CN111486902B - 一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，包括检测区域划分模块、承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块、建模分析模块、参数数据库、中央服务器、预警模块和显示终端。本发明提供的基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，通过综合桥梁所受的承重压力、纵向风力、变形位移和水流冲击力影响因素，结合建模分析模块对以上影响因素对桥梁安全性能影响结果进行量化，进而统计桥梁的综合安全系数，能够全面反映桥梁的健康状况，通过定期地对桥梁综合安全系数统计评估，有利于相关工作人员掌握桥梁的安全动态发展趋势，为桥梁的养护提供可靠的参考依据，延长桥梁的使用寿命。

Description

一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统

技术领域

本发明涉及桥梁安全监测技术领域，涉及到一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统。

背景技术

随着改革开放，中国城市桥梁建设逐渐进入快速发展阶段，在过去十几年里，我国已建成一批大跨度桥梁，仅上海就有南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥等多座具有世界先进水平的大跨度桥梁，据统计，中国现有各类桥梁约50万座，每年开工建筑的桥梁约为1万余座，中国正在由世界“桥梁大国”向“桥梁强国”迈进；然而，作为道路交通建设的重要组成部分，桥梁的安全性问题日益引起人们关注。由于桥梁在建设过程中存在施工难度大、环境差的问题，以及部分人为因素，而在服役过程中，反复遭受各种荷载的作用，材料的疲劳与腐蚀，以及自然因素破坏，桥梁的安全存在一定隐患；而桥梁破坏造成的损失无法估量，因此桥梁及时监测桥梁的健康极为重要。

传统的桥梁检测手段是只是通过肉眼观察桥梁的外观是否有变形、损坏或者是采用检测设备对桥梁的某些结构特性进行监测，检测结果只能局部地反映桥梁的当前安全状态，难以全面反映桥梁的健康状况，鉴于此，本发明提出一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，通过综合桥梁所受的承重压力、纵向风力、变形位移和水流冲击力影响因素，结合建模分析模块对以上影响因素对桥梁安全性能的影响结果进行量化，进而统计出桥梁的综合安全系数，解决了背景技术中存在的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，包括检测区域划分模块、承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块、建模分析模块、参数数据库、中央服务器、预警模块和显示终端。

承重压力检测模块与检测区域划分模块连接，建模分析模块分别与承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块和参数数据库连接，中央服务器分别与建模分析模块和参数数据库连接，预警模块与中央服务器连接，显示终端与中央服务器连接；

检测区域划分模块，用于对桥面承重压力检测区域进行划分，按照桥面从桥头到桥尾的矩形区域，划分为若干面积相同且相互连接的检测子区域，若干检测子区域按照预设的顺序进行编号，依次标记为1,2,…,i,…,n；

承重压力检测模块，包括若干压力检测设备，其均匀布置在各检测子区域对应的桥底处，用于以固定时间段采集各检测子区域桥面所受的承重压力，并将采集的各检测子区域桥面所受的承重压力值发送至建模分析模块；

风力参数采集模块，包括风向传感器和风速传感器，其安装在桥板侧面，用于采集桥板侧面受到的风向角度和风速，并将采集的风向角度和风速发送至建模分析模块；

变形位移监测模块，包括若干水准仪，用于检测桥面纵波的变形位移量，其变形位移监测包括以下几个步骤：

s1:监测点设置，桥面监测点沿行车道两边设置，将桥头至桥尾的距离L均匀等分为四段，其监测点位置沿着桥头至桥尾的方向依次为桥头支点、L/4点、跨中点、3L/4点、桥尾支点，监测点均固定于桥面板上；

