CN112113604A - 一种桥梁健康监测硬件系统的状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁健康监测硬件系统的状态监测方法，包括：对传感器的状态监测；对无线传输模块的状态监测；对电源模块的状态监测。本发明按照桥梁健康监测硬件系统设备的功能特点，将其中设备进行分类，并按类进行管理，具体：通过指标反映该类设备的状态，再通过雷达图展示它们的综合状态，并以此表征整个硬件系统的状态。本发明指标的具体数值直接由云服务器获得，结果通过雷达图显示，可远程、实时、直观展示所述硬件系统的状态，给桥梁管理者维护桥梁健康提供了便利性。
Description
技术领域
本发明涉及硬件系统状态监测技术领域，尤其涉及一种桥梁健康监测硬件系统的状态监测方法。
背景技术
近些年来，桥梁安全事故层出不穷，桥梁的安全关系着国家经济和群众生命安全。传统的依靠人工检测和养护管理方法已经满足不了相应的需求，为了能够及时了解桥梁的实时运营状况，世界上的许多大桥开始搭建桥梁健康检测系统。
然而，桥梁健康监测系统能够正常运营得益于稳定、耐久的硬件基础以及有效的分析软件。目前桥梁健康监测系统存在的普遍情况是，大部分健康监测系统过度重视硬件系统的建设，在安装过程中配备了数量众多的传感器、采集仪、通信设备等。硬件系统都是部署在桥梁上，而桥梁所处位置一般偏远，而且环境恶劣。硬件设备在运营过程中很容易遇到各种问题，如短路、老化以及损坏等。硬件系统的任何设备发生问题都将会导致数据无法正常采集，直接影响整个健康监测系统功能的发挥。所以，需要实时了解桥梁上的硬件的状态。但庞大的硬件设备规模增加了健康监测硬件系统维护管理的难度。所以，如何远程对桥梁现场的硬件设备进行状态监测成为桥梁管理者迫切需要解决的一大难题。
发明内容
本发明的发明目的是，提供一种桥梁健康监测硬件系统的状态监测方法。
本发明的发明目的通过如下技术方案实现：一种桥梁健康监测硬件系统的状态监测方法，包括以下步骤：
步骤1)状态监测
步骤1)包括：
对传感器的状态监测：统计所述硬件系统中需监测的传感器，从云服务器获取这些传感器的感应数据，根据传感器的感应数据判断传感器的状态；
对无线传输模块的状态监测：统计所述硬件系统中需监测的无线传输模块，从云服务器获取这些无线传输模块的信号强度数据，根据无线传输模块的信号强度数据判断无线传输模块的状态；
对电源模块的状态监测：统计所述硬件系统中需监测的电源模块，在每个所述电源模块中安装智能电表，从云服务器获取这些智能电表的测量数据，根据这些测量数据判断电源模块的状态；
步骤2)结果显示
通过雷达图显示所述硬件系统的状态，所述雷达图包括如下三个属性：传感器状态；无线传输模块状态；电源模块状态。
步骤1)中对电源模块的状态监测，所述测量数据具体指电压强度，通过智能电表获取电源模块的电压强度，然后根据电源模块的电压强度数据判断该电源模块的状态。
步骤2)中，传感器状态属性的指标为：周期时间内正常传感器的数量；
无线传输模块状态属性的指标为：周期时间内无线传输模块信号强度的平均值X；
电源模块状态属性的指标为周期时间内电源模块电压强度的平均值V。
所述硬件系统包括传感器、物联模块、物联网关和云服务器以及电源模块；
所述电源模块为所述硬件系统提供工作电源，所述传感器与所述物联模块通过线路相连，所述物联模块通过其LoRa无线通信模块与所述物联网关相连，并通过所述物联网关与所述云服务器通过4G/5G移动通信网络相连。
所述指标经归一化处理后显示在所述雷达图上，所述雷达图的最外圈数值为1，中心数值为0，三指标的归一化处理方式分别如下：
传感器状态值P1＝N/M；M为传感器的总数，N为正常传感器的数量；
无线传输模块状态值P2：
当X>＝-75，P2＝1；
当-165<X<-75，P2＝(X-(-165))/90；
当X<＝-165，P2＝0；
电源模块状态值P3：
当V>＝220，P3＝1；
