CN113899401B - 一种基于光纤传感器的桥梁监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光纤传感器的桥梁监测系统及方法，当各个光纤传感器的任一个波形值出现异常时，根据中央处理芯片利用率和内存利用率、缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间，同时，在内存利用率较小时，在内存中增加数据缓存接收队列的长度，且在中央处理芯片利用率小于第二阈值时，根据切换时间和接收队列的长度增加中央处理芯片的线程，在所述中央处理芯片利用率大于等于第二阈值时，冻结n个进程。实现了自动调整光纤选择开关在不同光纤中的切换时间，而且还可以同步调整线程数以及内存，进而提高了对采集数据的处理速度，防止采集频率提高，而无法及时处理的情况。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁监测技术领域，更具体的说，涉及到利用光纤传感器对桥梁进行监测。
背景技术
经济的高速发展离不开交通运输业，桥梁是连接道路的重要设施，是保障道路畅通的关键因素。桥梁的建设具有投资大、运营周期长等特点，随着重型机械以及新型材料的不断涌现，现在建设的桥梁的规模更大、设计寿命更长。桥梁的安全运营离不开对桥梁的监测和维护，目前对于桥梁的监护一般还是采用人工的方式或者利用一些传统传感器，由于人的视力有限，对于一些不明显的变化，肉眼是无法观察的，而传统的传感器寿命较短、容易发生漂移等，并不适合长期用于桥梁的监测。
光纤传感器是以在光纤中传播的光的变化为被观测量，而光纤是玻璃制成的纤维，其具有稳定、耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，相较于传统传感器优势明显。光纤传感器主要有光源、光纤、敏感元件、检测器以及信号处理系统组成，光纤传感器主要分为传光型光纤传感器、传感型光纤传感器，传光型光纤传感器是通过光纤传播光，通过光经过敏感元件或功能元件后的变化得到被测物理量，传感型光纤传感器是通过光在光纤传播发生的变化得到被测物理量，也即传和感都是通过光纤实现，典型的光纤传感器有强度调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器以及光纤布拉格光栅传感器等，其中光纤布拉格光栅（Fiber-optic Bragg Grating，FBG）传感器是应用最为广泛的光纤传感器。
由于光纤传感器的稳定、寿命长等特点，通过在桥梁中预埋光纤传感器可以监测桥梁的内部应力、形变、温度等，进而对桥梁的健康情况进行监测，目前在很多桥梁中已经在使用光纤传感器进行监测。利用光纤传感器对桥梁监测需要布置多条光纤，采用时分复用技术的话，现在都是利用光纤选择开关周期性地在多个光纤中选择，由于光谱分析设备的处理芯片速度有限，并不能根据光分析设备的处理速度以及采样的需要进行控制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于光纤传感器的桥梁监测方法，具体包括以下步骤：
S1：每隔预设周期获取光谱分析设备的中央处理芯片利用率和内存利用率，并获取数据接收缓存队列长度；同时获取当前时刻在图形界面上显示的各个光纤传感器的波形值；
S2：判断所述各个光纤传感器的任一个中的波形值相对于该光纤传感器的基准值是否超过预设值，若是，则执行S3，否则执行S4；
S3：根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，并判断内存利用率是否小于第一阈值，若是，则在内存中增加数据缓存接收队列的长度，且在所述中央处理芯片利用率小于第二阈值时，根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加中央处理芯片的线程，在所述中央处理芯片利用率大于等于第二阈值时，冻结n个进程；若否，进行内存回收，并执行S1；
S4：获取光纤选择开关的切换时间，当所述各个光纤传感器距离上一次波形值超过所述预设值的时间大于预设时间，若所述切换时间为非标准值，则将所述切换时间调整到标准值，并解冻冻结的进程。
优选地，所述根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，具体为根据以下公式计算得到：
,其中为所述切换时间的标准值，为所述中央处理芯片利用率，为所述内存利用率，为所述数据接收缓存队列长度标准值，为所述数据接收缓存队列长度。
优选地，所述在内存中增加数据缓存接收队列的长度，具体为：
获取空闲内存大小，根据空闲内存大小、所述数据缓存接收队列的长度、所述数据缓存接收队列占用内存大小增加数据缓存接收队列的长度。增加数据缓存接收队列的长度有多种方式，对此本发明不作具体限定。在一个具体实施例中，步骤S4还包括将数据缓存接收队列的长度设置为数据接收缓存队列长度标准值。
优选地，所述冻结n个进程，具体包括以下步骤：