s2:监测点高程计算，将水准仪分别安置在桥面各个监测点位置处，提供各个监测点的水平视线，其各个监测点的监测在统一的温度范围内进行，通过读取水准仪上前、后示数，计算桥面各监测点高程h_j＝s_j2-s_j1,h_j表示为第j个监测点高程，j表示监测点，j＝g1,g2,g3,g4,g5,g1,g2,g3,g4,g5分别表示为桥头支点、L/4点、跨中点、3L/4点、桥尾支点，s_j2表示为j个监测点水准仪后示数，s_j1表示为j个监测点水准仪前示数，以固定时间间隔重新读取各监测点水准仪前、后示数，计算桥面各监测点二次高程h′_j＝s′_j2-s′_j1，h′_j表示为第j个监测点二次高程，s′_j2表示为固定时间间隔后第j个监测点水准仪后示数，s′_j1表示为固定时间间隔后第j个监测点水准仪前示数；

s3:变形危险系数统计，将计算的各监测点高程与各监测点原始高程值进行差值对比，得到各监测点变形位移量，其次将各监测点二次高程与各监测点原始高程值进行对比，得到各监测点二次变形位移量，根据各监测点变形位移量和二次变形位移量，统计各监测点相对变形位移，并对各监测点相对变形位移求其平均值，与预设的安全相对变形位移进行比较，若大于预设的安全相对变形位移，其变形危险系数χ取0.8，若小于预设的安全相对变形位移，其变形危险系数χ取0.3，变形位移监测模块将统计的变形危险系数发送至中央服务器；

水流冲击参数检测模块，用于对流经墩柱各个侧面的的水流速度和水流深度进行检测，所述水流冲击参数检测模块包括若干水流速度检测单元和若干水流深度检测单元，水流速度检测单元采用流速传感器，水流深度检测单元采用水深传感器，其分别放置在墩柱各个侧面与水面接触的位置，所述流速传感器用于检测流经桥梁墩柱各个侧面的水流速，所述水深传感器用于检测流经桥梁墩柱各个侧面的水深度，墩柱各个侧面包括前侧面、后侧面、左侧面和右侧面，所述前、后侧面是与桥面长度垂直的一面，所述左、右侧面是与桥面宽度垂直的一面，水流冲击参数检测模块将检测的流经墩柱各个侧面的水深度和水流速度发送至建模分析模块；

参数数据库存储桥面安全承重压力值和各承重压力危险等级对应的承重压力危险系数ξ1,ξ2,ξ3，存储安全承受风力阈值，存储安全水流冲击力阈值，存储桥板的基板参数，存储墩柱的基本参数，存储桥板空气阻力系数，并存储各类别桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值；

建模分析模块，用于接收承重压力检测模块发送的各检测子区域桥面所受的承重压力，统计第t个时间段内桥面所受的总承重压力

p_ti表示为第t个时间段内第i个检测子区域的承重压力值，与预设的桥面安全承重压力值进行对比，所述预设的桥面安全承重压力值包括第一安全承重压力值，第二安全承重压力值，若小于第一安全承重压力值，其承重压力危险等级为一级，若大于第一安全承重压力值小于第二安全承重压力值，其承重压力危险等级为二级，若大于第二安全承重压力值，则承重压力危险等级为三级，建模分析模块将桥面的承重压力危险等级发送至中央服务器；

建模分析模块，接收风力参数采集模块发送的风速和风向角度，提取参数数据库中桥板基板参数中的长度和厚度，计算桥板侧面的迎风面积，记为s,s＝d*e，d表示为桥板的长度，e表示为桥板的厚度，进而统计桥板侧面所受的纵向风力,与预设的安全承受风力阈值进行比较，得到对比差值，并发送至中央服务器；

同时，建模分析模块接收水流冲击参数检测模块发送的流经墩柱各个侧面的水深度和水流速度，并提取参数数据库中墩柱的长度和宽度，计算墩柱各个侧面的水流冲击面积，墩柱各个侧面的水流冲击面积构成水流冲击面积集合W_k(w₁,w₂,w₃,w₄),k表示为冲击面，k＝1,2,3,4，其中w₁表示为墩柱前侧面水流冲击面积，w₂表示为墩柱后侧面水流冲击面积，w₃表示为墩柱左侧面水流冲击面积，w₄表示为墩柱右侧面水流冲击面积，w₁＝a*h₁，w₂＝a*h₂，w₃＝b*h₃，w₄＝b*h₄，a表示为墩柱的长度，b表示为墩柱的宽度，h₁、h₂、h₃、h₄分别表示为流经墩柱前侧面、后侧面、左侧面、右侧面的水深度，根据墩柱各个侧面的水流冲击面积，统计墩柱各个侧面水流冲击力，将墩柱各个侧面水流冲击力进行叠加统计进而得到墩柱受到的水流冲击力，并发送至中央服务器；