当0＝<V<220，P3＝V/220。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明按照桥梁健康监测硬件系统设备的功能特点，将其中设备进行分类，并按类进行管理，具体：通过指标反映该类设备的状态，再通过雷达图展示它们的综合状态，并以此表征整个硬件系统的状态。本发明指标的具体数值直接由云服务器获得，结果通过雷达图显示，可远程、实时、直观展示所述硬件系统的状态，给桥梁管理者维护桥梁健康提供了便利性。
附图说明
图1为桥梁健康监测硬件系统的架构图；
图2为三维属性雷达图的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，当前的桥梁健康监测硬件系统主要包括：用于采集影响桥梁结构安全的重要参数的众多传感器，与传感器相连的采集设备以及通信网络设备和其他配件。本实施例按照硬件系统各设备的功能特点，将硬件系统中的设备分成3类，从而进行分类管理。分类情况具体如下：
(1)传感器模块
主要指桥梁上安装的各种传感器及相关附件，如风速仪、温度传感器、位移计、倾角仪、EM索力传感器(针对拉索桥)、应变计、信号放大器等，它们主要用来采集桥梁的健康状态数据。
(2)无线传输模块
主要指物联模块和物联网关(即图1中的物联网模块和物联网网关)，分别用于本地通信及远程通信。物联模块主要用于收集传感器感应数据，然后通过LoRa通信模块传输给物联网关。物联网关通过4G/5G移动通信网络将数据发送到云服务器。
本实施例中采用的物联模块，其结构如下：包括嵌入式微处理器、基于Modbus总线协议的数据采集接口和Lora无线通信模块，数据采集接口包括RS485通信接口和RS232通信接口，嵌入式微处理器与RS485通信接口、RS232通信接口和Lora无线通信模块分别相连。
上述物联模块以嵌入式微处理器作为控制中心，包含RS485通信接口和RS232通信接口，支持常用的Modbus总线接口设备，基本覆盖了桥梁监测场景中大部分传感器设备，使得本实施例物联模块在桥梁监测领域具有较好的通用性。另外，本实施例物联模块将数据采集单元、通信单元集成在一起，通信单元选用支持长距离传输数据及数据传输稳定性好的Lora无线通信模块，可很好的适应监测系统通常的应用环境(监测系统通常应用在大桥或特大桥上)，有利于简化监测系统的布线工作。
(3)电源模块
对于大型的桥梁健康监测系统，主要依靠市电给整套系统供电，电源模块含降压模块，将220v交流电转换成36V直流电等给硬件系统中的设备供电。为满足系统中传感器、采集设备和通信网络设备等的电力需求，保证桥梁健康监测系统能正常工作，电源模块输出电压应满足一定要求，具体下文陈述。
本实施例对桥梁健康监测硬件系统的状态监测，通过对其传感器模块、无线传输模块和电源模块的状态监测实现。
对传感器的状态监测：统计所述硬件系统中需监测的传感器，获取这些传感器的感应数据，根据传感器的感应数据判断传感器的状态；
对无线传输模块的状态监测，这里主要指对物联网关的状态监测。物联网关为信号统一发送点，需要监测。至于物联模块的状态，可根据与该物联模块相关的传感器的数据返回情况，判断该物联模块的状态。本发明中对无线传输模块的状态监测实现方式如下：
统计所述硬件系统中需监测的无线传输模块，获取这些无线传输模块的信号强度数据，根据无线传输模块的信号强度数据判断无线传输模块的状态；
对电源模块的状态监测：统计所述硬件系统中需监测的电源模块，在每个所述电源模块中安装智能电表，通过这些智能电表获取电源模块的电压强度，根据电源模块的电压强度数据判断电源模块的状态。
上述信号强度数据和电压强度数据均通过上述硬件系统中的通信模块(网关或网关和物联模块)传回云服务器。本实施例对硬件系统状态的监测数据，均通过所述云服务器直接获取。
本实施例通过三维属性雷达图显示所述硬件系统的状态，如图2所示，三维属性分别指：
传感器状态，该属性的评价指标为周期时间内正常传感器的数量；
无线传输模块状态，该属性的评价指标为周期时间内无线传输模块信号强度的平均值X；
