CN111638077A - 一种基于前端处理的斜拉索智能监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前端处理的斜拉索智能监测方法及系统，涉及桥梁监测技术领域，本发明变换传统实现方式，将传统的后台分析系统的一部分数据预处理功能前置在前端的检测设备中，与振动信号采集集成于一体，需要传输的数据均为预处理之后的有效数据，且数据量大大减少，使全桥所有拉索的监测数据通过无线传输成为可能，同时也避免了在大桥健康监测系统中存储海量的原始信息，达到全桥拉索索力、振动信号特征、异常振动等方面的实时监测。

Description

一种基于前端处理的斜拉索智能监测方法及系统

技术领域

本发明涉及桥梁监测技术领域，具体涉及一种基于前端处理的斜拉索智能监测方法及系统。

背景技术

大跨度斜拉桥作为我国交通枢纽的控制性工程，均为百年大桥，在日常的运营管养方面提出了更高的要求。而斜拉索作为斜拉桥结构的主要受力构件，更是日常管养和健康监测系统的重点，而斜拉索需要关注的有索力、振动情况和异常的冲击等情况，因为索力异常可能表征斜拉索的结构甚至整个桥梁出现问题，拉索的振动问题会引起斜拉索本身和桥梁锚固结构的疲劳损伤，而诸如重车剐蹭等问题更会斜拉索造成严重的损伤，拉索上述状态均应得到实时有效的监测，才能保证斜拉索结构的安全。

目前的拉索监测手段中，包含压力环法、磁通量法和振动法，均存在一定的缺陷。

压力环法只能测试得到拉索的索力，而且压力环一旦损坏，将难以更换。

专利号为CN 105527047 A的中国专利“一种基于MEMS加速度传感器修正的磁通量索力检测装置”，通过MEMS加速度传感器修正磁通量传感器的数据漂移，提高磁通量法的索力测试稳定性和可靠性。但是该方法对斜拉索日常运营的振动情况和异常冲击等情况难以有效监测。

振动法是目前应用较为广泛的一种拉索监测手段，所采用的加速度传感器类型众多，如压电传感器，或者新型的微机电传感器(专利号为CN 202710599 U的中国专利“基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统”)。基于上述传感器系统的斜拉索健康监测方案中，一般是将振动的原始信号通过信号传输线的方式传输回健康监测系统中，然后后台进行数据处理。上述方式有两方面问题，一方面是振动信号通过长距离的信号线传输，不可避免有外力和电磁干扰，需要通过专门的屏蔽线和防护钢管，传输距离受限，而且成本和后期维护难度较大；另一方面是所有的原始振动信号一刻不停的传输回健康监测系统，数据传输和后台存储的数据量巨大，而这些海量数据只有经过分析处理之后的少量数据才是有效的。上述方案的实施方式和数据传输方式，使健康监测系统只能有选择的对某些斜拉索进行监测(该比例一般低于25％)，难以实现全桥覆盖，但是全桥所有拉索收到损伤的几率是差不多的。

随着物联网和信息通讯技术的发展，亟需研发新的拉索智能监测技术，以实现对全桥拉索全覆盖、多方位的有效监测。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于前端处理的斜拉索智能监测方法及系统，需传输的且数据量大大减少，避免了在大桥健康监测系统中存储海量的原始信息。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于前端处理的斜拉索智能监测方法，包括以下步骤：

将加速度传感器和信号分析设备集成在前端的测试设备中，对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，将处理后的信号无线或有线方式传输至远端监测系统。

在上述技术方案的基础上，对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，具体包括以下步骤：

对加速度传感器采集到的原始振动信号进行傅里叶变换，从分析得到的频谱数据中筛选出输频谱信号值最强的若干数据传输至远端监测系统。

在上述技术方案的基础上，对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，具体还包括以下步骤：

对拉索的振动数据进行统计分析，传输拉索振动的最大值、最小值和振幅最大的若干阶主频至远端监测系统；

在上述技术方案的基础上，对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，具体还包括以下步骤：

当斜拉索振动超过设置的阈值时，发出预警信号并传输至远端监测系统。

在上述技术方案的基础上，所述加速度传感器为ADXL355型微机电传感器。

本发明还提供一种基于前端处理的斜拉索智能监测系统，包括：

加速度传感器，用于采集斜拉索的振动加速度信号；

信号分析设备，与加速度传感器一起集成在前端的测试设备中，用于对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，将处理后的信号无线或有线方式传输至远端监测系统。

在上述技术方案的基础上，所述信号分析设备具体用于：

对加速度传感器采集到的原始振动信号进行傅里叶变换，从分析得到的频谱数据中筛选出输频谱信号值最强的若干数据传输至远端监测系统。

在上述技术方案的基础上，所述信号分析设备具体还用于：

对拉索的振动数据进行统计分析，传输拉索振动的最大值、最小值和振幅最大的若干阶主频至远端监测系统；

在上述技术方案的基础上，所述信号分析设备具体还用于：

当斜拉索振动超过设置的阈值时，发出预警信号并传输至远端监测系统。

在上述技术方案的基础上，所述加速度传感器为ADXL355型微机电传感器。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明变换传统实现方式，将传统的后台分析系统的一部分数据预处理功能前置在前端的检测设备中，与振动信号采集集成于一体，需要传输的数据均为预处理之后的有效数据，且数据量大大减少，使全桥所有拉索的监测数据通过无线传输成为可能，同时也避免了在大桥健康监测系统中存储海量的原始信息，达到全桥拉索索力、振动信号特征、异常振动等方面的实时监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例的基于前端处理的斜拉索智能监测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的基于前端处理的斜拉索智能监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种基于前端处理的斜拉索智能监测方法，具体包括以下步骤：

