CN117664484B - 一种智慧城市桥梁安全监测预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智慧城市桥梁安全监测预警方法及系统，涉及智慧城市技术领域，包括实时采集传感器安全监测数据，对传感器采集的数据进行异常值检验；对检测后的数据进行预处理，并对预处理后的数据进行分析；量测脉动激振引起的动力反应，根据实时数据识别结构模态，在结构模态分析的基础上建立对损伤灵敏反应的损伤指标，评估结构安全程度；根据安全程度进行分级预警。本发明通过损伤指标以及评估结构安全程度，对桥梁的状态进行评估，并将结果及时进行预警，可以发现潜在的安全风险和异常行为，提前对可能发生的安全事件进行预警和预防，减少了风险的发生。
Description
技术领域
本发明涉及智慧城市技术领域，特别是一种智慧城市桥梁安全监测预警方法及系统。
背景技术
智慧城市是运用信息和通信技术（ICT）来提升城市运行效率、改善居民生活质量的城市发展模式，其中重要的一环就是对城市桥梁的监测预警。其中，对监测数据进行分析是挖掘桥梁监测数据价值、发现桥梁安全风险的核心技术和关键难点。实时监测可以测量脉动激振引起的动力反应。动态数据可用来识别结构模态，在结构模态分析的基础上建立对损伤灵敏反应的损伤指标，用于评估结构安全程度。
但现阶段对桥梁的实时监测主要依靠传感器，但根据建设经验，只依靠传感器的数据质量往往并不理想，会出现数据缺失、滞后、数据超量程、频率异常等问题，对桥梁状态监测、报警生成与分析等业务产生了很大的干扰，有必要提供一个数据检验手段，从各个方面对传感器采集数据进行检验并给出分析预警结果。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有的桥梁安全监测预警中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种对传感器采集数据进行检验并给出分析预警的方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种智慧城市桥梁安全监测预警方法，其包括，实时采集传感器安全监测数据，对传感器采集的数据进行异常值检验；对检测后的数据进行预处理，并对预处理后的数据进行分析；量测脉动激振引起的动力反应，根据实时数据识别结构模态，在结构模态分析的基础上建立对损伤灵敏反应的损伤指标，评估结构安全程度；根据安全程度进行分级预警。
作为本发明所述智慧城市桥梁安全监测预警方法的一种优选方案，其中：所述异常值检验的过程具体如下：将采集得到的数据建立网格坐标；对坐标轴内不同传感器位置的历史数据进行统计，以时间T为一周期形成不同传感器的历史数据变化曲线图；将实时采集数据R输入变化曲线，并与前n个周期的初始值及最新值/>进行对比：若，则该数据R为正常数据，并保持至数据库中；若，则该数据R为异常数据，将该数据删除，当该数据所对应的传感器在下一周期采集的数据仍为异常时，则针对该传感器位置进行预警。
作为本发明所述智慧城市桥梁安全监测预警方法的一种优选方案，其中：所述对预处理后的数据进行分析包括动态响应分析、维护分析和振动分析；所述动态响应分析指分析车辆荷载对桥梁产生的损耗；所述维护分析指对桥梁维修和保养进行分析；所述振动分析指对桥梁结构自振频率和阻尼比的变化进行分析。
作为本发明所述智慧城市桥梁安全监测预警方法的一种优选方案，其中：所述动态响应分析的计算过程如下：针对每日车流量密集时段进行车辆信息采集；对车辆所属种类进行归纳，并估算相应重量，计算公式为：
；
其中，w为车流量密集时段的桥梁承重，为车辆种类，/>为不同种类车辆的平均重量，z为车辆载重系数。
作为本发明所述智慧城市桥梁安全监测预警方法的一种优选方案，其中：所述损伤指标的构建步骤如下：根据桥梁建成年限，计算桥梁目前的承重，公式如下：
；
其中，为桥梁目前的承重，/>为桥梁预设使用年限，/>为预设承重，K为损耗系数，x为桥梁维修的年数；判断桥梁目前的承重/>与车流量密集时段的桥梁承重w：当时，损伤指标为超载状态；当/>时，损伤指标为轻载状态；当/>时，损伤指标为正常状态。
