CN116399237A - 桥梁梁体偏位报警感知设备及包括该设备的安全监测应用平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁梁体偏位报警感知设备及包含该设备的安全监测应用平台，设备包括激光测距模块、微处理器、通讯模块和电源模块；激光测距模块用于测量桥墩‑梁和/或盖梁‑梁之间的横向相对位移；微处理器和激光测距模块电性连接，接收激光测距模块采集的横向相对位移，当相对位移超过安全阈值时，通过通讯模块远程输出报警信号；安全监测应用平台接收桥墩‑梁和/或盖梁‑梁之间的横向相对位移和报警信号，并能够触发设备的激光测距模块采集数据，设定设备的数据采集频率、梁体偏位安全阈值。本发明的设备能耗小、灵敏度高，能够定时监测桥梁梁体偏位情况，通过阈值比较及时发出报警信息，实现了梁体偏位数据的自动化采集传输和变频采集。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁安全监测领域，尤其涉及一种桥梁梁体偏位报警感知设备及包括该设备的安全监测应用平台。
背景技术
桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件。它能将桥梁上部结构的反力和变形(位移和转角)可靠的传递给桥梁下部结构，使结构的实际受力情况与计算理论图式相符合，允许桥梁上部结构在一些客观因素作用下自由变形，保证梁端、墩台帽不受损伤。随着桥梁建设的飞速发展和荷载等级的不断提高，支座被广泛使用于桥梁中,与此同时也出现了支座使用、安装和耐久性问题，这些问题都是影响结构安全性和耐久性的重要因素，需要通过科学手段、方法加以监测、诊断、评价。
梁体偏位是桥梁结构常见病害和安全隐患点，在役中大型桥梁在伸缩缝固定死的情况下，受重荷载、温度等复合作用下，其主梁容易发生横向位移，进一步发展甚至会出现落梁的重大安全风险，这严重威胁着桥梁的运营安全性。因此需重点关注桥梁梁体偏位，对其进行长期监测，对超限情况进行实时报警。
常用梁体偏位报警解决方案是利用位移传感器配合数据采集设备，利用4G无线路由实现数据远程传输。但该系统模块多，功耗大，系统复杂，报警阈值单一，安装步骤繁琐，维护成本较高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种桥梁梁体偏位报警感知设备及包括该设备的安全监测应用平台。
技术方案：一种桥梁梁体偏位报警感知设备，包括：
激光测距模块，用于测量桥墩-梁和/或盖梁-梁之间的横向相对位移；优选的，所述激光测距模块内部集成SPAD阵列和第二代FlightSense；优选安装在桥墩位置或安装在盖梁侧面位置；
微处理器，和激光测距模块电性连接，接收激光测距模块采集的横向相对位移，当横向相对位移超过安全阈值时，通过通讯模块远程输出报警信号；优选的，所述通讯模块采用窄带物联网通讯；
电源模块，用于设备供电；
所述横向相对位移的计算过程如下：
所述激光测距模块正前方设有激光目标点，激光测距模块向激光目标点发出激光信号，激光信号往返的时间t为：
其中，c是真空状态下光速，x是激光发射处和激光目标点之间的距离；
调制波频率为f，发射到接收的相位差为
则有：
其中，N代表完整的周期个数，
为余相位；
则有：
其中
L＝c/2f，L为光测尺，表示一个周期内激光所走的路程；
有：
x＝L(N+ΔN)
其中完整的周期个数N未知且和测量结果无关；
根据激光测距模块测得的余相位
确定ΔN；
分别采用粗尺L10cm和精尺L1mm，计算t1和t2时刻下粗尺L10cm对应的粗略横向相对位移Δx1和精尺L1mm对应的精细横向相对位移Δx2，其中：
Δx1＝|L10cm(N+ΔNt1)-L10cm(N+ΔNt2)|，L10cm＝10cm；
Δx2＝|L1mm(N+ΔNt1)-L1mm(N+ΔNt2)|，L1mm＝1mm；
将Δx1+Δx2作为准确的横向相对位移。
