CN116744151A - 一种基于多点同步测量的大桥状态监测系统及方法 - Google Patents

一种基于多点同步测量的大桥状态监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多点同步测量的大桥状态监测系统及方法，涉及大桥状态监测领域，该大桥状态监测系统，包括：测量主站和与测量主站无线连接的多个测量从站；多个测量从站分布在目标桥梁上；测量主站，用于：向各测量从站发送广播信号；向各测量从站发送数据回传指令；测量从站，用于：在广播信号的触发下，采集相应位置处的倾角数据；当接收到数据回传指令，向测量主站发送倾角数据；测量主站，还用于：根据各测量从站发送的倾角数据，确定目标桥梁的状态。本发明能实现多点同步测量，实现对大桥整体状态的监测。

Description

一种基于多点同步测量的大桥状态监测系统及方法
技术领域
本发明涉及大桥状态监测领域，特别是涉及一种基于多点同步测量的大桥状态监测系统及方法。
背景技术
跨海大桥是连接两地的重要纽带，投资巨大，在国民经济中的重要作用。在一些沿海地区，几乎每年都有一次或几次台风天气。通常，台风天气跨海大桥都会临时禁止通行，等台风过后再恢复通车。每次台风天气，跨海大桥都要经受台风的考验。
对于大桥在台风中桥梁发生何种倾斜、变形、晃动，本次台风造成的大桥变形与上次台风造成的台风变形有何不同，大桥的抗台风能力是否下降等这些重要数据的测量，对评估台风对跨海大桥的影响，对制定大桥运营、管理和养护方法，对评估跨海大桥的健康状态都尤为重要。
目前，现有的测量方法主要有以下几种：1、有线单点测量。针对测量的一个目标点，单点测量；或者针对多个目标点，逐个测量。2、小范围内，多点异步有线测量。例如，在较小的范围内(几十米以内)，异步测量多个点的数据。3、大范围内，多点异步无线测量。在大的范围内，通过无线测量多个点的振动情况。
有线单点测量方式，一次只能测量一个点，测量数据通过数据线直接传输到PC，该方式一次只能测量一个点，测量效率低，且无法实现对桥梁一次性完整的测量。有线多点测量方式，一次能测量多个点，测量数据通过数据总线传输到PC，该方式如果要测量长距离的大桥，布线繁琐，并且采用轮流测量多个点，为异步测量方式，数据未被同时采样，无法分析数据之间的关系，也就无法拟合分析大桥的整体倾斜、变形、振动情况等。无线单点测量方式，一次只能测量一个点，测量数据通过无线方式传输到PC，该方式一次只能测量一个点，测量效率低。无线多点测量方式，一次能测量多个点，测量数据通过无线的方式传输到PC，该方式主要采用轮询或中断的方式通过无线传输测量数据，节省布线，但该方式轮流测量多个点，为异步测量方式，数据未被同时采样，同样无法分析数据之间的关系，也就无法拟合分析大桥的整体倾斜、变形、振动情况等。
综上，现有的测量方式无法实现多点同步测量，无法对大桥整体的状态(如倾斜、变形、振动情况等)进行监测。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种基于多点同步测量的大桥状态监测系统及方法，以实现多点同步测量，实现对大桥整体状态的监测。
为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：
一种基于多点同步测量的大桥状态监测系统，包括：测量主站和与所述测量主站无线连接的多个测量从站；多个所述测量从站分布在目标桥梁上；
所述测量主站，用于：
向各所述测量从站发送广播信号；
向各所述测量从站发送数据回传指令；
所述测量从站，用于：
在所述广播信号的触发下，采集相应位置处的倾角数据；
当接收到数据回传指令，向所述测量主站发送所述倾角数据；
所述测量主站，还用于：
根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态。
