CN114812984A

CN114812984A - 一种铁路桥梁移动式快速监测系统

Info

Publication number: CN114812984A
Application number: CN202210372024.4A
Authority: CN
Inventors: 田杰; 张丽丽; 田淑明; 吴连奎; 王长欣
Original assignee: Beijing Yunlu Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Yunlu Technology Co Ltd
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2022-07-29

Abstract

本申请涉及一种铁路桥梁移动式快速监测系统，其属于桥梁状态监测领域，该系统包括：多个采集终端，安装在目标桥梁上，用于采集目标桥梁的状态并输出采集桥梁数据；网关设备，连接多个所述采集终端，用于接收并远程传输所述采集桥梁数据；以及监测平台，通过所述网关设备与所述采集终端通信连接，用于接收所述采集桥梁数据，并基于所述采集桥梁数据生成结果数据。本申请具有智能监测铁路桥梁的效果。

Description

一种铁路桥梁移动式快速监测系统

技术领域

本申请涉及桥梁状态监测领域，尤其是涉及一种铁路桥梁移动式快速监测系统。

背景技术

铁路桥梁在营运过程中难以避免会出现各种损伤现象，使得结构承受力与安全性降低。由于铁路的覆盖范围广，因此在对铁路桥梁健康监测时，需要具备快速安装、可移动式重复利用、分析与评估、经济成本低等条件。

目前，国内外对桥梁健康监测的相关研究及实践应用主要集中在公路大型复杂桥梁，这些研究成果还不能很好的满足铁路桥梁的健康监测需求。因此，亟需一种技术手段以对铁路梁桥进行智能监测。

发明内容

本申请提供一种铁路桥梁移动式快速监测系统，具有智能监测铁路桥梁的特点。

本申请目的是提供一种铁路桥梁移动式快速监测系统。

本申请的上述申请目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种铁路桥梁移动式快速监测系统，包括：

多个采集终端，安装在目标桥梁上，用于采集目标桥梁的状态并输出采集桥梁数据；

网关设备，连接多个所述采集终端，用于接收并远程传输所述采集桥梁数据；以及

监测平台，通过所述网关设备与所述采集终端通信连接，用于接收所述采集桥梁数据，并基于所述采集桥梁数据生成结果数据。

通过采用上述技术方案，首先，采集终端采集目标桥梁在载荷状态下的形变并输出采集桥梁数据。然后，网关设备将采集桥梁数据上传至监测平台。最后，监测平台依据采集桥梁数据生成结果数据，以便于管理人员根据结果数据获知目标桥梁的健康状态，从而实现了智能监测铁路桥梁健康状态目的。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述采集终端被配置为：

采集目标桥梁在预设时间段内的状态变化得到运行参数数据；

获取运行参数数据并进行预处理得到采集桥梁数据。

通过采用上述技术方案，一方面，在安装采集终端时就预先设置采集终端的监测时长，即设定一个监测的时间段。一次监测完成后，采集终端收回备用，多组采集终端轮流开展移动监测作业，以避免由于采集终端长期工作而造成监测结果不准确的问题。另一方面，采集终端对采集到的数据进行预处理，从而减少监测平台内的处理能力、降低监测平台内的数据冗余度，进而提高了系统的使用寿命。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述获取运行参数数据并进行预处理得到采集桥梁数据的步骤包括：

根据预设的丢包检测模型和所述运行参数数据得到桥梁筛选数据；

根据预设的异常检测模型和所述桥梁筛选数据得到采集桥梁数据。

根据预设的异常检测模型和所述运行参数数据得到桥梁正常数据；

根据预设的丢包检测模型和所述桥梁正常数据得到所述采集桥梁数据。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述监测平台被配置为：

获取采集桥梁数据；

根据预设的分类规则对采集桥梁数据分类得到动挠度数据包和静挠度数据包；

根据所述动挠度数据包和预设的动挠度计算模型得到动挠度最大值；

根据所述静挠度数据包和预设的静挠度计算模型得到跨中静挠度实测值；

基于所述动挠度最大值和跨中静挠度实测值相加计算得到桥梁总挠度；

基于所述桥梁总挠度生成所述结果数据。

通过采用上述技术方案，以动挠度最大值和跨中静挠度实测值作为评判桥梁的健康状态的必要条件，从而得出目标桥梁能够承受的最大形变以及当前目标桥梁发生形变的程度，进而便于对管理人员进行提示，使得管理人员及时对目标桥梁进行检修以降低发生安全事故的概率。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为所述根据所述动挠度数据包和预设的动挠度计算模型得到动挠度最大值的步骤包括：