中央服务器接收建模分析模块发送的承重压力危险等级，并提取参数数据库中各承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，筛选该承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，同时，中央服务器接收建模分析模块发送的墩柱受到的水流冲击力和桥板侧面所受的纵向风力与预设的安全承受风力阈值对比差值，接收变形位移监测模块发送的变形危险系数，统计桥梁综合安全系数，中央服务器将统计的桥梁综合安全系数与各类别的桥梁综合安全系数阈值进行对比，若统计的桥梁综合安全系数小于一类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值，则该桥梁属于一类桥，若统计的桥梁综合安全系数在二类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于二类桥，若统计的桥梁综合安全系数在三类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于三类桥，中央服务器发送一级预警控制指令至预警模块，若统计的桥梁综合安全系数在四类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于四类桥，中央服务器发送二级预警控制指令至预警模块。同时，中央服务器将桥梁综合安全系数发送至显示终端；

预警模块用于接收中央服务器发送的预警控制信号，进行不同级别的预警。

显示终端用于接收中央服务器发送的桥梁综合安全系数，并进行显示。

优选地，所述压力检测设备为压力传感器，其压力传感器的个数与检测子区域的个数保持一致。

进一步地，所述水准仪采用徕佧NDA03数字式水准仪，是用来建立水平视线测定地面两点间高差的仪器，主要部件有望远镜、管水准器、垂直轴、基座和脚螺旋。

进一步地，不同承重压力危险等级对应的承重压力危险系数对应的大小顺序分别为ξ1＜ξ2＜ξ3。

进一步地，桥板所受的纵向风力计算公式为

c表示为空气阻力系数，ρ表示为空气密度，标准情况下，取1.293g/l，s表示为迎风面积，v_风表示为风速，θ表示为风向与桥面水平面的夹角。

进一步地，所述墩柱各个侧面水流冲击力的计算公式为f_k冲＝ρ_水w_kv_k水 ²，f_k冲表示为墩柱第k个侧面的水流冲击力，k＝1,2,3,4，ρ_水表示为水的密度，标准情况下，取1g/ml，w_k表示为墩柱第k个侧面的水流冲击面积，v_k水表示为墩柱第k个侧面的水流速。

进一步地，所述桥梁综合安全系数计算公式为

χ表示为变形危险系数，γ_D表示为第D个承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，D＝1,2,3,Δf表示为桥板侧面所受的纵向风力与预设的安全承受风力阈值对比差值，F表示为墩柱所受的水流冲击力，F₀表示预设的安全水流冲击力。

有益效果：

(1)本发明通过承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块和水流冲击参数检测模块对桥梁受到的承重压力、纵向风力、变形位移和水流冲击力进行检测，结合建模分析模块对承重压力、纵向风力、变形位移和水流冲击力对桥梁安全性能的影响结果进行量化，进而通过中央服务器统计桥梁的综合安全系数，能够全面反映桥梁的健康状况，通过定期地对桥梁综合安全系数进行统计评估，有利于相关工作人员掌握桥梁的安全动态发展趋势，为桥梁的养护提供可靠的参考依据，进一步完善和建立、健全现有的桥梁管理系统，提高桥梁管理技术水平，延长桥梁的使用寿命。

(2)本发明在变形位移监测模块采用徕佧NDA03数字式精密水准仪，能够精密地整齐视线和精确地读取读数，通过在桥面设置多个变形位移监测点进行变形位移监测，避免单个变形位移监测点造成的变形位移检测误差现象，同时对多个变形位移监测点的监测在统一的温度范围内进行，避免不同温度对桥梁变形位移的影响，容易造成变形位移监测的不准确性。

