CN109729097B - 一种基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，包括沉降检测系统、无线通讯模块、后台服务器、信息显示终端和智能报警终端；所述沉降检测系统通过无线通讯模块与后台服务器的通信连接；所述后台服务器用于接收沉降检测系统发送的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，并将接收到的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行分析处理，然后发送给信息显示终端和/或智能报警终端。本发明通过物联网技术实现全自动化实时采集各个监测点的沉降数据监测，通过无线传输技术发送给后台服务器，后台服务器实时对沉降数据进行分析处理，并将处理结果发送给信息显示终端和/或智能报警终端，实现了对基础结构的安全智能在线监测和管理。
Description
技术领域
本发明涉及道路或桥梁安全监控技术领域，具体涉及一种基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统。
背景技术
随着我国对道路、铁路、建筑、桥梁等基础设施的大力投入，目前，道路、铁路、建筑、桥梁等交通基础设施基本上已经遍布全国各地，但是随着不管是在建设过程中还是在使用的过程中，随着时间和环境的变化，道路、铁路、建筑、桥梁等基础设施都可能存在不同的损坏和变化，若不能进行及时的发现，可能导致损坏加重，并因此引发事故，危及社会财产和人民群众的生命安全，对社会造成了不良隐患。
目前，对道路、铁路、建筑、桥梁等目标的沉降数据的测量、采集、传输的方法主要是人工实施，但是人工实施的方法存在以下几点弊端：1、数据量少、实时性弱；2、无法实现自动化实时数据采集和传输实现对监测数据的分析和预警。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，以“物联网+安全监测”为理念，可以实现实时数据采集与在线监测分析和预警，适合不同线路、不同工况实际应用需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，具体包括沉降检测系统、无线通讯模块、后台服务器)、信息显示终端和智能报警终端；
所述沉降检测系统安装在需要进行监测的桥梁或路基轨枕的监测断面上；
所述无线通讯模块用于实现沉降检测系统与后台服务器的通信连接；
所述后台服务器用于接收沉降检测系统发送的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，并将接收到的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行分析处理，然后发送给信息显示终端和/或智能报警终端；
所述信息显示终端用于实时显示后台服务器分析处理后的桥梁或路基轨枕的监测数据信息；
所述智能报警终端用于接收经过后台服务器处理后的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，在其中的至少一项数据达到预设报警参数时进行自动报警提示；
所述沉降检测系统包括若干个沉降传感器和储液干燥箱；若干所述沉降传感器分别安装在轨枕监测点和基准参考面上；所述安装在轨枕监测点和基准参考面上的沉降传感器的正压部分均通过液体管路与储液干燥箱相连接；所述沉降传感器的负压部分均通过气体管路与储液干燥箱相连接；所述沉降传感器和储液干燥箱均通过无线通讯模块将数据发送给后台服务器。
作为本发明实施例的优选，所述轨枕上的监测点均匀的分布在轨道的两侧，所述液体管路和气体管路均埋设在轨枕内，所述沉降传感器采用硅压阻式传感器。
作为本发明实施例的优选，所述硅压阻式传感器包括基体，所述基体内设有高压腔和低压腔，所述高压腔和低压腔之间通过硅杯相隔离；在所述硅杯的上表面设有硅膜片，所述硅膜片上均匀分布有若干等值感压电阻，若干所述等值感压电阻连成惠斯通电桥。
作为本发明实施例的优选，所述后台服务器包括数据接收模块、数据处理模块、数据存储模块；所述数据接收模块用于接收沉降检测系统传送的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，并将上述监测数据信息存储在数据存储模块内；所述数据处理模块调取数据存储模块内存储的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行计算分析对比处理后，将处理后的监测数据信息发送给信息显示终端和/或智能报警终端。
