CN109840366B - 一种市政桥梁状态检测装置 - Google Patents

一种市政桥梁状态检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种市政桥梁状态检测装置，该检测装置包括：市政桥梁检测模块、桥梁状态分析模块和管理终端；所述市政桥梁检测模块，用于采集桥梁状态数据并发送到所述桥梁状态分析模块；所述桥梁状态分析模块，用于对接收到的数据进行分析和处理，判断所桥梁是否存在安全隐患，并发送判断结果至所述管理终端；所述管理终端接收并存储所述判断结果，并当所述判断结果显示所述桥梁存在安全隐患时进行报警。本发明利用无线传感器网络技术实现了市政桥梁的无线检测，该检测装置结构简单，检测精度较高，且可有效地节省人力物力。

Description

一种市政桥梁状态检测装置
技术领域
本发明涉及桥梁状态检测技术领域，具体涉及一种市政桥梁状态检测装置。
背景技术
目前，我国正面临大批桥梁进入“老龄化”的难题，对现存桥梁进行检测的任务越来越艰巨，由此桥梁检测人员承担的工作量也越来越大，采用人工检测时，工作人员通常需要携带多种检测设备进行作业，造成了携带的不便，在进行检测时，一般根据主观因素来评判桥梁是否受损，这具有一定的片面性和不确定性。因此，及时获取桥梁结构状态参数，如应变、挠度及振动等，开展状态参数检测及安全评估工作，对全面分析和了解桥梁工作状态，实现事故预先警示、预防突发性灾难及确保基础设施安全意义重大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种市政桥梁状态检测装置。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种市政桥梁状态检测装置，该检测装置包括：市政桥梁检测模块、桥梁状态分析模块和管理终端；
所述市政桥梁检测模块，用于采集桥梁状态数据并发送到所述桥梁状态分析模块；
所述桥梁状态分析模块，用于对接收到的数据进行分析和处理，判断所述桥梁是否存在安全隐患，并发送判断结果至所述管理终端；
所述管理终端接收并存储所述判断结果，并当所述判断结果显示所述桥梁存在安全隐患时进行报警。
优选地，所述市政桥梁检测模块包括多个监测节点和汇聚节点，所述监测节点和汇聚节点通过自组织方式构建分簇无线传感器网络结构，所述监测节点用于对处于监测区域的所述桥梁进行监测感知，并将感知到的桥梁状态数据发送至所述汇聚节点，所述汇聚节点汇聚各个监测节点发送的桥梁状态数据，进行处理后转发至所述桥梁状态分析模块。
优选地，所述桥梁状态数据包括桥梁各个部位的应力数据、加速度数据和位移数据。
优选地，在所述桥梁状态分析模块中，所述的对接收到的数据进行分析和处理，判断所述桥梁是否存在安全隐患，具体是：将接收到的数据与对应设定的安全阈值进行比较，当超过设定的安全阈值时，则存在安全隐患。
优选地，所述管理终端包括报警器，所述报警器用于当判断结果显示存在安全隐患时进行报警。
优选地，所述监测节点和汇聚节点通过自组织方式构建分簇无线传感器网络结构，具体是：
(1)将所述监测区域随机划分成N个互不重合的监测子区域，并在各个监测子区域随机撒布多个监测节点；
(2)分区完成后，所述汇聚节点以恒定的功率发送一个广播信息，各个监测子区域内的监测节点接收到广播信息后向汇聚节点传回回复信息，所述回复信息包括：监测节点与汇聚节点的空间距离、监测节点与其所在监测子区域的剩余监测节点的空间距离、监测节点与汇聚节点之间的链路质量值、监测节点与其所在监测子区域的剩余监测节点之间的链路质量值；
(3)所述汇聚节点根据所述回复信息计算每一个监测子区域内所有监测节点当选为簇首的能力值，其中，监测节点当选为簇首的能力值的计算公式为：
Figure GDA0002180761670000021
式中，Ai为监测节点i在其所在的监测子区域内当选为簇首的能力值，di,B为监测节点i到汇聚节点B的空间距离，di,m为监测节点i到监测节点m之间的空间距离，监测节点m指的是与监测节点i在同一监测子区域的其他监测节点，M为该监测子区域内除去监测节点i后的剩余监测节点的个数，Qi,B为监测节点i与汇聚节点B之间的链路质量值，Qi，m为监测节点i与监测节点m之间的链路质量值，Ei0为监测节点i的初始能量值，RI为所述汇聚节点B发送的广播信息的信号强度指示值，EIi为汇聚节点B接收到的监测节点i的回复信息的信号强度指示值；θ1、θ2和θ3为设定的权重系数，其满足θ1+θ2+θ3＝1；