(3)本发明通过设置不同类别桥梁的综合安全系数阈值，针对桥梁的综合安全系数进行桥梁类别评估，并根据不同类别桥梁进行不同等级的预警，方便桥梁维护人员根据不同等级的预警对桥梁进行不同程度地养护，体现了系统的智能性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的模块连接示意图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，包括检测区域划分模块、承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块、建模分析模块、参数数据库、中央服务器、预警模块和显示终端。

承重压力检测模块与检测区域划分模块连接，建模分析模块分别与承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块和参数数据库连接，中央服务器分别与建模分析模块和参数数据库连接，预警模块与中央服务器连接，显示终端与中央服务器连接。

检测区域划分模块，用于对桥面承重压力检测区域进行划分，按照桥面从桥头到桥尾的矩形区域，划分为若干面积相同且相互连接的检测子区域，若干检测子区域按照预设的顺序进行编号，依次标记为1,2,…,i,…,n。

承重压力检测模块，与检测区域划分模块连接，包括若干压力检测设备，其均匀布置在各检测子区域对应的桥底处，所述压力检测设备为压力传感器，其压力传感器的个数与检测子区域的个数保持一致。压力传感器用于以固定时间段采集各检测子区域桥面所受的承重压力，并将采集的各检测子区域桥面所受的承重压力值发送至建模分析模块。

风力参数采集模块，包括风向传感器和风速传感器，其安装在桥板侧面，用于采集桥板侧面受到的风向角度和风速，并将采集的风向角度和风速发送至建模分析模块。

变形位移监测模块，包括若干水准仪，用于检测桥面纵波的变形位移量，所述水准仪采用徕佧NDA03数字式水准仪，是用来建立水平视线测定地面两点间高差的仪器，主要部件有望远镜、管水准器、垂直轴、基座和脚螺旋。其变形位移监测包括以下几个步骤：

s1:监测点设置，考虑到不影响桥面行车并保证观测点长期稳定等各种不利因素，桥面监测点沿行车道两边设置，将桥头至桥尾的距离L均匀等分为四段，其监测点位置沿着桥头至桥尾的方向依次为桥头支点、L/4点、跨中点、3L/4点、桥尾支点，监测点均固定于桥面板上，且监测点布设应牢固稳定，标志明显

s2:监测点高程计算，将水准仪分别安置在桥面各个监测点位置处，提供各个监测点的水平视线，其各个监测点的监测在统一的温度范围内进行，通过读取水准仪上前、后示数，计算桥面各监测点高程h_j＝s_j2-s_j1,h_j表示为第j个监测点高程，j表示监测点，j＝g1,g2,g3,g4,g5,g1,g2,g3,g4,g5分别表示为桥头支点、L/4点、跨中点、3L/4点、桥尾支点，s_j2表示为j个监测点水准仪后示数，s_j1表示为j个监测点水准仪前示数，以固定时间间隔重新读取各监测点水准仪前、后示数，该固定时间间隔可以是一季度，也可以是一个月，计算桥面各监测点二次高程h′_j＝s′_j2-s′_j1，h′_j表示为第j个监测点二次高程，s′_j2表示为固定时间间隔后第j个监测点水准仪后示数，s′_j1表示为固定时间间隔后第j个监测点水准仪前示数；

s3:变形危险系数统计，将计算的各监测点高程与各监测点原始高程值进行差值对比，得到各监测点变形位移量，其次将各监测点二次高程与各监测点原始高程值进行对比，得到各监测点二次变形位移量，根据各监测点变形位移量和二次变形位移量，统计各监测点相对变形位移，并对各监测点相对变形位移求其平均值，与预设的安全相对变形位移进行比较，若大于预设的安全相对变形位移，其变形危险系数χ取0.8，若小于预设的安全相对变形位移，其变形危险系数χ取0.3，变形位移监测模块将统计的变形危险系数发送至中央服务器。

