CN102162773A - 基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，包括：设置于各个桥梁上的桥梁健康状态数据采集与处理子系统，设置于后台的桥梁健康实时监测中心，用于接收桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据，并藉此得出健康状态评估、比较及寿命预测，以及桥梁维护保养策略；各子系统均通过无线方式与桥梁健康实时监测中心进行数据传输。本系统采用在具体桥梁安装桥梁健康状态数据采集与处理子系统，在后台安装桥梁健康实时监测中心，并采用无线通信技术来实现子系统与桥梁健康实时监测中心之间的数据传输，从而降低了施工难度与成本，监测点的布置更为灵活。

Description

基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统及方法

技术领域

本发明涉及桥梁健康实时监测技术领域，具体涉及一种基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统及方法。

背景技术

随着交通运输事业的快速发展，各种大型桥梁在交通工程中的重要性日益突出。目前，已建成的许多桥梁进入了养护维修阶段，我国桥梁总数的40％已属“老龄”桥梁。国内桥梁突发性、灾难性事故日益增多，给人民生命财产造成了严重损失。为了预防灾难性事件的发生，对大型桥梁进行系统的监测，以实现预测、预报事故，防止灾害的发生，成为保证交通安全的重大课题。

长期以来，对于桥梁的安全检测一直以人工方法为主。人工检测不仅需要大量的人力物力，而且不能及时发现问题，不能完全满足桥梁安全需要。

桥梁健康实时监测系统采用应变、加速度等力学传感器，以及温度、湿度等环境传感器构成传感网络，通过现代通信技术将采集信息实时传输到信息中心分析和处理，从而实现对桥梁健康状况的实时监测、分析、评估，以及危险桥梁的及时预警。

目前，国内外大型桥梁健康监测系统多针对单个桥梁进行数据采集与检测，由于测点众多且分布分散，彼此之间相距甚远，且数据传输多通过有线网络完成，不仅安装布线麻烦、成本高，而且也难以实现对多个大型桥梁(桥梁集群)健康状况的同时监测。

随着中国第三代移动通信技术的发展，中国标准的TD-SCDMA无线网络已经覆盖北京、天津、上海、青岛、秦皇岛、沈阳、深圳和广州等十多个大中型城市，随着运营商的不断建设，TD-SCDMA、CDMA2000等第3代、第4代无线移动通信技术具有更为优秀的数据传输带宽，能满足桥梁健康监测系统数据传输的需求，且网络覆盖面积在不断增大与完善。无线通信技术的迅猛发展，为集群式桥梁健康监测提供了良好的通信网络基础。

本发明将无线通信技术运用于桥梁健康监测系统中，通过软件和硬件的自主开发，实现集群式桥梁健康实时监测系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，本系统采用在具体桥梁安装桥梁健康状态数据采集与处理子系统，在后台安装桥梁健康实时监测中心，并采用无线通信技术来实现桥梁健康状态数据采集与处理子系统与桥梁健康实时监测中心之间的数据传输，从而降低了施工难度与成本，监测点的布置更为灵活。

本发明目的还在于提供上述基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统的实现方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，包括：

设置于桥梁上的桥梁健康状态数据采集与处理子系统，用于实时采集桥梁的健康状态参数并生成桥梁健康监测数据，采用无线方式上传至桥梁健康实时监测中心：

设置于后台的桥梁健康实时监测中心，用于接收桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据，并藉此得出健康状态评估、比较及寿命预测，以及桥梁维护保养策略；

本基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统包括多个桥梁健康状态数据采集与处理子系统，各子系统均通过无线方式与桥梁健康实时监测中心进行数据传输。以此实现集群式桥梁健康实时监测。

所述桥梁健康状态数据采集与处理子系统与桥梁健康实时监测中心之间的通信方式优选TDSCDMA、CDMA2000等3G无线通信技术。具体采用的通信方式，可根据桥梁、监测中心所在区域的具体通信方式的信号覆盖面积与信号强度选择。

具体的实现方案是：

所述桥梁健康状态数据采集与处理子系统设置有：

桥梁环境监测子系统，实时测量桥梁环境参数，包括风向风速、温湿度、海水盐度等等；

桥梁整体变形监测子系统，测量桥梁整体结构形变参数；

桥梁结构应力应变监测子系统，结构的动静态应力应变参数；

数据预处理与无线发送系统，按照测量桥梁环境参数、桥梁整体结构形变参数、结构的动静态应力应变参数等各种不同参数的采集频率要求，对原始参数进行平滑滤波处理，经整理后，形成桥梁健康监测数据存储到新建的数据存储表，通过无线方式定期将桥梁健康监测数据发送到集群式桥梁健康监测中心。