步骤S31，按照进程占用的中央处理芯片的资源大小，从大到小的顺序对所有的进程进行排序，得到第一进程队列；
步骤S32，根据设置的白名单将所述第一进程队列中位于白名单的进程删除，得到第二进程队列，冻结所述第二进程队列中前n个进程。
优选地，所述根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加量增加中央处理芯片的线程，具体为根据以下公式计算得到：
，其中为所述切换时间的标准值，为所述数据缓存接收队列增加的队列长度。
优选地，所述光纤传感器优选为光纤布拉格光栅传感器，所述中央处理芯片为CPU或FPGA。
另外，本发明还提供了一种云计算资源管理系统，包括以下模块：
定时获取模块，用于每隔预设周期获取光谱分析设备的中央处理芯片利用率和内存利用率，并获取数据接收缓存队列长度；同时获取当前时刻在图形界面上显示的各个光纤传感器的波形值；
第一判断模块，用于判断所述各个光纤传感器的任一个中的波形值相对于该光纤传感器的基准值是否超过预设值，若是，则执行切换时间第一调整模块，否则执行切换时间第二调整模块；
切换时间第一调整模块，用于根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，并判断内存利用率是否小于第一阈值，若是，则在内存中增加数据缓存接收队列的长度，且在所述中央处理芯片利用率小于第二阈值时，根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加中央处理芯片的线程，在所述中央处理芯片利用率大于等于第二阈值时，冻结n个进程；若否，进行内存回收，并执行定时获取模块；
切换时间第二调整模块，用于获取光纤选择开关的切换时间，当所述各个光纤传感器距离上一次波形值超过所述预设值的时间大于预设时间，若所述切换时间为非标准值，则将所述切换时间调整到标准值，并解冻冻结的进程。
优选地，所述根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，具体为根据以下公式计算得到：
,其中为所述切换时间的标准值，为所述中央处理芯片利用率，为所述内存利用率，为所述数据接收缓存队列长度标准值，为所述数据接收缓存队列长度。
优选地，所述根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加量增加中央处理芯片的线程，具体为根据以下公式计算得到：
，其中为所述切换时间的标准值，为所述数据缓存接收队列增加的队列长度。
最后，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现如上所述的方法。
本发明对利用光纤传感器对桥梁监测过程中的时分复用进行了改进，根据中央处理芯片利用率和内存利用率、缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，克服了现有时分复用中光纤选择开关在不同光纤间切换时间固定的问题，在光纤传感器发现波形值出现大的变化时，自动根据中央处理芯片利用率、内存利用率、数据接收缓存队列的长度对切换时间进行调整。实现了在正常情况下，光纤选择开关在不同光纤间切换时间相对较大，而在出现如应变力突然增大等特殊情况时，自动缩小切换时间，增强了对桥梁的监测频率。此外，本发明提供的系统和方法构成了一个整体，在调整切换时间的同时，本发明还可以同步调整线程数以及内存，进而提高了对采集数据的处理速度，防止采集频率提高，而无法及时处理的情况，本发明提供的方法和系统在实际应用中取得了良好的效果。
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实施例。
图1为光纤布拉格光栅传感器原理图；
图2是光纤传感器时分复用的结构图；
图3位本发明的流程图。
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。
如图1所示为光纤布拉格光栅传感器的原理图，光源设备提供光纤的输入光，当输入光在经过光栅时，会反射部分光，而且不同位置的光栅反射的光不同，光纤布拉格光栅就是利用反射光的不同区分不同的位置以及在该位置的物理量，例如应变力、温度等。光纤布拉格光栅是当前使用最广的光纤传感器，当有多个光纤布拉格光栅传感器时，可以利用光纤选择开关在不同的光纤中输入光，进而实现复用，如图2所示。
实施例一
本发明提供了一种基于光纤传感器的桥梁监测方法，如图3所示,包括以下步骤：
S1：每隔预设周期获取光谱分析设备的中央处理芯片利用率和内存利用率，并获取数据接收缓存队列长度；同时获取当前时刻在图形界面上显示的各个光纤传感器的波形值；
S2：判断所述各个光纤传感器的任一个中的波形值相对于该光纤传感器的基准值是否超过预设值，若是，则执行S3，否则执行S4；