具体的，所述通讯模块将设备基本信息远程输出，所述设备基本信息包括设备唯一识别码、设备类型、设备通讯信号质量、设备剩余电量、数据采集时间。
进一步的，采用多级安全阈值进行不同程度的报警，其中一级报警为最不利工况下的作用效应频遇组合，二级报警为达到0.8倍的设计限值，三级报警为达到设计值或一天内出现10次以上二级报警。
进一步的，还包括移动端，所述移动端和微处理器通讯连接。
一种安全监测应用平台，包括所述桥梁梁体偏位报警感知设备，所述安全监测应用平台接收桥墩-梁和/或盖梁-梁之间的横向相对位移和报警信号。
进一步的，所述安全监测应用平台根据接收的桥墩-梁和/或盖梁-梁之间的横向相对位移和报警信号，向微处理器发送指令信号，通过微处理器调整激光测距模块对梁体偏位数据的采集变频。所述安全监测应用平台还包括车船撞感知设备、应力/应变及温度传感器、裂缝观测设备、动挠度检测设备中的至少一种。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：
1、传统梁体偏位监测设备复杂繁琐，携带安装困难，本发明的设备高度集成、结构紧凑，携带安装便捷。设备采用大容量内置锂电池和低功耗电源管理技术，使用寿命长且便于更换，减少维护难度，节省维护成本，满足桥梁健康监测梁体偏位的长期监测需求。
2、传统梁体偏位监测设备/系统功能单一，尤其存在测量精度低、报警阈值单一的问题；本发明通过选用合适的粗尺与精尺算得不同精度条件下梁体偏位值，测量准确；采用多级阈值设定模式，实现不同程度的报警并根据报警情况对监测数据采用变频采集，可适配复杂场景。
3、设备采用休眠-唤醒工作机制，平时处于休眠状态，定时测量梁体偏位数据，当梁体偏位数据超出安全阈值后实时激活设备，传递报警信息至后台，并加快采集频率，可实现数据自动化采集传输和数据变频采集，既保证了设备能耗，同时具备较高的灵敏度。
附图说明
图1为梁体偏位报警感知流程图；
图2为激光测距模块安装示意图；
图3为相位法激光测距原理示意图；
图4为安全监测应用平台的物联网传输系统拓扑图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种桥梁梁体偏位报警感知设备，包括激光测距模块、微处理器、通讯模块和电源模块。其中激光测距模块用于测量桥梁梁体偏位数据，桥梁梁体偏位数据包括桥墩-梁和/或盖梁-梁之间的横向相对位移。微处理器和激光测距模块电性连接，用于接收激光测距模块采集的横向相对位移，当微处理器判断偏移量(即横向相对位移)超过安全阈值时，通过通讯模块将报警数据远程传输至监控端，或同步推送至手机等移动端。电源模块用于设备供电。
优选的，激光测距模块内部集成领先的SPAD阵列(单光子雪崩二极管)和ST第二代FlightSense(飞行时间感测)技术，可实现远距离高精度的测量，并且具有更好的环境光抗干扰性。
通讯模块优选采用NB-IoT(窄带物联网)，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；且具备足够的支撑连接的能力，能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；且更低功耗，对于一些不能经常更换电池的设备和场合，适用于安置于复杂地理环境。此外，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的，具备更低的模块成本。
为了进一步保证设备能耗，电源模块采用低功耗电源管理芯片和不可充电锂电池，该类型电池无频繁充放电过程，因而自放电较小，电池自身寿命可达10年，可以满足设备在野外的长期供电需求。
上述激光测距模块、微处理器、通讯模块、电源模块可集成于主控电路板中，为确保良好的防水性能，设备机械接口少，可以仅采用开关及LED(发光二极管)一体按键接口，该一体按键接口用于实现设备开机上电等操作，其中LED用于指示设备工作状态，例如2S慢闪为设备启动，1S慢闪为采集数据，0.5S快闪为寻找通讯连接，常亮表示平台通讯。