可选地，在向各所述测量从站发送广播信号的方面，所述测量主站具体用于：
以设定广播触发频率向各所述测量从站发送广播信号；
在所述广播信号的触发下，采集相应位置处的倾角数据的方面，所述测量从站具体用于：
在所述广播信号的触发下，以设定采样率采集相应位置处的倾角数据；
所述设定采样率为所述设定广播触发频率的整数倍。
可选地，在根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态的方面，所述测量主站具体用于：
对各所述测量从站发送的同一时刻的倾角数据进行插值处理，拟合该时刻的插值拟合数据；
对各所述测量从站发送的不同时刻的倾角数据和对应的插值拟合数据进行时频特征分析，确定所述目标桥梁的状态；所述状态，包括：变形情况和/或振动情况。
可选地，所述测量从站，包括：测控电路和与所述测控电路连接的倾角传感器；所述测控电路与所述测量主站无线连接。
可选地，所述测控电路，包括：从站主控芯片和与所述从站主控芯片连接的拨动开关、存储模块和无线传输模块。
可选地，所述存储模块，包括：FIFO芯片、DDR3芯片和SD卡。
本发明还提供了一种基于多点同步测量的大桥状态监测方法，包括：
向各测量从站发送广播信号和数据回传指令；
接收所述测量从站在接收到所述数据回传指令时发送的倾角数据；所述倾角数据是布设在目标桥梁上的所述测量从站在所述广播信号的触发下，采集到的相应位置处的倾角数据；
根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态。
可选地，向各测量从站发送广播信号，具体包括：
以设定广播触发频率向各测量从站发送广播信号；
所述倾角数据是布设在目标桥梁上的所述测量从站在所述广播信号的触发下，以设定采样率采集到的相应位置处的倾角数据；
所述设定采样率为所述设定广播触发频率的整数倍。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例设置测量主站和与测量主站无线连接的多个测量从站，采用无线广播触发的方式，实现目标桥梁上的多点同步测量，能对目标桥梁整体的状态进行监测，从而全面有效的监测、诊断目标桥梁的健康状态。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的多个测量从站的分布方式示意图；
图2为本发明实施例提供的基于多点同步测量的大桥状态监测系统的框图；
图3为本发明实施例提供的无线收发器的结构图；
图4为本发明实施例提供的测量从站的结构示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例的基于多点同步测量的大桥状态监测系统，包括：测量主站和与所述测量主站无线连接的多个测量从站；多个所述测量从站分布在目标桥梁上，一个测量从站作为一个测量点，多个所述测量从站的一种分布方式如图1所示，测量从站1作为测量点通常选在目标桥梁的桥面4受力或变形最大的地方，如桥面4的两端和中间，图1中2表示桥墩，3表示拉索。
所述测量主站，用于：向各所述测量从站发送广播信号；向各所述测量从站发送数据回传指令。
所述测量从站，用于：在所述广播信号的触发下，采集相应位置处的倾角数据；当接收到数据回传指令，向所述测量主站发送所述倾角数据。
所述测量主站，还用于：根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态。
在一个示例中，在向各所述测量从站发送广播信号的方面，所述测量主站具体用于：以设定广播触发频率向各所述测量从站发送广播信号。
在所述广播信号的触发下，采集相应位置处的倾角数据的方面，所述测量从站具体用于：在所述广播信号的触发下，以设定采样率采集相应位置处的倾角数据。
其中，所述设定采样率为所述设定广播触发频率的整数倍。
