CN105352545B - 桥墩冲刷全过程演化动态监测系统及监测方法 - Google Patents

桥墩冲刷全过程演化动态监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥墩冲刷全过程演化动态监测系统，包括冲刷传感石块、参考浮标和数据处理系统，其中：冲刷传感石块位于桥墩周围的河床表面并在冲刷坑内运动，包括外壳和位于外壳内的四个RFID标签，四个RFID标签分别位于正四面体的四个顶点；参考浮标位于桥墩附近的水面，包括外壳和位于外壳内的RFID阅读器、GPS、无线通讯模块和陀螺仪。同时，本发明还公开了监测方法。针对桥梁冲刷所处的复杂水环境和冲刷监测、防护的重大需求及RFID的测试优点，本发明解决了复杂水环境下桥墩冲涮监测和预警问题，可在桥梁正常运营的情况下进行桥墩冲刷全过程演化的动态监测并对桥墩安全预警，不影响交通，并具有操作简单、性能稳定等优点。

Description

桥墩冲刷全过程演化动态监测系统及监测方法
技术领域
本发明是一种桥墩冲刷监测系统及监测方法，属于测量技术领域。
背景技术
传统的桥梁冲刷深度测量主要依靠人工检测，但水上作业严重威胁着检测人员的生命安全，且测量的准确性通常依赖检测人员的操作经验。近二十年以来，桥梁冲刷监测逐渐受到国内外研究人员和学者的重视，目前正在使用和逐渐发展的冲刷监测方法主要有声呐、雷达、超声波等检测方法，及电磁波时域反射(Time Domain Reflectometry,TDR)、光纤光栅等在线监测方法。声呐、雷达可确定泥沙淤积和冲刷的深度，探测装置较易安装，一般用于洪水过后的冲刷检查，不能实现冲刷全过程演化动态监测，并且声呐和雷达的信号质量非常容易受泥沙颗粒或者水草等物的影响，在洪水期间，水流中含有大量泥沙和其他悬浊物时，监测的信号严重衰减，对于超声波存在同样的缺点；另一方面，因声呐和雷达信号的测试、编译非常复杂，需要熟练的专业操作人员。TDR应用于桥梁冲刷监测时，通过冲刷导致相应部位的电缆变形甚至破坏，从而感知冲刷，但不能实现冲刷全过程演化动态监测，且容易造成信号失真，影响测量结果。光纤光栅测量法是将光纤光栅与特定的悬臂梁或其他杆件组合，布置在桥墩附近的河床，虽然直接或者间接地感知泥沙冲刷引起的土压力变化，但这种方法难以在恶劣服役环境下操作，并在定量方面存在困难。水下浮标和磁性定位环等作为一种冲刷监测技术，由于其监测到相应位置的冲刷后即告失效，缺乏一个长期有效、主动的服役周期，更无法实现桥墩冲刷全过程演化动态监测。
桥梁冲刷的机理十分复杂，随着水文现象的变化，其对桥梁的破坏呈现突发性和偶然性，极易造成危及生命财产的破坏，桥梁服役期间的冲刷分析需要依靠测试手段，但目前还没有可靠的桥墩冲刷全过程演化动态监测方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种桥墩冲刷全过程演化动态监测系统，能够可靠地对桥墩冲刷全过程演化进行动态监测。
与其相应，本发明另一个要解决的技术问题是应用上述监测系统进行精准测量、监测桥墩冲刷的方法。
就监测系统而言，包括冲刷传感石块、参考浮标和数据处理系统，其中：所述冲刷传感石块位于桥墩周围的河床表面并在冲刷坑内运动，包括混凝土外壳和位于混凝土外壳内的四个RFID标签，所述四个RFID标签分别位于正四面体的四个顶点；所述参考浮标，位于桥墩附近的水面，包括外壳和位于外壳内的RFID阅读器、GPS和无线通讯模块。
射频识别，RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。射频识别包括射频识别标签和射频识别阅读器。射频标签：每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，按照预设的规则周期性的进行信号发射。阅读器是对标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分，当射频识别标签的信号进入阅读器的作用区域，阅读器获取到标签发射出来的信息，即完成了对标签的识别过程。