(4)选取每一个监测子区域内能力值最大的监测节点作为相应监测子区域的簇首，未当选为簇首的监测节点作为簇成员节点加入到其所在监测子区域的簇首中，最终得到分簇无线传感器网络结构。
优选地，所述汇聚节点还用于周期性地对担任簇首的监测节点进行可靠性评估，当得到的可靠性评估系数低于设定的阈值时，则所述簇首从其所在的监测子区域内选择一个未担任过簇首的监测节点作为新的簇首，其中，簇首的可靠性评估系数的计算公式为：
Figure GDA0002180761670000022
式中，SR为簇首R的可靠性评估系数，
Figure GDA0002180761670000023
分别为簇首R的当前剩余能量、初始能量，dR,B为簇首R与汇聚节点B之间的空间距离，dR,k为簇首R与该簇首R的簇成员节点k之间的空间距离，K为簇首R的簇成员节点的个数，QT、QT′分别为人为设定的簇首与簇成员之间的标准链路质量值、簇首与汇聚节点之间的标准链路质量值，QR,k为簇首R与簇成员节点k之间的链路质量值，QR,B为簇首R与汇聚节点B之间的链路质量值，β1、β2为设定的权重调整系数。
有益效果：利用无线传感器网络技术实现了市政桥梁的无线检测，该检测装置结构简单，检测精度较高，且可有效地节省人力物力。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例的结构示意框图。
附图标记：市政桥梁检测模块1；桥梁状态分析模块2；管理终端3；报警器31。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
图1示出了一种市政桥梁状态检测装置，该检测装置包括：市政桥梁检测模块1、桥梁状态分析模块2和管理终端3；
所述市政桥梁检测模块1，用于采集桥梁状态数据并发送到所述桥梁状态分析模块2；
所述桥梁状态分析模块2，用于对接收到的数据进行分析和处理，判断所述桥梁是否存在安全隐患，并发送判断结果至所述管理终端3；
所述管理终端3接收并存储所述判断结果，并当所述判断结果显示所述桥梁存在安全隐患时进行报警。
优选地，所述市政桥梁检测模块1包括多个监测节点和汇聚节点，所述监测节点和汇聚节点通过自组织方式构建分簇无线传感器网络结构，所述监测节点用于对处于监测区域的所述桥梁进行监测感知，并将感知到的桥梁状态数据发送至所述汇聚节点，所述汇聚节点汇聚各个监测节点发送的桥梁状态数据，进行处理后转发至所述桥梁状态分析模块2。
有益效果：利用无线传感器网络技术实现了市政桥梁的无线检测，系统结构简单，检测精度较高，且可有效地节省人力物力。
在一个实施例中，所述桥梁状态数据包括桥梁各个部位的应力数据、加速度数据和位移数据。
在一个实施例中，在所述桥梁状态分析模块2中，所述的对接收到的数据进行分析和处理，判断所述桥梁是否存在安全隐患，具体是：将接收到的数据与对应设定的安全阈值进行比较，当超过设定的安全阈值时，则存在安全隐患。
在一个实施例中，所述管理终端3包括报警器31，所述报警器31用于当判断结果显示存在安全隐患时进行报警。
在一个实施例中，所述监测节点和汇聚节点通过自组织方式构建分簇无线传感器网络结构，具体是：
(1)将所述监测区域随机划分成N个互不重合的监测子区域，并在各个监测子区域随机撒布多个监测节点；
(2)分区完成后，所述汇聚节点以恒定的功率发送一个广播信息，各个监测子区域内的监测节点接收到广播信息后向汇聚节点传回回复信息，所述回复信息包括：监测节点与汇聚节点的空间距离、监测节点与其所在监测子区域的剩余监测节点的空间距离、监测节点与汇聚节点之间的链路质量值、监测节点与其所在监测子区域的剩余监测节点之间的链路质量值；
(3)所述汇聚节点根据所述回复信息计算每一个监测子区域内所有监测节点当选为簇首的能力值，其中，监测节点当选为簇首的能力值的计算公式为：
Figure GDA0002180761670000041