解析动挠度数据包得到多个动态速度数据；

采用最小二乘法去除多个所述动态速度数据中的趋势项得到多个平均速度数据；

根据多个所述平均速度数据和预设的高通滤波模型得到多个中、高频速度数据；

对多个所述中、高频速度数据进行积分得到多个动挠度数据；

采用最小二乘法去除多个所述动挠度数据中的趋势项得到多个平均动挠度数据；

根据多个所述平均动挠度数据和所述高通滤波模型去除低频动挠度数据得到动挠度最大值。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述根据所述静挠度数据包和预设的静挠度计算模型得到跨中静挠度实测值的步骤包括：

解析静挠度数据包得到多个静态速度数据；

根据多个所述静态速度数据和预设的模态识别规则得到基频实测值；

根据多个所述静态速度数据计算得到静挠度数据和基频理论值；

根据基频实测值、静挠度数据、基频理论值以及预设的静挠度校验计算模型得到跨中静挠度实测值。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述基于所述桥梁总挠度生成所述结果数据的步骤包括：

获取预设的安全等级模型，所述安全等级模型包括多个健康等级；

基于所述安全等级模型，根据所述桥梁总挠度和预设的匹配模型得到目标桥梁的健康等级；所述结果数据包括目标桥梁的健康等级信息。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：基所述安全等级模型的建立过程包括：

获取跨径/800的数值；

为跨径/800的数值设置多个预设的权重；

跨径/800的数值和一所述权重的乘积为一个健康等级。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述桥梁总挠度大于所述跨径/800时，所述监测平台生成报警信息。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

首先，采集终端采集目标桥梁在载荷状态下的形变并输出采集桥梁数据。然后，网关设备将采集桥梁数据上传至监测平台。最后，监测平台依据采集桥梁数据生成结果数据，以便于管理人员根据结果数据获知目标桥梁的健康状态。即，采集终端、网关设备以及监测平台相互配合，实现了智能监测铁路桥梁健康状态目的。

附图说明

图1为本申请提供的一种应用场景示意图。

图2为本申请一实施例提供的铁路桥梁移动式快速监测系统的采集终端结构图。

图3为本申请一实施例提供的铁路桥梁移动式快速监测系统的监测平台方法图。

附图标记说明：100、目标桥梁；200、采集终端；210、监测方案模块；220、系统硬件集成模块；230、数据收集模块；231、丢包处理单元；232、数据异常处理单元；300、网关设备；400、监测平台。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请提供的一种应用场景示意图。参照图1，在该场景中，包括目标桥梁100、采集终端200、网关设备300以及监测平台400。其中，目标桥梁100为待监测的铁路桥梁。采集终端200、网关设备300以及监测平台400共同配合，以实现智能监测目标桥梁 100在营运过程中的健康状况。

以下通过应用场景中各个部分的具体介绍，对本方案进一步说明。参照图2，采集终端200包括监测方案模块210、系统硬件集成模块220、数据收集模块230以及数据传输模块。

其中，监测方案模块210用于针对目标桥梁100的桥型，设计可移动式无线采集终端200的布设方案，并确定采用无线采集终端200的类型和使用数量，以更好地获取目标桥梁100在载荷作用下的形变参数，进而便于获知目标桥梁100的健康状况。

系统硬件集成模块220用于集成多种采集传感器，以实现快速安装与拆卸。在一个具体的示例中，系统硬件集成模块220集成的采集传感器包括加速度传感器和应变传感器。其中，加速度传感器沿纵桥向等间距布置3个，通过采集目标桥梁100在载荷状态下的加速度，以获取目标桥梁100的当前结构模态和基频；并沿跨中截面横桥向布置于每片梁上，以获取目标桥梁100中每个单梁的动挠度。应变传感器布置在箱梁或空心板梁跨中、1/4截面、3/4截面处的梁底处，用于采集目标桥梁100在载荷状态下产生的位移。加速度传感器和应变传感器将采集到的信息组合为一个数据包并传输至下一模块，即输出采集桥梁数据。

数据收集模块230包括丢包处理单元231和数据异常处理单元232，丢包处理单元231和数据异常处理单元232串联设置。具体的，丢包处理单元231和数据异常处理单元 232的连接关系有：采集传感器的输出端连接丢包处理单元231的输入端，丢包处理单元 231的输出端连接数据异常处理单元232的输入端，即采集桥梁数据先进行丢包处理，再进行数据异常处理；或者采集传感器的输出端连接数据异常处理单元232的输入端，数据异常处理单元232的输出端连接丢包处理单元231的输入端，即采集桥梁数据先进行数据异常处理，再进行丢包处理。