S1、将加速度传感器和信号分析装置集成在前端测试设备中；

S2、将加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理；

S3、将有用的信号通过无线的方式传输回健康监测系统。

优选的，加速度传感器的信号采集系统通过多次反复测试，选择ADXL355型微机电传感器，该传感器的灵敏度够高，可以识别出安装了阻尼器之后斜拉索日常微弱的振动信号。

作为优选的实施方式，该发明实施例的振动信号采集装置按照设定的采集频率持续进行采集，采集得到的振动信号通过前置的信号分析设备进行处理，该信号分析设备主要有以下三种功能：

1)索力监测功能：对原始振动信号进行傅里叶变换，对分析得到的频谱数据进行如下处理：只传输频谱信号值最强的10对数据(主频)传输给健康监测系统，每对频率数据的X值为频率、Y值为频谱信号的强度值。常规数据为2048对数据，而本发明实施例只选取最有用的10对，一方面减少了信号传输压力，另一方面健康监测系统中也只保存有用的数据，而非海量的原始数据。

健康监测系统收到上述数据之后，可以通过相关的算法，计算出拉索的索力。

2)日常振动监测功能：对拉索的振动数据进行统计分析，每10分钟传输回拉索振动的最大值、最小值和振动最明显的10阶主频。通过该功能，可以明确斜拉索索体在持续运营阶段的振动情况，是否有异常振动，日常的振动水平情况，同时对拉索阻尼器的有效性进行评估。

3)异常振动的预警和数据回溯功能：通过设置预警的阈值，当斜拉索振动超过一定阈值时，该系统会发出预警信号，提示管养人员注意现场是否发生异常情况，同时系统会将异常振动的原始数据发回健康监测系统，以供桥梁管理技术人员进行数据回溯分析。

参见图2所示，本发明实施例还提供一种基于前端处理的斜拉索智能监测系统，包括：

加速度传感器，用于采集斜拉索的振动加速度信号；

信号分析设备，与加速度传感器一起集成在前端的测试设备中，用于对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，将处理后的信号无线或有线方式传输至远端监测系统。

优选的，所述信号分析设备具体用于：

对加速度传感器采集到的原始振动信号进行傅里叶变换，从分析得到的频谱数据中筛选出输频谱信号值最强的若干数据传输至远端监测系统。

对拉索的振动数据进行统计分析，传输拉索振动的最大值、最小值和振幅最大的若干阶主频至远端监测系统；

当斜拉索振动超过设置的阈值时，发出预警信号并传输至远端监测系统。

作为优选的实施方式，所述加速度传感器为ADXL355型微机电传感器。

作为优选的实施方式，上述系统采用嵌入式ARM平台，具备远程配置功能，当需求或者分析算法发生变化后，可以对前端进行嵌入式ARM平台的系统进行重新配置修改。

作为优选的实施方式，某大桥一共152个测点，共分为4组，每组包含1个基站和38个索力测试节点，节点距离测站的最大距离为420m。节点与基站的信号传递方式通过多次比选，最终选用了6Lowpan的无线传输方式，通过实际检验，测试节点的数据均能完整的传输至基站。基站的数据包可以采用有线或者4G无线的方式传输到健康监测系统中。

本发明实施例变换传统实现方式，将传统的后台分析系统的一部分数据预处理功能前置在前端的检测设备中，与振动信号采集集成于一体，需要传输的数据均为预处理之后的有效数据，且数据量大大减少，使全桥所有拉索的监测数据通过无线传输成为可能，同时也避免了在大桥健康监测系统中存储海量的原始信息，达到全桥拉索索力、振动信号特征、异常振动等方面的实时监测。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于前端处理的斜拉索智能监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将加速度传感器和信号分析设备集成在前端的测试设备中，对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，将处理后的信号无线或有线方式传输至远端监测系统。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，具体包括以下步骤：

对加速度传感器采集到的原始振动信号进行傅里叶变换，从分析得到的频谱数据中筛选出输频谱信号值最强的若干数据传输至远端监测系统。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，具体还包括以下步骤：

对拉索的振动数据进行统计分析，传输拉索振动的最大值、最小值和振幅最大的若干阶主频至远端监测系统。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，具体还包括以下步骤：

当斜拉索振动超过设置的阈值时，发出预警信号并传输至远端监测系统。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述加速度传感器为ADXL355型微机电传感器。

6.一种基于前端处理的斜拉索智能监测系统，其特征在于，包括：

加速度传感器，用于采集斜拉索的振动加速度信号；

信号分析设备，与加速度传感器一起集成在前端的测试设备中，用于对加速度传感器采集到的振动加速度信号进行分析处理，将处理后的信号无线或有线方式传输至远端监测系统。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述信号分析设备具体用于：

对加速度传感器采集到的原始振动信号进行傅里叶变换，从分析得到的频谱数据中筛选出输频谱信号值最强的若干数据传输至远端监测系统。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述信号分析设备具体还用于：

对拉索的振动数据进行统计分析，传输拉索振动的最大值、最小值和振幅最大的若干阶主频至远端监测系统。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述信号分析设备具体还用于：

当斜拉索振动超过设置的阈值时，发出预警信号并传输至远端监测系统。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述加速度传感器为ADXL355型微机电传感器。

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