具体的，所述桥梁环境监测子系统设置有：风向风速传感器、温湿度传感器、海水盐度传感器等；

所述桥梁整体变形监测子系统设置有：GPS变形测量系统；测量桥梁整体结构形变

所述桥梁结构应力应变监测子系统设置有：电阻式应力应变传感系统或者光纤光栅传感系统，均用于结构的动静态应力应变参数，通过对结构动应力应变的监测，可以较好地掌握桥梁的受动态荷载(车辆、地震、台风)下结构的响应。

所述数据预处理与无线发送系统设置有：

ARM9微处理器，用于按照测量桥梁环境参数、桥梁整体结构形变参数、结构的动静态应力应变参数等各种不同参数的采集频率要求，对原始参数进行平滑滤波处理，经整理后，形成桥梁健康监测数据存储到数据存储表；

无线通信模块，用于将数据存储表中的桥梁健康监测数据发送到桥梁健康实时监测中心。

所述风向风速传感器、温湿度传感器、海水盐度传感器分别通过A/D转换模块与ARM9微处理器相连接，所述无线通信模块通过RS485接口与ARM9微处理器相连接，所述GPS变形测量系统通过RS485接口与ARM9微处理器相连接，当所述桥梁结构应力应变监测子系统设置有电阻式应力应变传感系统时，电阻式应力应变传感系统通过RS485接口与ARM9微处理器相连接，当所述桥梁结构应力应变监测子系统设置有光纤光栅传感系统时，光纤光栅传感系统通过TCP/IP网络接口与ARM9微处理器相连接。

所述电阻式应力应变传感系统包括应力应变仪、应力传感器、应变传感器，应力传感器、应变传感器均与应力应变仪相连接。

所述光纤光栅传感系统包括光纤光栅解调仪、应力传感器、应变传感器，应力传感器、应变传感器均与光纤光栅解调仪相连接。

优选的，所述无线通信模块采用3G无线通信模块。

所述桥梁健康实时监测中心设置有：

桥梁结构分析模型，用于将每个桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据输入到对应桥梁的结构模型，计算得出在当前环境及受力状态下不同桥梁的桥梁健康指标参数，包括结构变形、结构疲劳状态、结构动态响应等；

集群式桥梁健康监测分析系统，根据桥梁结构分析模型得出的各个桥梁健康指标参数，通过桥梁设计指标、相关桥梁规范的对比、分析，以及相似环境不同结构桥梁、相似结构不同环境桥梁健康状态的对比性分析，分别得出所监测桥梁集群的健康状态、寿命预测，以及统筹的维护保养策略和措施。

上述基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统的实现方法，步骤如下：

桥梁健康状态数据采集与处理子系统实时采集桥梁的健康状态参数并生成桥梁健康监测数据，采用无线方式上传至桥梁健康实时监测中心；

桥梁健康实时监测中心接收多个桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据，并藉此得出健康状态评估、比较及寿命预测，以及桥梁维护保养策略。

本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：

本发明基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，本系统采用在具体桥梁安装桥梁健康状态数据采集与处理子系统，在后台安装桥梁健康实时监测中心，并采用无线通信技术来实现桥梁健康状态数据采集与处理子系统与桥梁健康实时监测中心之间的数据传输，从而降低了施工难度与成本，监测点的布置更为灵活。而且，可以设置多个桥梁健康状态数据采集与处理子系统，各子系统均通过无线方式与桥梁健康实时监测中心进行数据传输。以此实现集群式桥梁健康实时监测。

通过集群式桥梁健康监测，可实现对散布在较大区域内的多座桥梁健康状态数据的横向比较、统一管理、彻底改变了以往单座桥梁健康监测系统彼此之间无法实现信息共享的“信息孤岛”局面，既便于对多座桥梁的统一维护、管理，也便于对区域环境内多座桥梁健康状况的纵向、横向分析比较与研究。

附图说明

图1是实施例中基于3G通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统的整体结构示意图；

图2是实施例中数据采集与处理子系统的结构示意图；

图3是实施例中桥梁健康实时监测中心的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，

包括：设置于桥梁(1、2...n)上的桥梁健康状态数据采集与处理子系统；

设置于后台的桥梁健康实时监测中心；

各子系统均通过3G无线网络与桥梁健康实时监测中心进行数据传输。

如图2所示，桥梁健康状态数据采集与处理子系统设置有：

桥梁环境监测子系统，设置有：风向风速传感器、温湿度传感器、海水盐度传感器等，实时测量桥梁环境参数，包括风向风速、温湿度、海水盐度等等；

桥梁整体变形监测子系统，设置有GPS变形测量系统，测量桥梁整体结构形变参数；

桥梁结构应力应变监测子系统，设置有：电阻式应力应变传感系统或者光纤光栅传感系统，均用于结构的动静态应力应变参数，通过对结构动应力应变的监测，可以较好地掌握桥梁的受动态荷载(车辆、地震、台风)下结构的响应；