参照图1，网关设备300包括WIFI通讯模块和5G通讯模块。网关设备300可以通过WIFI通讯模块、5G通讯模块与采集终端200连接，网关设备300通过5G通讯模块与监测平台400连接。在其他实施例中，网关设备300还可以通过4G通讯模块与监测平台400 连接。

监测平台400为服务器或者其他具有数据处理功能的电子设备，监测平台400通过网关设备300与采集终端200通信连接，用于根据采集终端200采集到的数据对目标梁桥进行智能监测与结构安全状态评估。需要说明的是，监测平台400还连接有报警装置，使得在目标桥梁100处于非安全状态时及时通知管理人员，以便于管理人员及时对目标桥梁100进行检修，以降低发生安全事故的概率。

以上是关于系统实施例的介绍，以下通过方法实施例，对本申请所述方案进行进一步说明。

图3示出了根据本申请实施例的一种铁路桥梁移动式快速监测系统的方法流程图。参照图 3，首先对监测平台400进行说明，监测平台400在采集终端200的数据过程中的步骤如下：

步骤S01：获取采集桥梁数据。

采集桥梁数据是采集终端200在预设时间段内，采集目标桥梁100的状态变化而得到的运行参数数据。运行参数数据包括目标桥梁100在载荷状态下的加速度、以及目标桥梁100未处于载荷状态下的结构模态。在本实施例中，预设时间为2至4个月，即在每一组采集终端200投入监测前，预先设定2至4个月的采集时间段，在该时间段内，该组采集终端 200实时采集目标桥梁100的运行参数数据并输出采集桥梁数据，运行参数数据需要经过预处理后才能输出为采集桥梁数据。

在一个具体的示例中，采集终端200的预处理过程步骤包括：根据预设的丢包检测模型和运行参数数据得到桥梁筛选数据；根据预设的异常检测模型和桥梁筛选数据得到采集桥梁数据。即，首先是对采集桥梁数据进行丢包处理，然后再进行数据异常处理。

在本实施例中，丢包处理的过程是：提前设定丢包阈值，丢包阈值为运行参数数据的60％，若运行参数数据在传输过程中丢失了60％以上的数据，则将整个运行参数数据丢弃；否则，当运行参数数据在传输过程中丢失了60％以下的数据时，将该数据标记为桥梁筛选数据，然后对桥梁筛选数据进行数据异常处理。

对桥梁筛选数据进行数据异常处理的过程为：首先，根据拉依达方法将桥梁筛选数据中属于同一类型的参数相加，并除于对应的个数，得到每一种类型的参数的均值：

其中，

为任意一种类型的参数的均值，且

而S_x为标准偏差，且

a是该种类型的参数的均值与异常数据的倍数，a的数值可根据具体情况选择。在本实施例中，a为3，即本方案能够容忍的异常数据的最大程度为标准偏差的3倍。

然后，基于3S_x，剔除筛选数据中的异常数据，从而得到采集桥梁数据。

上述进行预处理的顺序是先进行丢包处理，再进行数据异常处理得到采集桥梁数据。一方面，上述通过筛选丢包的数据，减少了检测全部运行参数数据中是否存在异常数据的工作，从而提高了工作效率。另一方面，通过两次对运行参数数据进行筛选，提高了桥梁监测结果的准确度。

在另一个具体的示例中，采集终端200的预处理过程步骤包括：根据预设的丢包检测模型和运行参数数据得到桥梁筛选数据；根据预设的异常检测模型和桥梁筛选数据得到采集桥梁数据。即，首先是对采集桥梁数据进行丢包处理，然后再进行数据异常处理。需要说明的是，无论是先进行数据异常处理，还是先进行丢包处理，数据异常处理和丢包处理的原理均不会改变，不同的是，先进行丢包处理则能够减少数据异常处理的工作量，即提高工作效率；而先进行数据异常处理，则能够根据多次异常数据的跟踪，找出存在故障的采集终端 200，进而便于对其进行更换，进而降低后续进行预处理的工作量。

采集终端200输出采集桥梁数据后，由网关设备300接收并远程传输至监测平台400 中，即监测平台400获取到采集桥梁数据。

步骤S02：根据预设的分类规则对采集桥梁数据分类得到动挠度数据包和静挠度数据包。

监测平台400获取到采集桥梁数据后，以目标桥梁100在载荷状态下的运行参数数据合并为动挠度数据包，以目标桥梁100在未载荷状态的运行参数数据合并为静挠度数据包，从而便于分析目标桥梁100在载荷状态下的结构变化，以及目标桥梁100当前结构模态与初始模态的变化量。