设备的优选技术参数如下表所示：
本发明采用多级安全阈值，设定方式如下：
根据不同的桥梁情况，设定不同程度的报警值(即安全阈值)，优选的，采用三级报警制度：一级报警为最不利工况下的作用效应频遇组合，二级报警为达到0.8倍的设计限值，三级报警为达到设计值或一天内出现10次以上二级报警。当激光测距模块测得的梁体偏位值大于相应的报警值就向安全监测应用平台进行不同程度的报警。多级报警制度可以帮助后台针对不同梁体偏位程度给出不同的解决方案。
结合图1、图2对桥梁梁体偏位报警感知设备的安装实施过程及典型工作模式进行说明，具体包括如下内容：
S1：对激光测距模块4进行安装，优选安装在梁1和桥墩2之间，也可安装在盖梁3侧面位置，在激光测距模块4前方安装配件5(图中为倒L形)，需保证激光测距模块4与激光目标点A距离在30cm-100cm范围内，且激光测距模块4需与激光目标点A(A’)正对以达到最佳监测精度，激光测距模块4的安装示意如图2(a)、2(b)所示。
S2：设备上电，开始工作，激光测距模按照设定的采集频率进行初始数据的采集，在微处理器中设定安全阈值。
S3：设备默认为“哨兵”值守模式，正常情况下处于休眠状态，对桥梁梁体偏位数据进行定时测量，并与设定的多级阈值进行比较，如无超限则重复上述过程。
S4：当桥梁梁体偏位数据超出阈值，发出报警信号，实时将系统唤醒，同时加快测量频率，如无异常则报警解除，设备恢复休眠状态，并定时测量桥梁梁体偏位数据。
S5在PC端或手机app上进行数据显示。
下面对激光测距模块的测距原理进行详细描述。
激光测距模块利用红外激光测距原理，定时测量桥墩和梁之间、盖梁和梁之间的横向相对位移，并通过算法计算偏移量，红外测距原理如图3所示。
已知真空状态下光速c近似为3×108m/s2，激光测距模块向激光目标点发射激光，再返回至发射处，设发射处与反射处的距离为x，则光源从发射到接收的传播距离为2x，激光往返的时间为t，得：
调制波频率为f，发射到接收的相位差为
则有：
其中N代表完整的周期个数，
为余相位。
其中
L＝c/2f，L为光测尺，表示一个周期内激光所走的路程；
有：
x＝L(N+ΔN) (4)
其中完整的周期个数N未知且和测量结果无关；
根据激光测距模块测得的余相位
确定ΔN；
分别采用粗尺L10cm和精尺L1mm，计算t1和t2时刻下粗尺L10cm对应的粗略横向相对位移Δx1和精尺L1mm对应的精细横向相对位移Δx2，其中：
Δx1＝|L10cm(N+ΔNt1)-L10cm(N+ΔNt2)|，L10cm＝10cm； (5)
Δx2＝|L1mm(N+ΔNt1)-L1mm(N+ΔNt2)|，L1mm＝1mm； (6)
将Δx1+Δx2作为准确的横向相对位移Δx。
因为本发明应用场景-梁体偏位往往只有厘米级，所以采用的粗尺为10cm，精尺为1mm，其本质是通过选用合适的粗尺与精尺算得不同精度条件下的余数ΔN。例如激光测距模块测得t1时刻的余相位为
那么可以算出/>
经过1h，激光测距模块再次测得余相位/>
余数/>
通过公式(5)、(6)求得Δx1＝0.42×10cm＝4.2cm；Δx2＝0.42×1mm＝0.42mm，两者结合即可算出准确的偏位为Δx＝4.242cm，将算得偏位与阈值进行比较判断报警级别，并进行报警或将偏位值、报警信号远程传输至监控端、移动端。
如图4所示，一种安全监测应用平台，包括上述桥梁梁体偏位报警感知设备，该安全监测应用平台和微处理器通讯连接，微处理器用于控制设备唤醒、数据采集、启动通讯模块、数据存储上传、休眠等一系列动作；可通过同通讯模块将设备基本信息(设备唯一识别码、设备类型、设备通讯信号质量、设备剩余电量、位移数据、数据采集时间)通过窄带物联网上传至安全监测应用平台，实现传感数据从采集到存储、展示的自动化远程交互。安全监测应用平台接收桥墩-梁和/或盖梁-梁之间的横向相对位移和报警信号，并根据桥梁梁体偏位报警感知设备的报警情况对梁体偏位数据采用变频采集。安全监测应用平台也能够触发设备的初始数据采集，实时梁体偏位数据和报警信号，同时能够对设备的安全阈值、采集频率进行设定。当桥梁梁体偏位数据超出阈值时，设备将报警信息实时传输至安全监测应用平台，为进一步验证是否为误报警，平台可以远程唤醒设备，通过微处理器给设备设定新的测量频率，微处理器按照新的测量频率控制激光测距模块采集偏位数据，如无异常则报警解除。