数据预处理与无线发送系统，按照测量桥梁环境参数、桥梁整体结构形变参数、结构的动静态应力应变参数等各种不同参数的采集频率要求，对原始参数进行平滑滤波处理，经整理后，形成桥梁健康监测数据存储到新建的数据存储表，通过无线方式定期将桥梁健康监测数据发送到集群式桥梁健康监测中心。设置有：ARM9微处理器，用于按照测量桥梁环境参数、桥梁整体结构形变参数、结构的动静态应力应变参数等各种不同参数的采集频率要求，对原始参数进行平滑滤波处理，经整理后，形成桥梁健康监测数据存储到数据存储表；3G无线通信模块，用于将数据存储表中的桥梁健康监测数据发送到桥梁健康实时监测中心。

所述风向风速传感器、温湿度传感器、海水盐度传感器分别通过A/D转换模块与ARM9微处理器相连接，所述无线通信模块通过RS485接口与ARM9微处理器相连接，所述GPS变形测量系统通过RS485接口与ARM9微处理器相连接，当所述桥梁结构应力应变监测子系统设置有电阻式应力应变传感系统时，电阻式应力应变传感系统通过RS485接口与ARM9微处理器相连接，当所述桥梁结构应力应变监测子系统设置有光纤光栅传感系统时，光纤光栅传感系统通过TCP/IP网络接口与ARM9微处理器相连接。

所述电阻式应力应变传感系统包括应力应变仪、应力传感器、应变传感器，应力传感器、应变传感器均与应力应变仪相连接。

所述光纤光栅传感系统包括光纤光栅解调仪、应力传感器、应变传感器，应力传感器、应变传感器均与光纤光栅解调仪相连接。

如图3所示，所述桥梁健康实时监测中心设置有：

桥梁结构分析模型，用于将每个桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据输入到对应桥梁的结构模型，计算得出在当前环境及受力状态下不同桥梁的结构变形、结构疲劳状态、结构动态响应等桥梁健康指标参数；

集群式桥梁健康监测分析系统，根据桥梁结构分析模型得出的各个桥梁健康指标参数，通过桥梁设计指标、相关桥梁规范的对比、分析，以及相似环境不同结构桥梁、相似结构不同环境桥梁健康状态的对比性分析，分别得出所监测桥梁集群的健康状态、寿命预测，以及统筹的维护保养策略和措施。

上述基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统的实现方法，步骤如下：

桥梁健康状态数据采集与处理子系统实时采集桥梁的健康状态参数并生成桥梁健康监测数据，采用无线方式上传至桥梁健康实时监测中心；

桥梁健康实时监测中心接收多个桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据，并藉此得出健康状态评估、比较及寿命预测，以及桥梁维护保养策略；

以下将本发明与现有桥梁健康检测系统做详细对比：

一、单座桥梁健康状态数据采集与处理子系统与传统基于工业控制计算机的数据处理中心的区别在于：

1.传统做法为将数据采集、处理、桥梁健康分析系统集中在一台工控机中，由一台工控机处理单座桥梁的健康监测数据，并给出桥梁健康评价和维护策略。本系统将数据采集与处理系统与桥梁健康分析系统分开，采用ARM嵌入式中心处理单元代替传统的基于工业控制计算机的数据采集与处理系统，多座桥梁的健康分析则集中于集群式桥梁健康监测中心中进行处理。一方面，通过将数据采集、处理系统与桥梁结构健康分析系统分开，有利于集群式桥梁健康检测数据的集中分析、相同河流不同结构或相似结构不同环境桥梁结构的类比分析，以及多座桥梁维护策略的统一协调、调配；另一方面，用体积较小的嵌入式系统取代了传统的工业计算机，设备安装、维护更为便捷。

2.传统做法多采用有线网络实现桥梁监测传感系统与健康监测系统的连接。本系统通过在ARM嵌入式中心处理单元安装3G无线模块的方式，以3G无线传输方式替代的传统的有线传输方式，可节约大量综合布线和检修成本。