步骤S03：根据所述动挠度数据包和预设的动挠度计算模型得到动挠度最大值。

预设的动挠度计算模型为时程分析法，具体的计算过程为：

解析动挠度数据包得到多个动态速度数据；采用最小二乘法去除多个动态速度数据中的趋势项得到多个平均速度数据；根据多个平均速度数据和预设的高通滤波模型得到多个中、高频速度数据；对多个中、高频速度数据进行积分得到多个动挠度数据；采用最小二乘法去除多个动挠度数据中的趋势项得到多个平均动挠度数据；根据多个平均动挠度数据和高通滤波模型去除低频动挠度数据得到动挠度最大值。其中，加速度积分原理：

速度是加速度的一次积分，得到v：

位移是速度的一次积分，得到ds：

由上述两个计算公式得到位移积分计算公式：

为了方便在计算机中处理计算，加速度积分离散形式(梯形积分公式)为：

速度与初始速度以及加速度的离散关系式为：

位移与初始位移以及速度的关系式为：

由速度与初始速度以及加速度的离散关系式、位移与初始位移以及速度的关系式得位移积分离散关系式为：

式中，Δt是计算位移的一个重要参数，代表加速度采样时间间隔，与采样频率互为倒数。当Δt越小时，采样频率越高。

由上述可得采集传感器采集目标桥梁100的频率与目标桥梁100当前的结构变化(位移量)之间的关系。而由于采集频率可通过采集传感器中获知，则目标桥梁100的动挠度最大值(位移量最大值)也能够通过上述计算公式而得。

步骤S04:根据静挠度数据包和预设的静挠度计算模型得到跨中静挠度实测值。

预设的静挠度计算模型为仿真模型，具体的跨中静挠度实测值的计算过程为：在计算跨中静挠度之前，需要先对目标桥梁100结构进行仿真。建立仿真模型的训练样本是通过获取每一次采集桥梁数据，并根据采集桥梁数据中包含的单梁结构位移、桥梁动挠度以及桥梁在载荷状态下的加速度等作为训练样本，以动态更新目标桥梁100的仿真模型。建立仿真模型后，将采集桥梁数据输入仿真模型中，即可得到目标桥梁100的静挠度理论值y_实测静和基频理论值f_理论。再根据采集桥梁数据中的加速度计算得到实测基频实测值f_实测，则根据静挠度校验系数公式：

得到跨中静挠度实测值f_实测静。

步骤S05：基于动挠度最大值和跨中静挠度实测值相加计算得到桥梁总挠度。

通过执行上述步骤S03得到据动挠度最大值、通过执行上述步骤S04得到跨中静挠度实测值，则执行步骤S05，将动挠度最大值与跨中静挠度实测值相加，得到桥梁总挠度，即y_总值＝y_dmax+y_实测静。

计算桥梁总挠度的目的是为了便于根据桥梁总挠度判断目标桥梁100的健康状况。

步骤S06：基于桥梁总挠度生成所述结果数据。

结果数据为目标桥梁100的健康等级。步骤S06中得到目标桥梁100的健康等级的过程包括：

第一步：获取预设的安全等级模型，安全等级模型包括多个健康等级。安全等级模型是由多个健康等级组合而成。而健康等级的建立过程为：

首先，获取跨径/800的数值。然后，为跨径/800的数值设置多个预设的权重。最后，以跨径 /800的数值和一权重的乘积为一个健康等级。本实施例中，预设的权重分别为80％及以上、 60％-80％、40％-60％、40％以下，所以位于跨径/800的数值乘以80％及以上的数值为一级、位于跨径/800的数值乘以60％-80％以之间的数值为二级、位于跨径/800的数值乘以40％- 60％以之间的数值为三级、位于跨径/800的数值乘以40％以下的数值为四级，得到四个等级后将四个健康等级组合而成安全等级模型，并存储在监测平台400中。

第二步：基于安全等级模型，根据桥梁总挠度和预设的匹配模型得到目标桥梁100的健康等级。预设匹配模型是根据桥梁总挠度的数值在安全等级模型中为目标桥梁100匹配一个对应的健康等级。例如，目标桥梁A的桥梁总挠度数值为70，而安全等级模型中包含有四级，分别有0-40％为四级、40％-60％为三级、60％-80％为二级、80％以上为一级，则得到目标桥梁A的健康等级为二级。