水流冲击参数检测模块，用于对流经墩柱各个侧面的的水流速度和水流深度进行检测，所述水流冲击参数检测模块包括若干水流速度检测单元和若干水流深度检测单元，水流速度检测单元采用流速传感器，水流深度检测单元采用水深传感器，其分别放置在墩柱各个侧面与水面接触的位置，所述流速传感器用于检测流经桥梁墩柱各个侧面的水流速，所述水深传感器用于检测流经桥梁墩柱各个侧面的水深度，墩柱各个侧面包括前侧面、后侧面、左侧面和右侧面，所述前、后侧面是与桥面长度垂直的一面，所述左、右侧面是与桥面宽度垂直的一面，水流冲击参数检测模块将检测的流经墩柱各个侧面的水深度和水流速度发送至建模分析模块。

参数数据库存储桥面安全承重压力值，所述桥面安全承重压力值包括包括第一安全承重压力值和第二安全承重压力值，存储各承重压力危险等级对应的承重压力危险系数ξ1,ξ2,ξ3，不同承重压力危险等级对应的承重压力危险系数对应的大小顺序分别为ξ1＜ξ2＜ξ3，存储安全承受风力阈值，存储安全水流冲击力阈值，存储桥板的基板参数包括长度和厚度，存储墩柱的基本参数包括长度和宽度，存储桥板空气阻力系数，并存储各类别桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值。

建模分析模块，用于接收承重压力检测模块发送的各检测子区域桥面所受的承重压力，统计第t个时间段内桥面所受的总承重压力

p_ti表示为第t个时间段内第i个检测子区域的承重压力值，与预设的桥面安全承重压力值进行对比，所述预设的桥面安全承重压力值包括第一安全承重压力值和第二安全承重压力值，若小于第一安全承重压力值，其承重压力危险等级为一级，若大于第一安全承重压力值小于第二安全承重压力值，其承重压力危险等级为二级，若大于第二安全承重压力值，则承重压力危险等级为三级，建模分析模块将桥面的承重压力危险等级发送至中央服务器。

同时，建模分析模块接收风力参数采集模块发送的风速和风向角度，提取参数数据库中桥板基板参数中的长度和厚度，计算桥板侧面的迎风面积，记为s,s＝d*e，d表示为桥板的长度，e表示为桥板的厚度，进而统计桥板侧面所受的纵向风力

c表示为空气阻力系数，ρ表示为空气密度，标准情况下，取1.293g/l，s表示为迎风面积，v_风表示为风速，θ表示为风向与桥面水平面的夹角，与预设的安全承受风力阈值进行比较，得到对比差值，并发送至中央服务器。

进一步地，建模分析模块接收水流冲击参数检测模块发送的流经墩柱各个侧面的水深度和水流速度，并提取参数数据库中墩柱基本参数中的长度和宽度，计算墩柱各个侧面的水流冲击面积，墩柱各个侧面的水流冲击面积构成水流冲击面积集合W_k(w₁,w₂,w₃,w₄)，k表示为冲击面，k＝1,2,3,4,其中w₁表示为墩柱前侧面水流冲击面积，w₂表示为墩柱后侧面水流冲击面积，w₃表示为墩柱左侧面水流冲击面积，w₄表示为墩柱右侧面水流冲击面积，w₁＝a*h₁，w₂＝a*h₂，w₃＝b*h₃，w₄＝b*h₄，a表示为墩柱的长度，b表示为墩柱的宽度，h₁、h₂、h₃、h₄分别表示为流经墩柱前侧面、后侧面、左侧面、右侧面的水深度，根据墩柱各个侧面的水流冲击面积，统计墩柱各个侧面水流冲击力f_k冲＝ρ_水w_kv_k水 ²，f_k冲表示为墩柱第k个侧面的水流冲击力，k＝1,2,3,4，ρ_水表示为水的密度，标准情况下，取1g/ml，w_k表示为墩柱第k个侧面的水流冲击面积，v_k水表示为墩柱第k个侧面的水流速，将墩柱各个侧面水流冲击力进行叠加统计进而得到墩柱受到的水流冲击力，并发送至中央服务器。