本发明通过参考浮标内的RFID阅读器接收四个RFID标签的信号并转化成距离，通过GPS测得参考浮标位置坐标，无线通讯模块将GPS数据和RFID阅读器的数据传输至数据处理系统，通过四个RFID标签与RFID阅读器之间的距离，计算出冲刷传感石块的实时坐标，通过冲刷传感器石块在每一时刻的三维位置建立运动轨迹，构建桥墩冲刷的全过程演化。通过冲刷传感器石块实时坐标的变化，计算冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离变化即冲刷深度和冲刷传感石块的三维转动角度。通过桥墩在每一时刻的冲刷深度计算其屈曲稳定承载力，并与极限承载力比较从而对桥墩安全进行预警。通过冲刷传感石块的三维转动角度预测其运动趋势，进一步可预测桥墩冲刷的扩展。
因此，针对桥梁冲刷所处的复杂水环境和冲刷监测、防护的重大需求及RFID的测试优点，本发明采用RFID、GPS、终端系统等构造一种桥墩冲刷监测系统，解决了复杂水环境下桥墩冲刷全过程演化动态监测和预警问题，可在桥梁正常运营的情况下进行桥墩冲刷全过程演化的动态监测并对桥墩安全预警，不影响交通，并具有操作简单、性能稳定等突出优点。
进一步地，所述参考浮标还包括位于外壳中心处的陀螺仪，所述RFID阅读器、GPS和无线通讯模块封装在一起后位于陀螺仪的中心。
由于陀螺仪的定向作用，当参考浮标漂浮在水面上滚动或晃动时，RFID阅读器和GPS只发生平动而不发生旋转。
进一步地，所述RFID标签为有源RFID标签，所述冲刷传感石块还包括位于四个有源RFID标签中心处的晃动式充电电池。
晃动式充电电池可以依靠水流不间断的冲击为电池本身进行充电，特别是在参考浮标在水面上始终处于晃动或者滚动状态，可以对晃动式充电电池进行充电，通过晃动式充电电池对RFID标签进行供电，使有源RFID标签使用周期更长。
就监测方法而言，包括如下步骤：
S1)测量参考浮标中心的位置：在i时刻，在GPS基站处设置固定坐标系oxyz，通过参考浮标中的GPS测量得到参考浮标的中心R的瞬时三维位置(x0i,y0i,z0i)；
S2)计算冲刷传感石块重心的坐标：通过冲刷传感石块中的四个有源RFID标签发射信号，参考浮标中的有源RFID阅读器读取信号后，得到冲刷传感石块中第j个有源RFID标签至参考浮标的距离为rij，(j＝A，B，C，D)：
通过几何计算和坐标转换，及冲刷传感石块中四个有源RFID标签至参考浮标的距离rij，可求得有源RFID标签的三维位置为(xij，yij，zij)，(j＝A，B，C，D)，
冲刷传感石块的重心T的三维坐标为
S3)根据正四面体的性质和几何计算，得到冲刷传感石块的冲刷深度和三维旋转角：
任何i时刻冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离为hi＝zi-z0i，
在初始位置时，冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离为h0＝z0-z00，
桥墩的冲刷深度为hsci＝hi-h0，
对于S1)中的固定坐标系oxyz，由冲刷传感石块中四个有源RFID标签的三维位置(xij，yij，zij)，计算出冲刷传感石块分别绕x，y，z轴的三维旋转角度(θxi，θyi，θzi)。
本发明的监测方法通过无线通讯模块将GPS数据和RFID阅读器的数据传输至数据处理系统。通过冲刷传感器石块在每一时刻的三维位置建立运动轨迹，构建桥墩冲刷的全过程演化。通过冲刷传感石块的三维转动角度预测其运动趋势，进一步可预测桥墩冲刷的扩展。基于桥墩在每一时刻的冲刷深度hsci计算其屈曲稳定承载力，并与极限承载力比较从而对桥墩安全进行预警，是一种可靠的桥墩冲刷全过程演化动态监测方法。