3.在采用ARM微处理器和3G网络将数据采集处理系统与健康分析系统分开处理后，需要重新编写基于嵌入式处理系统的原始数据滤波处理、数据存储程序，以形成比较完备的桥梁健康监测数据。该种基于嵌入式处理系统的数据处理程序与传统数据处理、滤波、分析、给出健康评价和维护策略基于计算机的程序完全不同。

二、集群式桥梁健康监测中心与传统系统的不同之处在于：

1.该中心可同时显示、分析多座桥梁的健康监测状况，便于决策者根据不同的经费预算，优化统筹区域内的桥梁集群维护保养。

2.通过集群式桥梁健康监测，可实现对散布在较大区域内的多座桥梁健康状态数据的横向比较、统一管理、彻底改变了以往单座桥梁健康监测系统彼此之间无法实现信息共享的“信息孤岛”局面，更便于对区域内相似环境、不同结构桥梁或不同环境、相似结构桥梁健康状况的纵向、横向分析比较与研究，从而有利于促进桥梁结构的优化设计，并实现多座桥梁的优化维养。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，其特征在于，包括：

设置于桥梁上的桥梁健康状态数据采集与处理子系统，用于实时采集桥梁的健康状态参数并生成桥梁健康监测数据，采用无线方式上传至桥梁健康实时监测中心；

设置于后台的桥梁健康实时监测中心，用于接收桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据，并藉此得出健康状态评估、比较及寿命预测，以及桥梁维护保养策略；

本基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统包括多个桥梁健康状态数据采集与处理子系统，各子系统均通过无线方式与桥梁健康实时监测中心进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，其特征在于：所述桥梁健康状态数据采集与处理子系统与桥梁健康实时监测中心之间的通信方式为3G通信方式。

3.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，其特征在于，所述桥梁健康状态数据采集与处理子系统设置有：

桥梁环境监测子系统，实时测量桥梁环境参数，包括风向风速、温湿度、海水盐度；

桥梁整体变形监测子系统，测量桥梁整体结构形变参数；

桥梁结构应力应变监测子系统，结构的动静态应力应变参数；

数据预处理与无线发送系统，按照测量桥梁环境参数、桥梁整体结构形变参数、结构的动静态应力应变参数等各种不同参数的采集频率要求，对原始参数进行平滑滤波处理，经整理后，形成桥梁健康监测数据存储到新建的数据存储表，通过无线方式定期将桥梁健康监测数据发送到集群式桥梁健康监测中心。

4.根据权利要求3所述的基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，其特征在于，所述桥梁环境监测子系统设置有：

风向风速传感器、温湿度传感器、海水盐度传感器；

所述桥梁整体变形监测子系统设置有：GPS变形测量系统，测量桥梁整体结构形变；

所述桥梁结构应力应变监测子系统设置有：电阻式应力应变传感系统或者光纤光栅传感系统，均用于结构的动静态应力应变参数。

5.根据权利要求4所述的基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，其特征在于，所述数据预处理与无线发送系统设置有：

ARM9微处理器，用于按照测量桥梁环境参数、桥梁整体结构形变参数、结构的动静态应力应变参数等各种不同参数的采集频率要求，对原始参数进行平滑滤波处理，经整理后，形成桥梁健康监测数据存储到数据存储表；

无线通信模块，用于将数据存储表中的桥梁健康监测数据发送到桥梁健康实时监测中心。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统，其特征在于：所述桥梁健康实时监测中心设置有：

桥梁结构分析模型，用于将每个桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据输入到对应桥梁的结构模型，计算得出在当前环境及受力状态下不同桥梁的桥梁健康指标参数，包括结构变形、结构疲劳状态、结构动态响应；

集群式桥梁健康监测分析系统，根据桥梁结构分析模型得出的各个桥梁健康指标参数，通过桥梁设计指标、相关桥梁规范的对比、分析，以及相似环境不同结构桥梁、相似结构不同环境桥梁健康状态的对比性分析，分别得出所监测桥梁集群的健康状态、寿命预测，以及统筹的维护保养策略和措施。

7.根据权利要求1所述的基于无线通信技术的集群式桥梁健康实时监测系统的实现方法，其特征在于，步骤如下：

桥梁健康状态数据采集与处理子系统实时采集桥梁的健康状态参数并生成桥梁健康监测数据，采用无线方式上传至桥梁健康实时监测中心；

桥梁健康实时监测中心接收多个桥梁健康状态数据采集与处理子系统上传的桥梁健康监测数据，并藉此得出健康状态评估、比较及寿命预测，以及桥梁维护保养策略。

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