中央服务器接收建模分析模块发送的承重压力危险等级，并提取参数数据库中各承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，筛选该承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，同时，中央服务器接收建模分析模块发送的墩柱受到的水流冲击力和桥板侧面所受的纵向风力与预设的安全承受风力阈值对比差值，接收变形位移监测模块发送的变形危险系数，统计桥梁综合安全系数

χ表示为变形危险系数，γ_D表示为第D个承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，D＝1,2,3,Δf表示为桥板侧面所受的纵向风力与预设的安全承受风力阈值对比差值，F表示为墩柱所受的水流冲击力，F₀表示预设的安全水流冲击力，桥梁综合安全系数越大，表明桥梁的安全性越高，中央服务器将统计的桥梁综合安全系数与各类别的桥梁综合安全系数阈值进行对比，若统计的桥梁综合安全系数小于一类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值，则该桥梁属于一类桥，若统计的桥梁综合安全系数在二类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于二类桥，若统计的桥梁综合安全系数在三类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于三类桥，中央服务器发送一级预警控制指令至预警模块，若统计的桥梁综合安全系数在四类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于四类桥，中央服务器发送二级预警控制指令至预警模块。同时，中央服务器将桥梁综合安全系数发送至显示终端。

所述一类桥是结构完好、安全性能良好的桥梁，所述二类桥是结构较好，安全性能较好的桥梁，所述三类桥是安全性较差，尚能维持正常使用功能的桥梁，所述四类桥是安全性差，部分重要构件有较严重缺损，桥梁承载能力降低可能危及桥梁安全的桥梁。

预警模块用于接收中央服务器发送的预警控制信号，进行不同级别的预警。

显示终端用于接收中央服务器发送的桥梁综合安全系数，并进行显示，便于相关桥梁维护人员直观地了解桥梁当下的安全状况。

本发明通过承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块和水流冲击参数检测模块对桥梁受到的承重压力、纵向风力、变形位移和水流冲击力进行检测，结合建模分析模块对承重压力、纵向风力、变形位移和水流冲击力对桥梁安全性能的影响结果进行量化，进而通过中央服务器统计桥梁的综合安全系数，并针对桥梁的综合安全系数进行桥梁类别评估，其桥梁综合安全系数能够全面反映桥梁的健康状况，通过定期地对桥梁综合安全系数进行统计评估，有利于相关工作人员掌握桥梁的安全动态发展趋势，为桥梁的养护提供可靠的参考依据，进一步完善和建立、健全现有的桥梁管理系统，提高桥梁管理技术水平，延长桥梁的使用寿命。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，其特征在于：包括检测区域划分模块、承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块、建模分析模块、参数数据库、中央服务器、预警模块和显示终端；

所述承重压力检测模块与检测区域划分模块连接，建模分析模块分别与承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块和参数数据库连接，中央服务器分别与建模分析模块和参数数据库连接，预警模块与中央服务器连接，显示终端与中央服务器连接；

所述检测区域划分模块，用于对桥面承重压力检测区域进行划分，按照桥面从桥头到桥尾的矩形区域，划分为若干面积相同且相互连接的检测子区域，若干检测子区域按照预设的顺序进行编号，依次标记为1,2,…,i,…,n；

所述承重压力检测模块，包括若干压力检测设备，其均匀布置在各检测子区域对应的桥底处，用于以固定时间段采集各检测子区域桥面所受的承重压力，并将采集的各检测子区域桥面所受的承重压力值发送至建模分析模块；