在一个示例中，在根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态的方面，所述测量主站具体用于：对各所述测量从站发送的同一时刻的倾角数据进行插值处理，拟合该时刻的插值拟合数据；对各所述测量从站发送的不同时刻的倾角数据和对应的插值拟合数据进行时频特征分析，确定所述目标桥梁的状态；所述状态，包括：变形情况和/或振动情况。其中，插值处理时采用的方法可以是三次样条算法。
在一个示例中，参见图2，所述测量从站1，包括：测控电路和与所述测控电路连接的倾角传感器；所述测控电路与所述测量主站无线连接。倾角传感器可选用三轴传感器。
所述测量主站，包括：无线收发器和PC。PC和无线收发器通过USB相互连接，无线收发器与测量从站1之间通过无线通信。PC可以是采用带USB接口的普通PC机或笔记本电脑。
无线收发器通过无线通信控制测量从站1，控制测量从站1传输倾角数据，并把倾角数据通过USB回传到PC，在PC中对倾角数据进行计算、分析，监测各测量从站1对应位置的倾斜情况，并通过倾角进一步分析各测量从站1对应位置的变形情况及振动情况。
无线收发器的结构如图3所示，无线收发器，包括：LoRa模块、主站主控芯片。无线收发器的功能1：向测量从站发送数据采集无线广播触发信号(即广播信号)；功能2：实现LoRa无线通信数据与USB通信数据的相互转换。
在一个示例中，参见图4，所述测控电路，包括：从站主控芯片和与所述从站主控芯片连接的拨动开关、存储模块和无线传输模块。所述存储模块，可以包括：FIFO芯片、DDR3芯片和SD卡。
此外，所述测控电路，还可以包括：LoRa模块、按键、LCD/LED模块等。
从站主控芯片可以采用STM32G4单片机，其在系统中起控制核心作用。LoRa模块在系统中起无线通信的作用。FIFO芯片、DDR3芯片和SD卡起数据缓存的作用。拨动开关起设置的作用，如，可设置测量从站的编号、测量从站的采样率和系统的工作模式等。按键电路用于系统输入。LCD/LED模块中的LCD用于设备文本和图形显示，LCD/LED模块中的LED用于系统工作状态和故障指示。
从站主控芯片可逐次读取倾角数据并存入FIFO芯片，待FIFO芯片中的数据达到一定数量时，从站主控芯片把FIFO芯片中的数据整块读取存入DDR3芯片中，待DDR3芯片中的数据达到一定的数据的时候，从站主控芯片再把DDR3从站主控芯片中的大块数据读取并写入SD卡中，以文件的形式存储。
本实施例中，测量主站发出无线广播信号，触发测量从站同步采样，测量从站收到后，以最高中断优先级别响应，触发测量过程。
在实际应用中，上述大桥状态监测系统的搭建过程如下：
步骤1：
首先选择桥梁倾角测量点，安装测量从站。测量点通常选在桥面受力或变形最大的地方，如桥面的两端和中间，仍请参见图1。
步骤2：
将测量主站、测量从站分别接线，上电。
步骤3：
测量从站的配置。
通过拨动开关设定测量从站的编号，设置测量从站处倾角传感器的采样率。
步骤4：
测量主站的配置。
通过电脑软件无线配置广播触发频率。
每隔一定的时间，主站发送一次无线广播，触发所有测量从站开始采样。
设置要求：倾角传感器的采样率必须为无线广播触发频率的整数倍，如100倍，其含义为无线广播触发一次后，所有测量点同时各自采样100次。
无线广播触发信号按一定的频率定时发送，可以及时消除测量点时钟偏差带来的不同步问题。传感器的采样率设置为无线广播触发频率的整数倍，可以减小误差。
基于上述搭建的大桥状态监测系统，其一个具体的运行处理过程如下：
1、运行系统，测量数据。
具体的，系统运行，测量主站按一定频率发出无线广播触发信号，测量从站按设置的采样率采集倾角数据，并缓存、存储数据。
2、测量数据回传到测量主站。
测量主站向指定的测量从站发送数据回传命令，测量从站接到命令后，回传指定长度的数据给测量主站。
由于测量从站中的测控电路电路设计采用了FIFO芯片、DDR芯片和SD卡两级缓存和一级存储设计，因此数据才回传不会影响正在进行的数据采样。