S3：根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，并判断内存利用率是否小于第一阈值，若是，则在内存中增加数据缓存接收队列的长度，且在所述中央处理芯片利用率小于第二阈值时，根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加中央处理芯片的线程，在所述中央处理芯片利用率大于等于第二阈值时，冻结n个进程；若否，进行内存回收，并执行S1；
S4：获取光纤选择开关的切换时间，当所述各个光纤传感器距离上一次波形值超过所述预设值的时间大于预设时间，若所述切换时间为非标准值，则将所述切换时间调整到标准值，并解冻冻结的进程。
具体地,假设预设周期为5s，则每隔5s获取一次中央处理芯片利用率、内存利用率、数据接收缓存队列长度，以及在当前或者5s内的波形值，如果在当前或者5s内的波形值出现相较于该光纤传感器的基准值的差的绝对值大于预设值，则执行重新计算切换时间T的过程。
在进行下一个周期进行采集前，会一直使用该切换时间T作为光纤选择开关的切换时间。
所述步骤S4中，所述预设时间可以是预设周期的整数倍，也可以是标准值的整数倍，本发明对此不作具体限定。
在一个具体实施例中，所述根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，具体为根据以下公式计算得到：
,其中为所述切换时间的标准值，为所述中央处理芯片利用率，为所述内存利用率，为所述数据接收缓存队列长度标准值，为所述数据接收缓存队列长度。
为了保证在减少切换时间的同时，数据接收缓存队列能及时接收数据，在一个具体的实施例中，q总是大于。
在一个具体实施例中，所述在内存中增加数据缓存接收队列的长度，具体为：
获取空闲内存大小，根据空闲内存大小、所述数据缓存接收队列的长度、所述数据缓存接收队列占用内存大小增加数据缓存接收队列的长度。在一个具体实施例中,可以根据数据缓存接收队列中每个元素平均占用的内存以及所述空闲内存大小确定增加的数据缓存接收队列的长度。
在一个具体实施例中，所述冻结n个进程，具体包括以下步骤：
步骤S31，按照进程占用的中央处理芯片的资源大小，从大到小的顺序对所有的进程进行排序，得到第一进程队列；
步骤S32，根据设置的白名单将所述第一进程队列中位于白名单的进程删除，得到第二进程队列，冻结所述第二进程队列中前n个进程。所述白名单至少包括操作系统核心进程和处理数据缓存接收队列以及显示的相关进程。
在一个具体实施例中，所述根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加量增加中央处理芯片的线程，具体为根据以下公式计算得到：
，其中为所述切换时间的标准值，为所述数据缓存接收队列增加的队列长度。
在一个具体实施例中，所述光纤传感器优选为光纤布拉格光栅传感器，所述中央处理芯片为CPU或FPGA。
实施例二
本发明还供了一种云计算资源管理系统，包括以下模块：
定时获取模块，用于每隔预设周期获取光谱分析设备的中央处理芯片利用率和内存利用率，并获取数据接收缓存队列长度；同时获取当前时刻在图形界面上显示的各个光纤传感器的波形值；
第一判断模块，用于判断所述各个光纤传感器的任一个中的波形值相对于该光纤传感器的基准值是否超过预设值，若是，则执行切换时间第一调整模块，否则执行切换时间第二调整模块；
切换时间第一调整模块，用于根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，并判断内存利用率是否小于第一阈值，若是，则在内存中增加数据缓存接收队列的长度，且在所述中央处理芯片利用率小于第二阈值时，根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加中央处理芯片的线程，在所述中央处理芯片利用率大于等于第二阈值时，冻结n个进程；若否，进行内存回收，并执行定时获取模块；
切换时间第二调整模块，用于获取光纤选择开关的切换时间，当所述各个光纤传感器距离上一次波形值超过所述预设值的时间大于预设时间，若所述切换时间为非标准值，则将所述切换时间调整到标准值，并解冻冻结的进程。
在一个具体实施例中，所述根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，具体为根据以下公式计算得到：
,其中为所述切换时间的标准值，为所述中央处理芯片利用率，为所述内存利用率，为所述数据接收缓存队列长度标准值，为所述数据接收缓存队列长度。
在一个具体实施例中，所述根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加中央处理芯片的线程，具体为根据以下公式计算得到：
，其中为所述切换时间的标准值，为所述数据缓存接收队列增加的队列长度，为所述数据接收缓存队列长度标准值。
实施例三
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现如实施例一所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光纤传感器的桥梁监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：每隔预设周期获取光谱分析设备的中央处理芯片利用率和内存利用率，并获取数据接收缓存队列长度；同时获取当前时刻在图形界面上显示的各个光纤传感器的波形值；