作为本发明实施例的优选，所述数据处理模块包括特征提取分类单元和数据格式化处理单元；所述特征提取分类单元将通过沉降检测系统采集到的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行特征提取，通过Fuzzy算法调整参数建立智能分类；所述数据格式化处理单元将通过特征提取分类单元的分类数据信息进行统一格式化处理。
作为本发明实施例的优选，对所述桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行特征提取的方法包括如下步骤：
S1、将采集到的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行关键数据计算；
S2、通过关键数据的计算结果通过神经网络进行初步分类；
S3、经过初步分类的数据通过Fuzzy算法调整参数后，采用模糊逻辑进行再次分类，最终建立智能分类库。
作为本发明实施例的优选，所述后台服务器还包括协议封装模块和协议解析模块，经过数据处理模块处理后的数据通过协议封装模块进行协议封装，按照当前支持的数据通信协议进行数据封装，通过协议解析模块与协议封装对应，完成互联网数据的解析，协议封装模块和协议解析模块通过网络接口与互联网相连接。
作为本发明实施例的优选，所述数据存储模块包括报警阈值单元，所述报警阈值单元内存储有桥梁或路基轨枕的沉降数据信息的标准阈值，当经过数据处理模块处理后的沉降数据信息超过标准阈值范围时，智能报警终端发出报警提示。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，通过物联网技术可实现全自动化实时采集各个监测点的沉降数据监测，通过无线传输技术发送给后台服务器，后台服务器实时对沉降数据进行分析处理，并将处理结果发送给信息显示终端和/或智能报警终端，实现了对基础结构的安全智能在线监测和管理。
2、本发明所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，具有精度高、功耗低、全数字输出、可靠性高，可方便与物联网和GPRS、GSM-R等无线传输方式接口，特别适用于对监测点进行实时、长期的自动化观测，同时具有数据成本低，数据客观性好，数据量大，实时性强等特点。
3、本发明所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，在道路或桥梁沉降检测中利用硅差压传感器技术(即压阻效应)，通过高精度的压力测量，实现参考点与测量点间相对沉降的测量，测量点传感器与参考点传感器产生压力差值，通过液体连通器原理，以大地重力水平面为参考测量沉降或高差，把此差值补偿后换算为高程，多次高程值计算后就获得其沉降值。
附图说明
图1为本发明基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统的整体原理结构示意图。
图2为本发明中沉降检测系统的安装结构示意图；
图3为本发明中沉降传感器的结构示意图；
图4为本发明中惠斯通电桥的电路原理图；
图5为本发明中后台服务器的原理示意图。
图6为本发明中特征提取分类单元的方法示意图。
图中所示：1-沉降检测系统、1.1-沉降传感器、1.11-基体、1.12-高压腔、1.13-低压腔、1.14-硅杯、1.15-硅膜片、1.16-等值感压电阻、1.17-引线、1.2-储液干燥箱、1.3-轨枕、1.4-基准参考面、1.5-液体管路、1.6-气体管路、2-无线通讯模块、3-后台服务器、3.1-数据接收模块、3.2-数据处理模块、3.21-特征提取分类单元、3.22-数据格式化处理单元、3.3-数据存储模块、3.31-报警阈值单元、3.4-协议封装模块、3.5-协议解析模块、4-信息显示终端、5-智能报警终端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至6所示，本发明实施例提供一种基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，主要包括沉降检测系统1、无线通讯模块2、后台服务器3、信息显示终端4和智能报警终端5；其中，沉降检测系统1安装在需要进行监测的桥梁或路基轨枕的监测断面上；无线通讯模块2用于实现沉降检测系统与后台服务器的通信连接，在本实施例中，无线通讯模块2采用GPRS进行无线通信；后台服务器3用于接收沉降检测系统1发送的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，并将接收到的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行分析处理，然后发送给信息显示终端4和/或智能报警终端5；信息显示终端4用于实时显示后台服务器3分析处理后的桥梁或路基轨枕的监测数据信息；智能报警终端5用于接收经过后台服务器3处理后的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，在其中的至少一项数据达到预设报警参数时进行自动报警提示。