3、在测量主站上，对测量数据进行插值、拟合、显示。
主站收到回传的数据后，在主站软件上进行数据显示。
根据同步测量的数据，采用三次样条算法，对数据进行插值处理，计算、拟合并可视化大桥的整体的倾斜、变形。
4、在测量主站上，根据上述实际采集数据和插值拟合数据，进行时频特征分析，判断桥梁变形和振动情况。
本实施例中，由于采用了同步采样，因此，把同一时刻不同测量点的数据统一描绘，即成了桥梁整体在该时刻的变形。通过对不同时刻变形数据的分析，可得桥梁的整体的幅频特性。
具体的，对大桥数据进行时频分析，计算时频特征，主要包括：时域振动波形、频谱、功率谱、振幅、桥面倾角等，根据时频特征找出桥梁的薄弱之处。还可以把计算的时频特征与历次数据进行比对，分析特征数据的变化值、变化范围、变化趋势和可能原因。
主站主控芯片对倾角数据进行时频分析主要包括以下几方面：
(1)选择需要在界面上实时显示和分析的测量从站号。未选中的测量从站的数据直接保存原始数据，不计算分析，以提高系统效率。
(2)数据滤波，主要采用16阶FIR滤波。
(3)时域振动波形显示。
(4)时域振动波形重要参数分析，主要有最大值、最小值、均值、均方差。
(5)频域波形显示，即频谱和功率谱显示。
(6)频谱和功率谱重要参数分析，主要有主要频率及其对应的幅值、功率(即能量)占比。
本实施例采用无线触发多点同步测量桥梁的倾角情况，根据对倾角数据的计算与智能分析，可以同时测量桥梁多点的变形和振动情况，实现对桥梁变形和振动的整体状态分析和判断，从而全面有效的监测、诊断桥梁的健康状态的设备及方法。本实施例具有如下优势：
(1)采用无线广播触发技术，可以实现多个测量从站的同时触发，同步测量数据。
经过配置后的测量主站可以同时触发多个测量从站，使测量从站处于同步测量的工作模式。同步测量的数据，具有很常重要的用途，可以在此数据的基础上拟合出大桥整体的倾斜、变形，找出大桥的薄弱点，从而深入的分析桥梁的健康状态。如果倾角传感器的振动数据不是同步测量，则无法拟合分析桥梁的倾斜、变形情况。
(2)采用测量数据缓存技术，从站上配置了FIFO芯片、DDR3芯片、SD卡存储测量数据，可以确保测量的数据得到及时的保存，同时确保了测量从站在回传数据的时候，不会影响正在进行的数据测量。
(3)测量主站上测量分析软件功能灵活。
可以选定特定的测量从站，进行数据分析。
如果选定的测量点不连续，则可以分别采集这些测量点的倾角数据，分别对这些测量点进行分析。
如果选定的测量点连续，则可以通过无线广播触发同步采样技术，同步采集这些测量点的倾角数据，一方面可以分别对这些测量点进行变形和振动分析，同时也可以通过数据插值拟合是否分析桥梁任意点的变形与振动情况。
(4)采用无线技术，不用布线，同时节省布线成本。
如果桥梁短，测量点少，只需要安装少量的倾角传感器，则采用总线技术优势不明显。
如果桥梁长，如长达5公里，甚至更长，则测量点很多，需要安装很多的倾角传感器，有时多达几十个甚至上百个倾角传感器，则采用无线技术的优势明显，否则布线将非常的复杂和混乱。
(5)采用无线技术，只需要一台测量主站，节省主站成本，同时方便检测。采用总线技术后，不论测量点的数量多少，都只需要一台主站，节省主站成本，同时方便检测和集中管理，技术人员无需到处走动，提高检测效率。
本发明还提供了一种基于多点同步测量的大桥状态监测方法，包括：向各测量从站发送广播信号和数据回传指令；接收所述测量从站在接收到所述数据回传指令时发送的倾角数据；所述倾角数据是布设在目标桥梁上的所述测量从站在所述广播信号的触发下，采集到的相应位置处的倾角数据；根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态。