作为本发明所述智慧城市桥梁安全监测预警方法的一种优选方案，其中：所述结构安全程度包括紧急、待修复、正常以及合格；所述评估结构安全程度的具体过程为：当损伤指标为超载状态时，桥梁的结构安全程度显示为紧急；当损伤指标为轻载状态时，对桥梁结构进行静力分析，评估桥梁各个部位的应力、变形和挠度情况，以确定结构安全程度为待修复或正常；当损伤指标为正常状态时，结构安全程度显示为合格，不需要立即采取大规模的修复或加固措施。
作为本发明所述智慧城市桥梁安全监测预警方法的一种优选方案，其中：所述分级预警根据结构安全程度划分为三个等级，包括一级风险预警、二级风险预警和三级风险预警：当结构安全程度为正常时，表示结构处于正常使用状态，仍能够承受常规或降低的荷载，进行三级风险预警，定期检查、监测损伤的发展情况，并根据需要采取补救措施；当结构安全程度为待修复时，表示桥梁结构出现了一定程度的损伤，超过正常极限承载能力，结构偏向不安全状态，进行二级风险预警，立即采取措施进行修复和加固；当结构安全程度为紧急时，表示桥梁结构已经受损，无法保持正常的承载能力，存在一定的安全隐患，进行一级风险预警，立即采取紧急措施并进行紧急修复或重建工作。
第二方面，本发明实施例为进一步解决现有的桥梁安全监测预警中存在的问题，提供了一种智慧城市桥梁安全监测预警系统，其包括：监测数据预处理模块，用于对于传感器采集的安全监测数据进行二次处理；数据实时展示模块，用于将预处理后得到的数据进行实时展示；数据质量检测模块，用于对传感器采集数据进行检验并进行分析；检监测数据分析模块，用于在结构模态分析的基础上建立对损伤灵敏反应的损伤指标，评估结构安全程度；安全预警模块，用于针对分析结果进行桥梁安全预警。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述智慧城市桥梁安全监测预警方法的任一步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述智慧城市桥梁安全监测预警方法的任一步骤。
本发明有益效果为，本发明首先通过对异常值的检测，在传感器层面减少了故障的发生，提高了对故障的检测速度，减少了不必要的分析成本；通过损伤指标以及评估结构安全程度，对桥梁的状态进行评估，并将结果及时进行预警，可以发现潜在的安全风险和异常行为，提前对可能发生的安全事件进行预警和预防，减少了风险的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。其中：
图1为实施例1中智慧城市桥梁安全监测预警方法的流程图。
图2为实施例1中智慧城市桥梁安全监测预警方法的分级预警分配流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1~图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种智慧城市桥梁安全监测预警方法，如图1 所示包括：
S1：实时采集传感器安全监测数据，对传感器采集的数据进行异常值检验。
优选的，异常值检验的过程具体如下：将采集得到的数据建立网格坐标；对坐标轴内不同传感器位置的历史数据进行统计，以时间T为一周期形成不同传感器的历史数据变化曲线图；将实时采集数据R输入变化曲线，并与前n个周期的初始值及最新值/>进行对比：若/>，则该数据R为正常数据，并保存至数据库中；若，则该数据R为异常数据，将该数据删除，当该数据所对应的传感器在下一周期采集的数据仍为异常时，则针对该传感器位置进行预警。
进一步的，数据异常可能是传感器本身出现故障，导致数据采集不准确或者完全错误，这可能是由于传感器的老化、损坏、电路问题等造成的；或是在数据采集和传输过程中，可能存在数据传输错误或丢失的问题；或是其他设备或系统可能会对传感器造成干扰。一次的数据异常无法证明该传感器是否有问题，因此对异常数据进行标记，当下一周期的数据仍为异常时，需要检查传感器的状态并可能需要更换或修复传感器。
S2：对检测后的数据进行预处理，并对预处理后的数据进行分析。