所述风力参数采集模块，包括风向传感器和风速传感器，其安装在桥板侧面，用于采集桥板侧面受到的风向角度和风速，并将采集的风向角度和风速发送至建模分析模块；

所述变形位移监测模块，包括若干水准仪，用于检测桥面纵波的变形位移量，其变形位移监测包括以下几个步骤：

S1：监测点设置，桥面监测点沿行车道两边设置，将桥头至桥尾的距离L均匀等分为四段，其监测点位置沿着桥头至桥尾的方向依次为桥头支点、L/4点、跨中点、3L/4点、桥尾支点，监测点均固定于桥面板上；

S2：监测点高程计算，将水准仪分别安置在桥面各个监测点位置处，提供各个监测点的水平视线，其各个监测点的监测在统一的温度范围内进行，通过读取水准仪上前、后示数，计算桥面各监测点高程h_j＝s_j2-s_j1,h_j表示为第j个监测点高程，j表示监测点，j＝g1,g2,g3,g4,g5,g1,g2,g3,g4,g5分别表示为桥头支点、L/4点、跨中点、3L/4点、桥尾支点，s_j2表示为j个监测点水准仪后示数，s_j1表示为j个监测点水准仪前示数，以固定时间间隔重新读取各监测点水准仪前、后示数，计算桥面各监测点二次高程h′_j＝s′_j2-s′_j1，h′_j表示为第j个监测点二次高程，s′_j2表示为固定时间间隔后第j个监测点水准仪后示数，s′_j1表示为固定时间间隔后第j个监测点水准仪前示数；

S3：变形危险系数统计，将计算的各监测点高程与各监测点原始高程值进行差值对比，得到各监测点变形位移量，其次将各监测点二次高程与各监测点原始高程值进行对比，得到各监测点二次变形位移量，根据各监测点变形位移量和二次变形位移量，统计各监测点相对变形位移，并对各监测点相对变形位移求其平均值，与预设的安全相对变形位移进行比较，若大于预设的安全相对变形位移，其变形危险系数χ取0.8，若小于预设的安全相对变形位移，其变形危险系数χ取0.3，变形位移监测模块将统计的变形危险系数发送至中央服务器；

所述水流冲击参数检测模块，用于对流经墩柱各个侧面的的水流速度和水流深度进行检测，所述水流冲击参数检测模块包括若干水流速度检测单元和若干水流深度检测单元，水流速度检测单元采用流速传感器，水流深度检测单元采用水深传感器，其分别放置在墩柱各个侧面与水面接触的位置，所述流速传感器用于检测流经桥梁墩柱各个侧面的水流速，所述水深传感器用于检测流经桥梁墩柱各个侧面的水深度，墩柱各个侧面包括前侧面、后侧面、左侧面和右侧面，所述前、后侧面是与桥面长度垂直的一面，所述左、右侧面是与桥面宽度垂直的一面，水流冲击参数检测模块将检测的流经墩柱各个侧面的水深度和水流速度发送至建模分析模块；

所述参数数据库存储桥面安全承重压力值和各承重压力危险等级对应的承重压力危险系数ξ1,ξ2,ξ3，存储安全承受风力阈值，存储安全水流冲击力阈值，存储桥板的基板参数，存储墩柱的基本参数，存储桥板空气阻力系数，并存储各类别桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值；

所述建模分析模块，用于接收承重压力检测模块发送的各检测子区域桥面所受的承重压力，统计第t个时间段内桥面所受的总承重压力

p_ti表示为第t个时间段内第i个检测子区域的承重压力值，与预设的桥面安全承重压力值进行对比，所述预设的桥面安全承重压力值包括第一安全承重压力值和第二安全承重压力值，若小于第一安全承重压力值，其承重压力危险等级为一级，若大于第一安全承重压力值小于第二安全承重压力值，其承重压力危险等级为二级，若大于第二安全承重压力值，则承重压力危险等级为三级，建模分析模块将桥面的承重压力危险等级发送至中央服务器；

建模分析模块，接收风力参数采集模块发送的风速和风向角度，提取参数数据库中桥板基板参数中的长度和厚度，计算桥板侧面的迎风面积，记为s,s＝d*e，d表示为桥板的长度，e表示为桥板的厚度，进而统计桥板侧面所受的纵向风力,与预设的安全承受风力阈值进行比较，得到对比差值，并发送至中央服务器；