进一步地，冲刷传感石块直径的确定方法：以桥墩为中心建立柱坐标系分别取为0度、15度、90度、180度、270度、345度，得到桥墩四周360度范围内三维冲刷坑的6个竖向截面，将冲刷传感石块置于6个竖向截面与冲刷坑相交的位置，考虑冲刷传感石块的浮容重、拖拽力、升力、漩涡作用等，根据河床泥沙的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和洪水行进流速、水深及冲刷传感石块的容重，计算冲刷传感石块在冲刷坑内的运动和受力特征，得到在每个截面处冲刷传感石块沿着冲刷坑朝下运动时的直径与墩前行进流速的关系，取最大的洪水行进流速和水深，得到冲刷传感石块在每个截面处沿着冲刷坑朝下运动时的最小直径，对于6个竖向截面，可得到6个冲刷传感石块的最小直径，取6个直径中的最大值，即为冲刷传感石块的直径。
如果冲刷传感石块的直径太大，则其重量太重，就不能在冲刷坑里运动，不能随着冲刷坑的深度变化而运动，那么就不能实现冲刷全过程演化的动态监测；如果冲刷传感石块的直径太小，也就是重量太小，那么冲刷传感石块将会被水冲跑，无法完成冲刷全过程演化的动态监测。采用上述方法确定冲刷传感石块的直径，使得冲刷传感石块的重量最佳，始终在冲刷坑内且朝下运动，实时反映冲刷的全过程演化，能够满足冲刷全过程演化的动态监测的要求。
综上，针对桥梁冲刷所处的复杂水环境和冲刷监测、防护的重大需求及RFID的测试优点，本发明采用RFID、数据无线传输、终端系统等构造一种桥墩冲刷监测系统，并提出相应的监测方法，可靠地对桥墩冲刷全过程演化实施动态监测。
附图说明
附图1是本发明的桥墩冲刷全过程演化动态监测系统的结构框图；
附图2是桥墩冲刷坑的6个计算截面的柱坐标示意图；
附图3是本发明的冲刷传感石块的结构框图；
附图4是本发明的参考浮标的结构框图；
附图5是冲刷传感器石块中的四个有源RFID标签的空间布置的示意图；
附图6是冲刷传感器石块的3个旋转角的示意图；
附图7是冲刷传感器石块的四个有源RFID标签与参考浮标的中心之间的几何空间关系的示意图；
图8为本发明的监测原理图；
图中：1-桥墩；2-河床；3-冲刷坑；4-桥梁上部结构；5-冲刷传感石块；6-参考浮标、7-震动式充电电池；8-RFID标签；9-工程塑料；10-混凝土外壳、11-GPS；12-RFID阅读器；13-无线通讯模块；14-陀螺仪；15-工程塑料外壳、16-数据处理系统。
具体实施方式
实施例1
本实施例为一种桥墩冲刷全过程演化动态监测系统，包括冲刷传感石块5、参考浮标6和数据处理系统16。
如图1和3所示，冲刷传感石块5位于桥墩周围的河床表面并在冲刷坑内运动，包括混凝土外壳10和位于混凝土外壳内的四个RFID标签8，所述四个RFID标签8分别位于正四面体的四个顶点，所述RFID标签8为有源RFID标签，所述冲刷传感石块5还包括位于四个有源RFID标签中心处的震动式充电电池7。将四个有源RFID标签和震动式充电电池7布置完毕后，采用工程塑料9封装，再浇筑成球形的混凝土外壳10，其直径由前述计算得到。
所述参考浮标6位于桥墩附件的水面，如图4所示，包括外壳15和位于外壳内的RFID阅读器12、GPS11和无线通讯模块13，所述RFID阅读器12接收RFID标签8的信号，所述无线通讯模块13将GPS和RFID阅读器的数据传输给数据处理系统16并由其进行处理。
本发明通过参考浮标6内的RFID阅读器12接收四个RFID标签的信号并转化成距离，通过GPS测得参考浮标位置坐标，由无线通讯模块将GPS数据和有源RFID阅读器的数据传输至数据处理系统，通过四个RFID标签与RFID阅读器之间的距离，计算出冲刷传感石块的实时坐标，通过冲刷传感器石块在每一时刻的三维位置建立运动轨迹，构建桥墩冲刷的全过程演化。通过冲刷传感器石块5实时坐标的变化，计算冲刷传感石块5与参考浮标6之间的垂直距离变化即冲刷深度和冲刷传感石块的三维转动角度。通过冲刷传感石块5的三维转动角度预测其运动趋势，进一步可预测桥墩冲刷的扩展。通过桥墩在每一时刻的冲刷深度计算其屈曲稳定承载力，并与极限承载力比较从而对桥墩安全进行预警。