进一步的，对预处理后的数据进行分析包括动态响应分析、维护分析和振动分析。
动态响应分析指分析车辆荷载对桥梁产生的损耗。
具体的，动态响应分析的计算过程如下：针对每日车流量密集时段进行车辆信息采集；对车辆所属种类进行归纳，并估算相应重量，计算公式为：
；
其中，w为车流量密集时段的桥梁承重，为车辆种类，/>为不同种类车辆的平均重量，z为车辆载重系数。
其中，对车辆所属种类进行归纳是指，将采集的车辆信息进行总结，分为车辆种类和相对应的重量；其中，车辆种类为挂车、轿车、SUV和卡车；相对应的重量的计算公式为：
；
其中，为车辆重量，/>不同车辆种类车型的平均重量，b为载重波动系数，一般为1.2~1.5。
维护分析指对桥梁维修和保养进行分析。
定期的维护和保养对于延长桥梁的使用寿命和减少损耗非常重要，缺乏养护、不及时进行维修、使用不当等都会加速桥梁的损耗。
振动分析指对桥梁结构自振频率和阻尼比的变化进行分析。
S3：量测脉动激振引起的动力反应，根据实时数据识别结构模态，在结构模态分析的基础上建立对损伤灵敏反应的损伤指标，评估结构安全程度。
进一步的，损伤指标的构建步骤如下：根据桥梁建成年限，计算桥梁目前的承重，公式如下：
；
其中，为桥梁目前的承重，/>为桥梁预设使用年限，/>为预设承重，K为损耗系数，x为桥梁维修的年数；判断桥梁目前的承重/>与车流量密集时段的桥梁承重w：当时，损伤指标为超载状态；当/>时，损伤指标为轻载状态；当/>时，损伤指标为正常状态。
优选的，结构安全程度包括紧急、待修复、正常以及合格；评估结构安全程度的具体过程为：当损伤指标为超载状态时，桥梁的结构安全程度显示为紧急；当损伤指标为轻载状态时，对桥梁结构进行静力分析，评估桥梁各个部位的应力、变形和挠度情况，以确定结构安全程度为待修复或正常；当损伤指标为正常状态时，结构安全程度显示为合格，不需要立即采取大规模的修复或加固措施。
进一步的，确定结构安全程度为待修复或正常是通过比较相关联的桥梁以及实测得到的各个部位参数，与桥梁建成时的预设值进行比较，判断是否超出了安全范围。将实测得到的应力、变形和挠度等参数与不同部位的允许值进行对比，确定各个部位的安全性。当出现一个或以上的非安全情况，则认定为待修复；当未出现非安全的状况，则认定为正常。
S4：根据安全程度进行分级预警。
优选的，分级预警根据结构安全程度划分为三个等级，包括一级风险预警、二级风险预警和三级风险预警：当结构安全程度为正常时，表示结构处于正常使用状态，仍能够承受常规或降低的荷载，进行三级风险预警，定期检查、监测损伤的发展情况（注意桥梁的外观，包括裂缝、变形、沉降等，检查桥面、桥墩、支座等关键位置，使用检测工具或设备进行简单测试和测量，如测量桥面的平整度、支座是否正常工作等，分析桥梁的历史数据和维护记录，查看以往的损伤和修复情况），并根据需要采取补救措施；当结构安全程度为待修复时，表示桥梁结构出现了一定程度的损伤，超过正常极限承载能力，结构偏向不安全状态，进行二级风险预警，立即采取措施进行修复和加固（使用高级工具和设备检测桥梁的损伤，如使用应变计、超声波测厚仪等，进行结构分析和计算，评估损伤的影响程度，例如评估裂缝的长度、宽度，变形的程度等，进行材料测试和实验室分析，确保损伤不会进一步扩大，并且结构的稳定性不会受到重大影响）；当结构安全程度为紧急时，表示桥梁结构已经受损，无法保持正常的承载能力，存在一定的安全隐患，进行一级风险预警，立即采取紧急措施（进行全面的结构评估，结合使用先进的技术手段，如激光扫描、红外线检测等，对损伤进行三维建模和分析，进行强度和稳定性计算，评估严重损伤对桥梁结构整体的安全性和稳定性的影响）并进行紧急修复或重建工作。
本实施例还提供了一种智慧城市桥梁安全监测预警系统，包括监测数据预处理模块，用于对于传感器采集的安全监测数据进行二次处理；数据实时展示模块，用于将预处理后得到的数据进行实时展示；数据质量检测模块，用于对传感器采集数据进行检验并进行分析；监测数据分析模块，用于在结构模态分析的基础上建立对损伤灵敏反应的损伤指标，评估结构安全程度；安全预警模块，用于针对分析结果进行桥梁安全预警。