建模分析模块接收水流冲击参数检测模块发送的流经墩柱各个侧面的水深度和水流速度，并提取参数数据库中墩柱的长度和宽度，计算墩柱各个侧面的水流冲击面积，墩柱各个侧面的水流冲击面积构成水流冲击面积集合W_k(w₁,w₂,w₃,w₄),k表示为冲击面，k＝1,2,3,4，其中w₁表示为墩柱前侧面水流冲击面积，w₂表示为墩柱后侧面水流冲击面积，w₃表示为墩柱左侧面水流冲击面积，w₄表示为墩柱右侧面水流冲击面积，w₁＝a*h₁，w₂＝a*h₂，w₃＝b*h₃，w₄＝b*h₄，a表示为墩柱的长度，b表示为墩柱的宽度，h₁、h₂、h₃、h₄分别表示为流经墩柱前侧面、后侧面、左侧面、右侧面的水深度，根据墩柱各个侧面的水流冲击面积，统计墩柱各个侧面水流冲击力，将墩柱各个侧面水流冲击力进行叠加统计进而得到墩柱受到的水流冲击力，并发送至中央服务器；

所述中央服务器接收建模分析模块发送的承重压力危险等级，并提取参数数据库中各承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，筛选该承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，同时，中央服务器接收建模分析模块发送的墩柱受到的水流冲击力和桥板侧面所受的纵向风力与预设的安全承受风力阈值对比差值，接收变形位移监测模块发送的变形危险系数，统计桥梁综合安全系数，中央服务器将统计的桥梁综合安全系数与各类别的桥梁综合安全系数阈值进行对比，若统计的桥梁综合安全系数小于一类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值，则该桥梁属于一类桥，若统计的桥梁综合安全系数在二类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于二类桥，若统计的桥梁综合安全系数在三类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于三类桥，中央服务器发送一级预警控制指令至预警模块，若统计的桥梁综合安全系数在四类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于四类桥，中央服务器发送二级预警控制指令至预警模块；同时，中央服务器将桥梁综合安全系数发送至显示终端；

所述预警模块用于接收中央服务器发送的预警控制信号，进行不同级别的预警；

所述显示终端用于接收中央服务器发送的桥梁综合安全系数，并进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，其特征在于：所述压力检测设备为压力传感器，其压力传感器的数量与检测子区域的数量相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，其特征在于：所述水准仪采用数字式水准仪，是用来建立水平视线测定地面两点间高差的仪器，主要部件有望远镜、管水准器、垂直轴、基座和脚螺旋。

4.根据权利要求1所述的一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，其特征在于：不同承重压力危险等级对应的承重压力危险系数对应的大小顺序分别为ξ1＜ξ2＜ξ3。

5.根据权利要求1所述的一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，其特征在于：桥板所受的纵向风力计算公式为

c表示为空气阻力系数，ρ表示为空气密度，标准情况下，取1.293g/l，s表示为迎风面积，v_风表示为风速，θ表示为风向与桥面水平面的夹角。

6.根据权利要求1所述的一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，其特征在于：所述墩柱各个侧面水流冲击力的计算公式为f_k冲＝ρ_水w_kv_k水 ²，f_k冲表示为墩柱第k个侧面的水流冲击力，k＝1,2,3,4，ρ_水表示为水的密度，标准情况下，取1g/ml，w_k表示为墩柱第k个侧面的水流冲击面积，v_k水表示为墩柱第k个侧面的水流速。

7.根据权利要求1所述的一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，其特征在于：所述桥梁综合安全系数计算公式为

χ表示为变形危险系数，γ_D表示为第D个承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，D＝1,2,3,Δf表示为桥板侧面所受的纵向风力与预设的安全承受风力阈值对比差值，F表示为墩柱所受的水流冲击力，F₀表示预设的安全水流冲击力。

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