式中，Ai为监测节点i在其所在的监测子区域内当选为簇首的能力值，di,B为监测节点i到汇聚节点B的空间距离，di,m为监测节点i到监测节点m之间的空间距离，监测节点m指的是与监测节点i在同一监测子区域的其他监测节点，M为该监测子区域内除去监测节点i后的剩余监测节点的个数，Qi,B为监测节点i与汇聚节点B之间的链路质量值，Qi,m为监测节点i与监测节点m之间的链路质量值，Ei0为监测节点i的初始能量值，RI为所述汇聚节点B发送的广播信息的信号强度指示值，EIi为汇聚节点B接收到的监测节点i的回复信息的信号强度指示值；θ1、θ2和θ3为设定的权重系数，其满足θ1+θ2+θ3＝1；
(4)选取每一个监测子区域内能力值最大的监测节点作为相应监测子区域的簇首，未当选为簇首的监测节点作为簇成员节点加入到其所在监测子区域的簇首中，最终得到分簇无线传感器网络结构。
有益效果：本优选实施例中设计了简单快捷的簇首的确定策略，进而快速有效地完成簇首的选取，在计算监测节点当选为簇首的能力值时，从多个方面考虑了汇聚节点、同一监测子区域的剩余监测节点与当前监测节点的影响，如监测节点与汇聚节点之间空间距离的影响、与同一监测子区域内的其他剩余监测节点的空间距离、监测节点与汇聚节点、同一监测子区域内的其他剩余监测节点的通信链路质量以及该监测节点的初始能量的影响，使得簇首的选取更加合理，更大限度地选择性能最优的监测节点作为簇首。
在一个实施例中，所述汇聚节点还用于周期性地对担任簇首的监测节点进行可靠性评估，当得到的可靠性评估系数低于设定的阈值时，则所述簇首从其所在的监测子区域内选择一个未担任过簇首的监测节点作为新的簇首，其中，簇首的可靠性评估系数的计算公式为：
Figure GDA0002180761670000051
式中，SR为簇首R的可靠性评估系数，
Figure GDA0002180761670000052
分别为簇首R的当前剩余能量、初始能量，dR,B为簇首R与汇聚节点B之间的空间距离，dR,k为簇首R与该簇首R的簇成员节点k之间的空间距离，K为簇首R的簇成员节点的个数，QT、QT′分别为人为设定的簇首与簇成员之间的标准链路质量值、簇首与汇聚节点之间的标准链路质量值，QR,k为簇首R与簇成员节点k之间的链路质量值，QR,B为簇首R与汇聚节点B之间的链路质量值，β1、β2为设定的权重调整系数。
有益效果：在上述实施例中，汇聚节点通过周期性地对簇首的可靠性进行分析，判断簇首有无能力继续担任簇首，从而能够及时发现即将失效的簇首，进而选择未担任过簇首的监测节点担任簇首，以便于与汇聚节点进行信息交互。其中，在对簇首的可靠性进行分析，上述实施例从簇首能量、簇首与其簇成员节点和汇聚节点的空间距离以及簇首与其簇成员节点和汇聚节点的链路质量这三个方面考虑了簇首的可靠性，实现了全方位、多角度的对簇首的可靠性分析，也有利于较好地分配负载和均衡能量消耗，延长对桥梁状态数据采集的工作周期，在整体上节省了该检测装置的通信成本。
在一个实施例中，簇首从其所在的监测子区域内选择一个未担任过簇首的监测节点作为新的簇首，具体地，所述簇首向其所在监测子区域内的剩余监测节点广播竞选簇首信息，监测节点接收到广播信息后，未担任过簇首的监测节点计算自身的状态值，并将得到的自身的状态值发送至所述簇首，所述簇首比较接收到的各个监测节点的状态值，选择状态值最大的监测节点作为新的簇首，其中，监测节点的状态值由下列公式确定：
Figure GDA0002180761670000053
式中，Zc为监测节点c的状态值，
Figure GDA0002180761670000054
分别为监测节点c的当前剩余能量值、初始能量值；V为监测子区域内未担任过簇首的监测节点的个数，dc,B为监测节点c与汇聚节点B之间的空间距离，
Figure GDA0002180761670000055
表示分别求未担任过簇首的监测节点与汇聚节点点B之间的空间距离，并取空间距离最大值、最小值；ω1、ω2为设定的权重系数，其满足ω1+ω2＝1
有益效果：当簇首可靠性评估系数低于设定的阈值时，此时该簇首不能继续担任簇首，则需要从其簇首所在的监测子区域内选择一个新的簇首，上述实施例中，通过计算未担任过簇首的监测节点的状态值，进而选择状态值最大的监测节点作为新的簇首，在求解各个监测节点的状态值时，剔除了之前担任过簇首的监测节点，考虑了未担任过监测节点的当前剩余能量与初始能量的比值、以及与汇聚节点B空间距离的影响，实现了多角度、全方位的对监测节点的状态值的评估，进而选择性价比高的监测节点作为新的簇首，从而保证整个检测装置工作的稳定性和可靠性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种市政桥梁状态检测装置，其特征在于，包括：市政桥梁检测模块、桥梁状态分析模块和管理终端；