参见图2至4所示，沉降检测系统包括若干个沉降传感器1.1和储液干燥箱1.2；若干沉降传感器1.1分别安装在轨枕1.3的监测点和基准参考面1.4上(可以根据检测的需要在轨枕1.3监测点和基准参考面1.4上安装一定数量的沉降传感器1.1，在本实施例中，选择在基准参考面1.4上安装一个沉降传感器1.1，在轨枕1.3的监测点上安装两个沉降传感器1.1，即在轨道两侧各分布一个)。安装在轨枕1.3的监测点和基准参考面1.5上的沉降传感器1.1的正压部分均通过液体管路1.5与储液干燥箱1.2相连接，沉降传感器1.1的负压部分均通过气体管路1.6与储液干燥箱1.2相连接。在本实施例中，轨枕1.3上的监测点均匀的分布在轨道(图中未标示)的两侧，液体管路1.5和气体管路1.6均埋设在轨枕1.3内，通过液体管路1.5和气体管路1.6实现沉降传感器1.1与储液干燥箱1.2的连通，实现将沉降传感器1.1压力差值换算为储液干燥箱1.2的高度差。沉降传感器1.1和储液干燥箱1.2均通过无线通讯模块2将数据发送给后台服务器3。
参见图2至4所示，在本实施例中，沉降传感器1.1采用硅压阻式传感器；其中，硅压阻式传感器包括用于承受被测应力的基体1.11，在基体1.11内设有高压腔1.12和低压腔1.13通过硅杯1.14将高压腔1.12和低压腔1.13之间相隔离，在硅杯1.14的上表面设有硅膜片1.15，硅膜片1.15上均匀分布有若干等值感压电阻1.16(在本实施例中，等值感压电阻1.16为四个)，等值感压电阻1.16连成惠斯通电桥，这样，将硅膜片1.15就构成了基本的压力敏感元件。当道路或桥梁上的不同监测点发生沉降时，硅膜片1.15上各处受到的应力是不同的。
参见图4所示，在本实施例中，硅压阻式传感器通过引线1.17接入惠斯通电桥中。平时当道路或桥梁没有沉降时，基体1.11内的等值感压电阻1.16没有外加压力作用，电桥处于平衡状态(称为零位)，当道路或桥梁发生沉降时，传感器受压后等值感压电阻1.16发生变化，电桥将失去平衡，若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出，电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号。
在本实施例中，在道路或桥梁沉降检测中利用硅压阻式传感器的压阻效应，通过高精度的压力测量，实现参考点与测量点间相对沉降的测量。在本实施例中，将其中的一个沉降传感器1.1固定在相对不沉降的物体上作为参考点(即安装在基准参考面1.4上的沉降传感器1.1)，另外的多个沉降传感器1.1安装在需要测量沉降的地方(即安装在轨枕1.3的监测点上的两个沉降传感器)，沉降传感器1.1的正压部分用液体管路1.5连接起来，负压部分用气体管路1.6连接起来，通过测量点沉降传感器与参考点沉降传感器将产生压力差值，把此差值补偿后换算为高程，多次高程值计算后就获得其沉降值。
请参阅图5所示，在本实施例中，后台服务器3包括数据接收模块3.1、数据处理模块3.2、数据存储模块3.3、协议封装模块3.4和协议解析模块3.5；其中，数据接收模块3.1用于接收沉降传感器1.1传送的桥梁或路基轨枕的沉降监测数据信息，并将上述沉降监测数据信息存储在数据存储模块3.3内，数据处理模块3.2通过调取数据存储模块3.2内存储的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行计算分析对比处理后，将处理后的沉降监测数据信息发送给信息显示终端4和/或智能报警终端5。经过数据处理模块3.2处理后的数据通过协议封装模块3.4进行协议封装，按照当前支持的数据通信协议进行数据封装，通过协议解析模块3.5与协议封装对应，完成互联网数据的解析，协议封装模块3.4和协议解析模块3.5通过网络接口与互联网相连接。在本实施例中，数据存储模块3.3包括报警阈值单元3.31，其中，报警阈值单元3.31内存储有每个桥梁或路基轨枕沉降监测点的沉降数据信息的标准阈值，当经过数据处理模块3.3处理后的沉降数据信息超过标准阈值(在本实施例中，每个桥梁或路基轨枕沉降监测点的沉降标准阈值可以通过历史数据取平价值等方式得到)范围时，智能报警终端5发出报警提示。在数据存储模块3.3内建立监测点沉降数据库(每个监测点都设有一个沉降数据库)方便数据处理模块3.2进行调用。数据处理模块3.2可以实时对传回的沉降数据进行计算和分析，通过将监测到的各个监测点的沉降数据与数据存储模块3.3内的数据库信息进行比对和分析，将分析结果发送给信息显示终端4，在本实施例中，信息显示终端4可以为PC终端或移动终端。