RFID标签和RFID阅读器12为有源RFID标签和有源RFID阅读器，并由晃动式充电电池7为四个有源RFID标签供电。晃动式充电电池可以依靠水流不间断的冲击为电池本身进行充电，特别是在参考浮标在水面上始终处于晃动或者滚动状态，可以对晃动式充电电池进行充电，通过晃动式充电电池对RFID标签进行供电，使有源RFID标签使用周期更长。
所述参考浮标6还包括位于外壳15中心处的陀螺仪14，所述RFID阅读器12、GPS11和无线通讯模块13封装后位于陀螺仪14的中心。由于陀螺仪的定向作用，当参考浮标漂浮在水面上滚动时，RFID阅读器和GPS只发生平动而不发生旋转。
实施例2
本实施例为应用上述监测系统进行桥墩冲刷全过程演化动态监测方法，包括如下步骤：
S1)将冲刷传感石块和参考浮标设置在相应的位置，测量参考浮标中心的位置：在i时刻，在GPS基站处设置固定坐标系oxyz，通过参考浮标中的GPS测量得到参考浮标的中心R的瞬时三维位置(x0i,y0i,z0i)；i表示时刻的符号，第一次测量时，i＝1，第二次测量时，i＝2，依次类推；
S2)计算冲刷传感石块重心的坐标：通过冲刷传感石块中的四个有源RFID标签(分别标记为A,B,C,D)发射信号，参考浮标中的有源RFID阅读器读取信号后，得到冲刷传感石块中第j个有源RFID标签至参考浮标的距离为rij，(j＝A，B，C，D)：
通过几何计算和坐标转换，及冲刷传感石块中四个有源RFID标签至参考浮标的距离rij，可求得有源RFID标签的三维位置为(xij，yij，zij)，(j＝A，B，C，D)，
冲刷传感石块的重心T的三维坐标为
S3)根据正四面体的性质和几何计算，得到冲刷传感石块的冲刷深度和三维旋转角：
任何i时刻冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离为hi＝zi-z0i，
在初始位置时，冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离为h0＝z0-z00，
桥墩的冲刷深度为hsci＝hi-h0，
对于S1)中的固定坐标系oxyz，由冲刷传感石块中四个有源RFID标签的三维位置(xij，yij，zij)，计算出冲刷传感石块分别绕x，y，z轴的三维旋转角度(θxi，θyi，θzi)。
本发明的监测方法通过无线通讯模块将GPS数据和RFID阅读器的数据传输至数据处理系统。通过冲刷传感器石块在每一时刻的三维位置建立运动轨迹，构建桥墩冲刷的全过程演化。通过冲刷传感石块的三维转动角度预测其运动趋势，进一步可预测桥墩冲刷的扩展。基于桥墩在每一时刻的冲刷深度计算其屈曲稳定承载力，并与极限承载力比较从而对桥墩安全进行预警，是一种可靠的桥墩冲刷全过程演化动态监测方法。
步骤S1)中的冲刷传感石块直径的确定方法是：将墩周的冲刷坑简化为一个前深后浅的、倒置的、近似锥形的三维坑。以桥墩为中心建立如图2所示的柱坐标系分别取为0度、15度、90度、180度、270度、345度，得到桥墩四周360度范围内三维冲刷坑的6个竖向截面，将冲刷传感石块置于6个竖向截面与冲刷坑相交的位置，考虑冲刷传感石块的浮容重、拖拽力、升力、漩涡作用等，根据河床泥沙的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和洪水行进流速、水深及冲刷传感石块的容重，计算冲刷传感石块在冲刷坑内的运动和受力特征，得到在每个截面处冲刷传感石块沿着冲刷坑朝下运动时的直径与墩前行进流速的关系，取最大的洪水行进流速和水深，得到冲刷传感石块在每个截面处沿着冲刷坑朝下运动时的最小直径，对于6个竖向截面，可得到6个冲刷传感石块的最小直径，取6个直径中的最大值，即为冲刷传感石块的直径。通过该方法得到的冲刷传感石块的直径大小合适，始终在冲刷坑内且朝下运动，实时反映冲刷的全过程演化，满足监测要求，既不会因直径过大而导致不能随着冲刷坑的深度变化而运动，也不会因直径太小而导致冲刷传感石块被水冲跑。