进一步的，系统提供配置风险预案功能，根据不同的风险预警级别，制定相应的风险预案：一级风险预警，立即将预警信息报送至权属责任单位、行业监管部门和安委办；系统支持各类风险管网一级风险预警关联的权属责任单位、行业监管部门和安委办。二级风险预警，立即将预警信息报送权属责任单位和行业监管部门；系统支持各类风险管网二级风险预警关联的权属责任单位、行业监管部门。三级风险预警，立即将预警信息报送权属责任单位；系统支持各类风险管网二级风险预警关联的权属责任单位。当结构安全程度为正常时，进行一般事件预警，将故障信息报送至权属责任单位，系统支持各类风险管网二级风险预警关联的权属责任单位。
进一步，当系统自动发出风险预警时，由人工对系统判定的风险等级进行复核和确认，如果系统判定无误，则确认该风险预警及其等级；当系统判定的风险等级有误时，系统提供预警基本信息和等级修改功能，人工可修改和重新标记风险等级；当系统判定风险预警后，人工审核发现该风险有严重偏差或不存在风险时，系统提供取消风险预警功能，人工可取消该风险预警。
本实施例还提供一种计算机设备，适用于智慧城市桥梁安全监测预警方法的情况，包括：存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的智慧城市桥梁安全监测预警方法。
该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC（近场通信）或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的实现智慧城市桥梁安全监测预警方法；存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（StaticRandom Access Memory, 简称SRAM），电可擦除可编程只读存储器（ElectricallyErasable Programmable Read－Only Memory, 简称EEPROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory, 简称EPROM），可编程只读存储器（Programmable Red－Only Memory, 简称PROM），只读存储器（Read－Only Memory, 简称ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
综上，本发明首先通过对异常值的检测，在传感器层面减少了故障的发生，提高了对故障的检测速度，减少了不必要的分析成本；通过损伤指标以及评估结构安全程度，对桥梁的状态进行评估，并将结果及时进行预警，可以发现潜在的安全风险和异常行为，提前对可能发生的安全事件进行预警和预防，减少了风险的发生。
实施例2
参照表1~表3，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种智慧城市桥梁安全监测预警方法，为了验证本发明的有益效果，通过计算和仿真实验进行科学论证。
首先对传感器采集的数据进行处理，以2.5分钟为一周期进行各传感器的数据采集，将采集的数据形成不同传感器的历史数据变化曲线图。
进一步的，表1展示了某车流量较大的桥梁部分传感器采集数据信息，此处的数据仅为举例。
表1
进一步的，将实时采集数据输入变化曲线，并与前3个周期的初始值及最新值进行对比：例如此处将10：30：30的数据与前三个时间的数据差值进行对比，可知，前三个周期的应变传感器的差值为，最后一组数据与前两组的应变传感器的差值为/>，可知该数据的波动范围在允许范围内，因此该数据为正常数据，将数据进行保存；若该数据为异常数据，将该数据删除，当该数据所对应的传感器在下一周期采集的数据仍为异常时，则针对该传感器位置进行预警。
进一步的，针对每日车流量密集时段进行车辆信息采集，得到该时间段桥梁上包含小轿车18辆，卡车3辆，suv5辆，挂车一辆；重量如下表：
表2
对车辆所属种类进行归纳，并根据载货量估算相应重量，计算公式为：
；
对该时段桥梁的最大承重进行计算。