所述市政桥梁检测模块，用于采集桥梁状态数据并发送到所述桥梁状态分析模块；
所述桥梁状态分析模块，用于对接收到的数据进行分析和处理，判断所述桥梁是否存在安全隐患，并发送判断结果至所述管理终端；
所述管理终端接收并存储所述判断结果，并当所述判断结果显示所述桥梁存在安全隐患时进行报警；
所述市政桥梁检测模块包括多个监测节点和汇聚节点，所述监测节点和汇聚节点通过自组织方式构建分簇无线传感器网络结构，所述监测节点用于对处于监测区域的所述桥梁进行监测感知，并将感知到的桥梁状态数据发送至所述汇聚节点，所述汇聚节点汇聚各个监测节点发送的桥梁状态数据，进行处理后转发至所述桥梁状态分析模块；
所述监测节点和汇聚节点通过自组织方式构建分簇无线传感器网络结构，具体是：
(1)将所述监测区域随机划分成N个互不重合的监测子区域，并在各个监测子区域随机撒布多个监测节点；
(2)分区完成后，所述汇聚节点以恒定的功率发送一个广播信息，各个监测子区域内的监测节点接收到广播信息后向汇聚节点传回回复信息，所述回复信息包括：监测节点与汇聚节点的空间距离、监测节点与其所在监测子区域的剩余监测节点的空间距离、监测节点与汇聚节点之间的链路质量值、监测节点与其所在监测子区域的剩余监测节点之间的链路质量值；
(3)所述汇聚节点根据所述回复信息计算每一个监测子区域内所有监测节点当选为簇首的能力值，其中，监测节点当选为簇首的能力值的计算公式为：
Figure FDA0002180761660000011
式中，Ai为监测节点i在其所在的监测子区域内当选为簇首的能力值，di，B为监测节点i到汇聚节点B的空间距离，di，m为监测节点i到监测节点m之间的空间距离，监测节点m指的是与监测节点i在同一监测子区域的其他监测节点，M为该监测子区域内除去监测节点i后的剩余监测节点的个数，Qi，B为监测节点i与汇聚节点B之间的链路质量值，Qi，m为监测节点i与监测节点m之间的链路质量值，Ei0为监测节点i的初始能量值，RI为所述汇聚节点B发送的广播信息的信号强度指示值，EIi为汇聚节点B接收到的监测节点i的回复信息的信号强度指示值；θ1、θ2和θ3为设定的权重系数，其满足θ1+θ2+θ3＝1；
(4)选取每一个监测子区域内能力值最大的监测节点作为相应监测子区域的簇首，未当选为簇首的监测节点作为簇成员节点加入到其所在监测子区域的簇首中，最终得到分簇无线传感器网络结构。
2.根据权利要求1所述的市政桥梁状态检测装置，其特征在于，所述桥梁状态数据包括桥梁各个部位的应力数据、加速度数据和位移数据。
3.根据权利要求1所述的市政桥梁状态检测装置，其特征在于，在所述桥梁状态分析模块中，所述的对接收到的数据进行分析和处理，判断所述桥梁是否存在安全隐患，具体是：将接收到的数据与对应设定的安全阈值进行比较，当超过设定的安全阈值时，则存在安全隐患。
4.根据权利要求1所述的市政桥梁状态检测装置，其特征在于，所述管理终端包括报警器，所述报警器用于当判断结果显示存在安全隐患时进行报警。
5.根据权利要求1所述的市政桥梁状态检测装置，其特征在于，所述汇聚节点还用于周期性地对担任簇首的监测节点进行可靠性评估，当得到的可靠性评估系数低于设定的阈值时，则所述簇首从其所在的监测子区域内选择一个未担任过簇首的监测节点作为新的簇首，其中，簇首的可靠性评估系数的计算公式为：
Figure FDA0002180761660000021
式中，SR为簇首R的可靠性评估系数，
Figure FDA0002180761660000022
分别为簇首R的当前剩余能量、初始能量，dR，B为簇首R与汇聚节点B之间的空间距离，dR，k为簇首R与该簇首R的簇成员节点k之间的空间距离，K为簇首R的簇成员节点的个数，QT、QT′分别为人为设定的簇首与簇成员之间的标准链路质量值、簇首与汇聚节点之间的标准链路质量值，QR，k为簇首R与簇成员节点k之间的链路质量值，QR，B为簇首R与汇聚节点B之间的链路质量值，β1、β2为设定的权重调整系数。
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