可选的，安全监测应用平台还包括车船撞感知设备、应力/应变及温度传感器、裂缝观测设备、动挠度检测设备中的一种或多种设备，从多个维度采集桥梁服役数据。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种桥梁梁体偏位报警感知设备，其特征在于，包括：
激光测距模块，用于测量桥墩-梁和/或盖梁-梁之间的横向相对位移；
微处理器，和激光测距模块电性连接，接收激光测距模块采集的横向相对位移，当横向相对位移超过安全阈值时，通过通讯模块远程输出报警信号；
电源模块，用于设备供电；
所述横向相对位移的计算过程如下：
所述激光测距模块正前方设有激光目标点，激光测距模块向激光目标点发出激光信号，激光信号往返的时间t为：
其中，c是真空状态下光速，x是激光发射处和激光目标点之间的距离；
调制波频率为f，发射到接收的相位差为
则有：
其中，N代表完整的周期个数，
为余相位；
则有：
其中
L＝c/2f，L为光测尺，表示一个周期内激光所走的路程；
有：
x＝L(N+ΔN)
其中完整的周期个数N未知且和测量结果无关；
根据激光测距模块测得的余相位
确定ΔN；
分别采用粗尺L10cm和精尺L1mm，计算t1和t2时刻下粗尺L10cm对应的粗略横向相对位移△x1和精尺L1mm对应的精细横向相对位移△x2，其中：
△x1＝|L10cm(N+ΔNt1)-L10cm(N+ΔNt2)|，L10cm＝10cm；
△x2＝|L1mm(N+ΔNt1)-L1mm(N+ΔNt2)|，L1mm＝1mm；
将△x1+△x2作为准确的横向相对位移。
2.根据权利要求1所述的桥梁梁体偏位报警感知设备，其特征在于，所述通讯模块采用窄带物联网通讯。
3.根据权利要求1所述的桥梁梁体偏位报警感知设备，其特征在于，所述通讯模块将设备基本信息远程输出，所述设备基本信息包括设备唯一识别码、设备类型、设备通讯信号质量、设备剩余电量、数据采集时间。
4.根据权利要求1所述的桥梁梁体偏位报警感知设备，其特征在于，所述激光测距模块内部集成SPAD阵列和第二代FlightSense。
5.根据权利要求1所述的桥梁梁体偏位报警感知设备，其特征在于，采用多级安全阈值进行不同程度的报警，其中一级报警为最不利工况下的作用效应频遇组合，二级报警为达到0.8倍的设计限值，三级报警为达到设计值或一天内出现10次以上二级报警。
6.根据权利要求1所述的桥梁梁体偏位报警感知设备，其特征在于，还包括移动端，所述移动端和微处理器通讯连接。
7.根据权利要求1所述的桥梁梁体偏位报警感知设备，其特征在于，所述激光测距模块安装在桥墩位置，或安装在盖梁侧面位置。
8.一种安全监测应用平台，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的桥梁梁体偏位报警感知设备，所述安全监测应用平台接收桥墩-梁和/或盖梁-梁之间的横向相对位移和报警信号。
9.根据权利要求8所述的安全监测应用平台，其特征在于，所述安全监测应用平台和微处理器通讯连接，根据接收的桥墩-梁和/或盖梁-梁之间的横向相对位移和报警信号，向微处理器发送指令信号，通过微处理器调整激光测距模块对梁体偏位数据的采集变频。
10.根据权利要求8所述的安全监测应用平台，其特征在于，还包括车船撞感知设备、应力/应变及温度传感器、裂缝观测设备、动挠度检测设备中的至少一种。
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