其中，向各测量从站发送广播信号，具体包括：以设定广播触发频率向各测量从站发送广播信号；所述倾角数据是布设在目标桥梁上的所述测量从站在所述广播信号的触发下，以设定采样率采集到的相应位置处的倾角数据；所述设定采样率为所述设定广播触发频率的整数倍。
本发明具有如下优点：
(1)多点同时测量，可同时对多个测量点进行测量，测量点的个数不受限制。
(2)在软件方面，由于测量数据是同时测量所得的，因此可以拟合出整个大桥的倾斜、变形，并以此计算输出大桥倾斜、变形的频率特征。
(3)在硬件方面，采用LoRa无线技术，确保无线触发信号的发送范围大。
(4)在嵌入式软件方面，对LoRa协议进行了改写，使无线触发信号具有最高的优先级别，确保了同步测量。
(5)在硬件方面，采用FIFO芯片、DDR3芯片缓存技术和SD卡存储测量数据，确保了回传测量数据的同时，不会影响正在进行的同步测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于多点同步测量的大桥状态监测系统，其特征在于，包括：测量主站和与所述测量主站无线连接的多个测量从站；多个所述测量从站分布在目标桥梁上；
所述测量主站，用于：
向各所述测量从站发送广播信号；
向各所述测量从站发送数据回传指令；
所述测量从站，用于：
在所述广播信号的触发下，采集相应位置处的倾角数据；
当接收到数据回传指令，向所述测量主站发送所述倾角数据；
所述测量主站，还用于：
根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态。
2.根据权利要求1所述的基于多点同步测量的大桥状态监测系统，其特征在于，在向各所述测量从站发送广播信号的方面，所述测量主站具体用于：
以设定广播触发频率向各所述测量从站发送广播信号；
在所述广播信号的触发下，采集相应位置处的倾角数据的方面，所述测量从站具体用于：
在所述广播信号的触发下，以设定采样率采集相应位置处的倾角数据；
所述设定采样率为所述设定广播触发频率的整数倍。
3.根据权利要求1所述的基于多点同步测量的大桥状态监测系统，其特征在于，在根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态的方面，所述测量主站具体用于：
对各所述测量从站发送的同一时刻的倾角数据进行插值处理，拟合该时刻的插值拟合数据；
对各所述测量从站发送的不同时刻的倾角数据和对应的插值拟合数据进行时频特征分析，确定所述目标桥梁的状态；所述状态，包括：变形情况和/或振动情况。
4.根据权利要求1所述的基于多点同步测量的大桥状态监测系统，其特征在于，所述测量从站，包括：测控电路和与所述测控电路连接的倾角传感器；所述测控电路与所述测量主站无线连接。
5.根据权利要求4所述的基于多点同步测量的大桥状态监测系统，其特征在于，所述测控电路，包括：从站主控芯片和与所述从站主控芯片连接的拨动开关、存储模块和无线传输模块。
6.根据权利要求5所述的基于多点同步测量的大桥状态监测系统，其特征在于，所述存储模块，包括：FIFO芯片、DDR3芯片和SD卡。
7.一种基于多点同步测量的大桥状态监测方法，其特征在于，包括：
向各测量从站发送广播信号和数据回传指令；
接收所述测量从站在接收到所述数据回传指令时发送的倾角数据；所述倾角数据是布设在目标桥梁上的所述测量从站在所述广播信号的触发下，采集到的相应位置处的倾角数据；
根据各所述测量从站发送的倾角数据，确定所述目标桥梁的状态。
8.根据权利要求7所述的基于多点同步测量的大桥状态监测方法，其特征在于，向各测量从站发送广播信号，具体包括：
以设定广播触发频率向各测量从站发送广播信号；
所述倾角数据是布设在目标桥梁上的所述测量从站在所述广播信号的触发下，以设定采样率采集到的相应位置处的倾角数据；
所述设定采样率为所述设定广播触发频率的整数倍。
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