请参阅图1至6所示，在本实施例中，数据处理模块3.2将沉降传感器1.1采集到的各个监测点的沉降数据与数据存储模块3.2内相对应的标准阈值进行比对，当监测点的沉降数据超过所设的标准阈值的沉降阈值范围时，后台服务器3提示超限并将分析结果发送给智能报警终端5，智能报警终端5的管理人员进行处理，当没有超过标准阈值时，后台服务器3(具体为数据存储模块3.3)自动保存该分析结果，便于后续管理人员的查阅。在本实施例中，后台服务器3间通讯方式为内部局域网，信息显示终端4和智能报警终端5通过互联网与后台服务器3进行数据传输。
在本实施例中，数据处理模块3.2还包括特征提取分类单元3.21和数据格式化处理单元3.22；其中，特征提取分类单元3.21用于将通过沉降检测系统1采集到的桥梁或路基轨枕的各个监测点的沉降数据信息进行特征提取，通过Fuzzy算法调整参数建立智能分类(比如：沉降状态监测分类、沉降对比分析数据监测分类、沉降趋势监测分类)，数据格式化处理单元3.22将通过特征提取分类单元3.21的分类数据信息进行统一格式化处理。
请参阅图3所示，在本实施例中，桥梁或路基轨枕的各个监测点的数据信息进行特征提取的方法主要包括如下步骤：
S1、将采集到的桥梁或路基轨枕的监测数据进行关键数据计算，在本实施例中，所述关键数据主要包括桥梁或路基的沉降高度(通过传感器检测到的高度差)、路基或桥梁的温度(实时气温的温差)对桥梁或路基沉降的影响、桥墩倾斜度对沉降的影响以及风向风速变化时对桥梁或路基沉降高度的影响。
S2、通过关键数据的计算结果通过神经网络算法进行初步分类，在本实施例中，神经网络算法是指进行沉降高度数据建模，所述数据建模采用三层神经网络结构，三层神经网络结构包括输入层、隐层和输出层；其中，输入层有d个节点，隐层有q个节点，输出层有l个节点。其中，输入层是传感器监测到的原始数据；隐层是原始数据(或者原始数据之间)经过一次运算(线性比如加/减和一个非线性比如平方)的结果；输出层是对隐层的再一次运算，调整了神经网络中的各项数据的权重，其中，除了输入层，每一层的节点都包含一个非线性变换。
S3、经过初步分类的数据通过Fuzzy算法调整参数后，采用模糊逻辑进行再次分类，最终建立智能分类库。在本实施例中，Fuzzy算法是指原始数据经过神经网络算法，权重比较高的就是特征值。这些特征值(对应的精确量)会被混沌化，变成模糊量，通过自学习的(多组正常数据训练)得出正常数据对应的特征值的权重，之后的数据将会按照按照固定的权重，得出一个输出量，这个输出量是一组新的数据(从传感器采集并提取了特征值之后)按照固定权重(之前自学习算出来的)计算的一个得分。这个得分如果在0是无法得出结论，1～5低分值异常，5～8正常，8～10高峰值异常。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，其特征在于：包括沉降检测系统(1)、无线通讯模块(2)、后台服务器(3)、信息显示终端(4)和智能报警终端(5)；
所述沉降检测系统(1)安装在需要进行监测的桥梁或路基轨枕的监测断面上；
所述无线通讯模块(2)用于实现沉降检测系统(1)与后台服务器(3)的通信连接；
所述后台服务器(3)用于接收沉降检测系统(1)发送的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，并将接收到的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行分析处理，然后发送给信息显示终端(4)和/或智能报警终端(5)；
所述信息显示终端(4)用于实时显示后台服务器(3)分析处理后的桥梁或路基轨枕的监测数据信息；
所述智能报警终端(5)用于接收经过后台服务器(3)处理后的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，在其中的至少一项数据达到预设报警参数时进行自动报警提示；