S2：判断所述各个光纤传感器的任一个中的波形值相对于该光纤传感器的基准值是否超过预设值，若是，则执行S3，否则执行S4；
S3：根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，并判断内存利用率是否小于第一阈值，若是，则在内存中增加数据缓存接收队列的长度，且在所述中央处理芯片利用率小于第二阈值时，根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加中央处理芯片的线程，在所述中央处理芯片利用率大于等于第二阈值时，冻结n个进程；若否，进行内存回收，并执行S1；
S4：获取光纤选择开关的切换时间，当所述各个光纤传感器距离上一次波形值超过所述预设值的时间大于预设时间，若所述切换时间为非标准值，则将所述切换时间调整到标准值，并解冻冻结的进程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，具体为根据以下公式计算得到：
其中Tbase为所述切换时间的标准值，Ucore为所述中央处理芯片利用率，Umemory为所述内存利用率，qbase为所述数据接收缓存队列长度标准值，q为所述数据接收缓存队列长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在内存中增加数据缓存接收队列的长度，具体为：
获取空闲内存大小，根据空闲内存大小、所述数据缓存接收队列的长度、所述数据缓存接收队列占用内存大小增加数据缓存接收队列的长度。
4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述冻结n个进程，具体包括以下步骤：
步骤S31，按照进程占用的中央处理芯片的资源大小，从大到小的顺序对所有的进程进行排序，得到第一进程队列；
步骤S32，根据设置的白名单将所述第一进程队列中位于白名单的进程删除，得到第二进程队列，冻结所述第二进程队列中前n个进程。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加量增加中央处理芯片的线程，具体为根据以下公式计算得到：
其中Tbase为所述切换时间的标准值，qadd为所述数据缓存接收队列增加的队列长度。
6.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述光纤传感器优选为光纤布拉格光栅传感器，所述中央处理芯片为CPU或FPGA。
7.一种云计算资源管理系统，其特征在于，包括以下模块：
定时获取模块，用于每隔预设周期获取光谱分析设备的中央处理芯片利用率和内存利用率，并获取数据接收缓存队列长度；同时获取当前时刻在图形界面上显示的各个光纤传感器的波形值；
第一判断模块，用于判断所述各个光纤传感器的任一个中的波形值相对于该光纤传感器的基准值是否超过预设值，若是，则执行切换时间第一调整模块，否则执行切换时间第二调整模块；
切换时间第一调整模块，用于根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，并判断内存利用率是否小于第一阈值，若是，则在内存中增加数据缓存接收队列的长度，且在所述中央处理芯片利用率小于第二阈值时，根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加中央处理芯片的线程，在所述中央处理芯片利用率大于等于第二阈值时，冻结n个进程；若否，进行内存回收，并执行定时获取模块；
切换时间第二调整模块，用于获取光纤选择开关的切换时间，当所述各个光纤传感器距离上一次波形值超过所述预设值的时间大于预设时间，若所述切换时间为非标准值，则将所述切换时间调整到标准值，并解冻冻结的进程。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述根据所述中央处理芯片利用率和所述内存利用率、所述缓存队列长度计算得到光纤选择开关在光纤间的切换时间T，具体为根据以下公式计算得到：
其中Tbase为所述切换时间的标准值，Ucore为所述中央处理芯片利用率，Umemory为所述内存利用率，qbase为所述数据接收缓存队列长度标准值，q为所述数据接收缓存队列长度。
9.根据权利要求7至8任一所述的系统，其特征在于，所述根据所述切换时间T和所述数据缓存接收队列的长度增加量增加中央处理芯片的线程，具体为根据以下公式计算得到：
其中Tbase为所述切换时间的标准值，qadd为所述数据缓存接收队列增加的队列长度。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现权利要求1至6中任一项所述的方法。
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