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种桥墩冲刷全过程演化动态监测系统，其特征在于：包括冲刷传感石块(5)、参考浮标(6)和数据处理系统(16)，其中：所述冲刷传感石块(5)位于桥墩周围的河床表面并在冲刷坑内运动，包括混凝土外壳(10)和位于混凝土外壳内的四个RFID标签(8)，所述四个RFID标签(8)分别位于正四面体的四个顶点；所述参考浮标(6)位于桥墩附近的水面，包括外壳(15)和位于外壳内的RFID阅读器(12)、GPS(11)和无线通讯模块(13)，所述RFID阅读器(12)接收RFID标签(8)的信号，所述无线通讯模块(13)将GPS和RFID阅读器的数据传输给数据处理系统(16)并由其进行处理；所述RFID阅读器读取RFID标签的信号以确定RFID标签与RFID阅读器之间的距离，从而计算出冲刷传感石块的实时坐标，通过冲刷传感器石块在每一时刻的三维位置建立运动轨迹，构建桥墩冲刷的全过程演化。
2.根据权利要求1所述的桥墩冲刷全过程演化动态监测系统，其特征在于：所述参考浮标(6)还包括位于外壳(15)中心处的陀螺仪(14)，所述RFID阅读器(12)、GPS(11)和无线通讯模块(13)封装后位于陀螺仪(14)的中心。
3.根据权利要求1所述的桥墩冲刷全过程演化动态监测系统，其特征在于：所述RFID标签(8)为有源RFID标签，所述冲刷传感石块(5)还包括位于四个有源RFID标签中心处的晃动式充电电池(7)。
4.一种桥墩冲刷全过程演化动态监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1)测量参考浮标中心的位置：在i时刻，在GPS基站处设置固定坐标系oxyz，通过参考浮标中的GPS测量得到参考浮标的中心R的瞬时三维位置(x0i,y0i,z0i)；i表示时刻的符号，第一次测量时，i＝1，第二次测量时，i＝2，依次类推；
S2)计算冲刷传感石块重心的坐标：通过冲刷传感石块中的四个有源RFID标签发射信号，参考浮标中的有源RFID阅读器读取信号后，得到冲刷传感石块中第j个有源RFID标签至参考浮标的距离为rij，j＝A，B，C，D：
通过几何计算和坐标转换及冲刷传感石块中四个有源RFID标签至参考浮标的距离rij，求得有源RFID标签的三维位置为(xij，yij，zij)，j＝A，B，C，D；
冲刷传感石块的重心T的三维坐标为
S3)根据正四面体的性质和几何计算，得到冲刷传感石块的冲刷深度和三维旋转角：
任何i时刻冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离为hi＝zi-z0i，
在初始位置时，冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离为h0＝z0-z00，
桥墩的冲刷深度为hsci＝hi-h0，
对于S1)中的固定坐标系oxyz，由冲刷传感石块中四个有源RFID标签的三维位置(xij，yij，zij)，计算出冲刷传感石块分别绕x，y，z轴的三维旋转角度(θxi，θyi，θzi)。
5.根据权利要求4所述的桥墩冲刷全过程演化动态监测方法，其特征在于：冲刷传感石块直径的确定方法：桥墩为中心建立柱坐标系分别取为0度、15度、90度、180度、270度、345度，得到桥墩四周360度范围内三维冲刷坑的6个竖向截面，将冲刷传感石块置于6个竖向截面与冲刷坑相交的位置，考虑冲刷传感石块的浮容重、拖拽力、升力、漩涡作用，根据河床泥沙的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和洪水行进流速、水深及冲刷传感石块的容重，计算冲刷传感石块在冲刷坑内的运动和受力特征，得到在每个截面处冲刷传感石块沿着冲刷坑朝下运动时的直径与墩前行进流速的关系，取最大的洪水行进流速和水深，得到冲刷传感石块在每个截面处沿着冲刷坑朝下运动时的最小直径，对于6个竖向截面，可得到6个冲刷传感石块的最小直径，取6个直径中的最大值，即为冲刷传感石块的直径。
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