4-B：总结 DSS 的报告，包括其组件的描述， 它如何集成感测数据和历史数据以支持桥梁评估、算法 及其应用的模型、它们是如何开发的以及如何将 DSS 转向 运行状态

任务 5 现场演示

2011 年 1 月至 10 月

  • 交付成果 5-A：总结遥感现场演示结果的报告 对两座选定桥梁进行桥梁状况评估的申请
  • 有关的情况说明书3D光桥评估系统(3DOBS)

任务 6：评估

2011 年 10 月至 2012 年 1 月

  • 可交付成果 6-A：总结技术评估和评估结果的报告
  • 交付成果 6-B：详细说明经济评估结果的报告

项目团队和合作伙伴

技术顾问委员会

文件

可交付成果 1-A：季度报告

成员和附属机构

  • 史蒂夫·库克密歇根交通部 (MDOT)
  • 道格拉斯·库托，交通研究委员会 (TRB)
  • 迈克尔·约翰逊，CALTrans
  • 丹约翰斯顿，独立材料顾问
  • 丹尼斯·科拉尔，奥克兰县道路委员会
  • 杜安水獭，交通技术中心有限公司
  • 基思拉姆齐，德克萨斯州交通部
  • 卡琳·罗伯茨-沃尔曼，弗吉尼亚理工大学
  • 罗杰·苏达尔，Federal Highways Administration (FHWA)
  • 彼得·斯威特曼，密歇根大学交通研究所 (UMTRI)
  • 艾米·特拉希，五大湖工程集团

相关资源

  • 国家交通遥感联盟 (NCRST)

其他 NCRST 计划

  • —密西西比州立大学
  • 货运：边境口岸—俄亥俄州立大学
  • 货运：拥堵收费——伦斯勒理工学院
  • 货运：大都会港口 - 加州大学圣塔芭芭拉分校
  • —University of North Carolina at Charlotte
  • 基础设施：路面—西部研究院
  • 基础设施：乡村道路——南达科他州立大学