电源模块状态，该属性的评价指标为周期时间内电源模块电压强度的平均值V。
为保证属性雷达图的统一性，对每个评价指标进行归一化处理，图形的最外圈数值为1，表示硬件处于最佳状态，图形的中心数值为0，表示每个维度的最差状态。并定义两个预警线，一级预警定义为最佳状态的0.9，二级预警定义为最佳状态的0.5。
1.传感器模块
时间周期t内(可取过去的1天或者过去的1个小时)，传感器的状态值P1＝N/M。M为待监测的传感器的总数，N为其中正常传感器的数量(感应数据在正常范围内)。100％数量的传感器正常时，状态数值P1＝1，落在雷达图的外圈上。
2.无线传输模块
时间周期t内，取该周期时间内信号强度的平均值X。
当X>＝-75，P2＝1；
当-165<X<-75，P2＝(X-(-165))/90；
当X<＝-165，P2＝0。
针对4G信号接收经验，信号最差时，信号强度为-120db左右，信号最强烈时，信号强度为-75db左右。信号强度低于-120db时，数据信息基本无法正常接收，所以本实施例将-120db作为二级预警值(底线为-165db时，根据二级预警的定义，其值刚好为-120db)。
3.电源模块
时间周期t内，取该周期时间内电压强度的平均值V。
当V>＝220，P3＝1；
当0<＝V<220，P3＝V/220。
我国的用电标准是220v，设备低于110v将无法正常工作。本实施例将110v定义成电源模块的二级预警值。
根据上述三模块的综合显示结果，即可直观的获知桥梁健康监测硬件系统的状态。
Claims (5)
1.一种桥梁健康监测硬件系统的状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)状态监测
步骤1)包括：
对传感器的状态监测：统计所述硬件系统中需监测的传感器，从云服务器获取这些传感器的感应数据，根据传感器的感应数据判断传感器的状态；
对无线传输模块的状态监测：统计所述硬件系统中需监测的无线传输模块，从云服务器获取这些无线传输模块的信号强度数据，根据无线传输模块的信号强度数据判断无线传输模块的状态；
对电源模块的状态监测：统计所述硬件系统中需监测的电源模块，在每个所述电源模块中安装智能电表，从云服务器获取这些智能电表的测量数据，根据这些测量数据判断电源模块的状态；
步骤2)结果显示
通过雷达图显示所述硬件系统的状态，所述雷达图包括如下三个属性：传感器状态；无线传输模块状态；电源模块状态。
2.根据权利要求1所述的状态监测方法，其特征在于，
步骤1)中对电源模块的状态监测，所述测量数据具体指电压强度，通过智能电表获取电源模块的电压强度，然后根据电源模块的电压强度数据判断该电源模块的状态。
3.根据权利要求2所述的状态监测方法，其特征在于，
步骤2)中，传感器状态属性的指标为：周期时间内正常传感器的数量；
无线传输模块状态属性的指标为：周期时间内无线传输模块信号强度的平均值X；
电源模块状态属性的指标为周期时间内电源模块电压强度的平均值V。
4.根据权利要求1所述的状态监测方法，其特征在于，
所述硬件系统包括传感器、物联模块、物联网关和云服务器以及电源模块；
所述电源模块为所述硬件系统提供工作电源，所述传感器与所述物联模块通过线路相连，所述物联模块通过其LoRa无线通信模块与所述物联网关相连，并通过所述物联网关与所述云服务器通过4G/5G移动通信网络相连。
5.根据权利要求3所述的状态监测方法，其特征在于，
所述指标经归一化处理后显示在所述雷达图上，所述雷达图的最外圈数值为1，中心数值为0，三指标的归一化处理方式分别如下：
传感器状态值P1＝N/M；M为传感器的总数，N为正常传感器的数量；
无线传输模块状态值P2：
当X>＝-75，P2＝1；
当-165<X<-75，P2＝(X-(-165))/90；
当X<＝-165，P2＝0；
电源模块状态值P3：
当V>＝220，P3＝1；
当0＝<V<220，P3＝V/220。
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