所述沉降检测系统(1)包括若干个沉降传感器(1.1)和储液干燥箱(1.2)；若干所述沉降传感器(1.1)分别安装在轨枕(1.3)监测点和基准参考面(1.4)上；所述安装在轨枕(1.3)监测点和基准参考面(1.4)上的沉降传感器(1.1)的正压部分均通过液体管路(1.5)与储液干燥箱(1.2)相连接；所述沉降传感器(1.1)的负压部分均通过气体管路(1.6)与储液干燥箱(1.2)相连接；所述沉降传感器(1.1)和储液干燥箱(1.2)均通过无线通讯模块(2)将数据发送给后台服务器(3)。
2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，其特征在于：所述轨枕(1.3)上的监测点均匀的分布在轨道的两侧，所述液体管路(1.5)和气体管路(1.6)均埋设在轨枕(1.3)内，所述沉降传感器(1.1)采用硅压阻式传感器。
3.根据权利要求2所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，其特征在于：所述硅压阻式传感器包括基体(1.11)，所述基体(1.11)内设有高压腔(1.12)和低压腔(1.13)，所述高压腔(1.12)和低压腔(1.13)之间通过硅杯(1.14)相隔离；在所述硅杯(1.14)的上表面设有硅膜片(1.15)，所述硅膜片(1.15)上均匀分布有若干等值感压电阻(1.16)，若干所述等值感压电阻(1.16)连成惠斯通电桥。
4.根据权利要求1所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，其特征在于：所述后台服务器(3)包括数据接收模块(3.1)、数据处理模块(3.2)、数据存储模块(3.3)；所述数据接收模块(3.1)用于接收沉降检测系统(1)传送的桥梁或路基轨枕的监测数据信息，并将上述监测数据信息存储在数据存储模块(3.3)内；所述数据处理模块(3.2)调取数据存储模块(3.3)内存储的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行计算分析对比处理后，将处理后的监测数据信息发送给信息显示终端(4)和/或智能报警终端(5)。
5.根据权利要求4所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，其特征在于：所述数据处理模块(3.2)包括特征提取分类单元(3.21)和数据格式化处理单元(3.22)；所述特征提取分类单元(3.21)将通过沉降检测系统(1)采集到的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行特征提取，通过Fuzzy算法调整参数建立智能分类；所述数据格式化处理单元(3.22)将通过特征提取分类单元(3.21)的分类数据信息进行统一格式化处理。
6.根据权利要求5所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，其特征在于：对所述桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行特征提取的方法包括如下步骤：
S1、将采集到的桥梁或路基轨枕的监测数据信息进行关键数据计算；
S2、通过关键数据的计算结果通过神经网络进行初步分类；
S3、经过初步分类的数据通过Fuzzy算法调整参数后，采用模糊逻辑进行再次分类，最终建立智能分类库。
7.根据权利要求1所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，其特征在于：所述后台服务器(3)还包括协议封装模块(3.4)和协议解析模块(3.5)，经过数据处理模块(3.2)处理后的数据通过协议封装模块(3.4)进行协议封装，按照当前支持的数据通信协议进行数据封装，通过协议解析模块(3.5)与协议封装对应，完成互联网数据的解析，协议封装模块(3.4)和协议解析模块(3.5)通过网络接口与互联网相连接。
8.根据权利要求4所述的基于物联网技术的基础结构安全智能在线监测系统，其特征在于：所述数据存储模块(3.3)包括报警阈值单元(3.31)，所述报警阈值单元(3.31)内存储有桥梁或路基轨枕的沉降数据信息的标准阈值，当经过数据处理模块(3.2)处理后的沉降监测数据信息超过标准阈值范围时，智能报警终端(5)发出报警提示。
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