因此，在计算得到桥梁总挠度后，根据桥梁总挠度的数值即可得到目标桥梁100当前所处健康等级，即，监测平台400生成的结果信息实际是目标桥梁100的健康等级信息。从而便于管理人员通过监测平台400获知目标桥梁100的健康等级，以使得在目标桥梁100 存在安全隐患时及时检修。

在实际应用过程中，铁路健康监测系统需具备快速安装、可移动式重复利用、分析与评估、经济成本低等条件，所以本申请还采用了无线传感、云计算、物联网技术等，为铁路桥梁移动式快速监测研究提供了条件。本实施例中的监测系统对每座桥梁每年连续监测时间为2～4个月，一次监测完成后，采集终端200和网关设备300收回备用，多组监测设备轮流开展移动监测作业，以对常见类型梁桥进行智能监测与结构安全状态评估。

在一些具体的实施例中，监测系统的操作过程如下：

步骤1，根据桥梁类型、荷载特点及桥梁运营状态，确定监测重点，选择传感器类型及布置方式；

步骤2，传感器采集的数据存储于边缘端，即采集终端200内，由采集终端200对数据进行预处理后，由网关设备300通过4G或5G通讯技术传递至远程监测平台400；

步骤3，远程监测平台400收到数据后，进行分类存储；

步骤4，监测平台400中还提前存储有安全等级模型，监测平台400接收到网关设备300上传的数据后自动调取安全等级模型，基于安全等级模型对数据进行处理分析后得到目标桥梁 100的健康等级；

步骤5，基于步骤4计算目标桥梁100的动挠度最大值和跨中静挠度实测值，并根据动挠度最大值和跨中静挠度实测值计算桥梁总挠度。若0≤桥梁总挠度≤计算跨径/800，则目标桥梁100处于安全状态中，但为了进一步获知目标桥梁100的实际健康状态，所以为目标桥梁 100设定了多个健康等级，由桥梁总挠度的数值去健康等级中进行匹配，从而得到目标桥梁 100的具体等级，具体的匹配过程已经在步骤S03进行陈述，所以在此不再赘述；而若桥梁总挠度＞计算跨径/800，则目标桥梁100处于非安全状态，此时，由监测平台400输出报警信息以触发报警装置进行报警，进而便于管理人员对处于非安全状态的目标桥梁100进行检修。

监测平台400还基于网关设备300上传的数据通过分析得出桥梁的动力特性，并基于桥梁振动数据构造得到Hankel矩阵，以便于后续进一步对目标桥梁100进行分析。

以上描述仅为本申请得较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其他技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，包括：

多个采集终端(200)，安装在目标桥梁(100)上，用于采集目标桥梁(100)的状态并输出采集桥梁数据；

网关设备(300)，连接多个所述采集终端(200)，用于接收并远程传输所述采集桥梁数据；以及

监测平台(400)，通过所述网关设备(300)与所述采集终端(200)通信连接，用于接收所述采集桥梁数据，并基于所述采集桥梁数据生成结果数据。

2.根据权利要求1所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述采集终端(200)被配置为：

采集目标桥梁(100)在预设时间段内的状态变化得到运行参数数据；

获取运行参数数据并进行预处理得到采集桥梁数据。

3.根据权利要求2所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述获取运行参数数据并进行预处理得到采集桥梁数据的步骤包括：

4.根据权利要求2所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述获取运行参数数据并进行预处理得到采集桥梁数据的步骤包括：

5.根据权利要求1所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述监测平台(400)被配置为：

获取采集桥梁数据；

基于所述桥梁总挠度生成所述结果数据。

6.根据权利要求5所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述根据所述动挠度数据包和预设的动挠度计算模型得到动挠度最大值的步骤包括：

解析动挠度数据包得到多个动态速度数据；

7.根据权利要求5所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述根据所述静挠度数据包和预设的静挠度计算模型得到跨中静挠度实测值的步骤包括：

解析静挠度数据包得到多个静态速度数据；

8.根据权利要求5所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述基于所述桥梁总挠度生成所述结果数据的步骤包括：

基于所述安全等级模型，根据所述桥梁总挠度和预设的匹配模型得到目标桥梁(100)的健康等级；

所述结果数据包括目标桥梁(100)的健康等级信息。

9.根据权利要求8所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述安全等级模型的建立过程包括：

获取跨径/800的数值；

为跨径/800的数值设置多个预设的权重；

跨径/800的数值和一所述权重的乘积为一个健康等级。

10.根据权利要求8或9任一项所述的铁路桥梁移动式快速监测系统，其特征在于，所述桥梁总挠度大于所述跨径/800时，所述监测平台(400)生成报警信息。