根据桥梁建成年限为5，计算桥梁目前的承重，公式如下：
；
将与计算得到的w进行比较，当/>时，损伤指标为超载状态；当时，损伤指标为轻载状态；当/>时，损伤指标为正常状态；根据得出的状态进行结构安全程度的划分，并进行分级预警，具体如下表所示：
表3
进一步的，由上表可以看出本发明能针对安全程度，进行预警情况的划分，当发出风险预警时，系统会自动根据风险类型将内容上报至相关负责单位进行处理，可以发现潜在的安全风险和异常行为，提前对可能发生的安全事件进行预警和预防，减少了风险的发生。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种智慧城市桥梁安全监测预警方法，其特征在于：包括：
实时采集传感器安全监测数据，对传感器采集的数据进行异常值检验；
对检测后的数据进行预处理，并对预处理后的数据进行分析；
量测脉动激振引起的动力反应，根据实时数据识别结构模态，在结构模态分析的基础上建立对损伤灵敏反应的损伤指标，评估结构安全程度；
根据安全程度进行分级预警；
所述异常值检验的过程具体如下：
将采集得到的数据建立网格坐标；
对坐标轴内不同传感器位置的历史数据进行统计，以时间T为一周期形成不同传感器的历史数据变化曲线图；
将实时采集数据R输入变化曲线，并与前n个周期的初始值及最新值/>进行对比：
若，则数据R为正常数据，并保存至数据库中；
若，则数据R为异常数据，将该数据删除，当该数据所对应的传感器在下一周期采集的数据仍为异常时，则针对该传感器位置进行预警；
所述损伤指标的构建步骤如下：
根据桥梁建成年限，计算桥梁目前的承重，公式如下：
；
其中，为桥梁目前的承重，/>为桥梁预设使用年限，/>为预设承重，K为损耗系数，x为桥梁维修的年数；
判断桥梁目前的承重与车流量密集时段的桥梁承重w：
当时，损伤指标为超载状态；
当时，损伤指标为轻载状态；
当时，损伤指标为正常状态。
2.如权利要求1所述的智慧城市桥梁安全监测预警方法，其特征在于：所述对预处理后的数据进行分析包括动态响应分析、维护分析和振动分析；
所述动态响应分析是指分析车辆荷载对桥梁产生的损耗；
所述维护分析是指对桥梁维修和保养进行分析；
所述振动分析是指对桥梁结构自振频率和阻尼比的变化进行分析。
3.如权利要求2所述的智慧城市桥梁安全监测预警方法，其特征在于：所述动态响应分析的计算过程如下：
针对每日车流量密集时段进行车辆信息采集；
对车辆所属种类进行归纳，并估算相应重量，计算公式为：
；
其中，w为车流量密集时段的桥梁承重，为车辆种类，/>为不同种类车辆的平均重量，z为车辆载重系数。
4.如权利要求3所述的智慧城市桥梁安全监测预警方法，其特征在于：所述结构安全程度包括紧急、待修复、正常以及合格；
所述评估结构安全程度的具体过程为：
当损伤指标为超载状态时，桥梁的结构安全程度显示为紧急；
当损伤指标为轻载状态时，对桥梁结构进行静力分析，评估桥梁各个部位的应力、变形和挠度情况，以确定结构安全程度为待修复或正常；
当损伤指标为正常状态时，结构安全程度显示为合格，不需要立即采取大规模的修复或加固措施。
5.如权利要求4所述的智慧城市桥梁安全监测预警方法，其特征在于：所述分级预警根据结构安全程度划分为三个等级，包括一级风险预警、二级风险预警和三级风险预警：
当结构安全程度为正常时，表示结构处于正常使用状态，仍能够承受常规或降低的荷载，进行三级风险预警，定期检查、监测损伤的发展情况，并根据需要采取补救措施；
当结构安全程度为待修复时，表示桥梁结构出现了一定程度的损伤，超过正常极限承载能力，结构偏向不安全状态，进行二级风险预警，立即采取措施进行修复和加固；
当结构安全程度为紧急时，表示桥梁结构已经受损，无法保持正常的承载能力，存在安全隐患，进行一级风险预警，立即采取紧急措施并进行紧急修复或重建工作。
6.一种智慧城市桥梁安全监测预警系统，基于权利要求1~5任一所述的智慧城市桥梁安全监测预警方法，其特征在于：还包括，
监测数据预处理模块，用于对传感器采集的安全监测数据进行二次处理；
数据实时展示模块，用于将预处理后得到的数据进行实时展示；
数据质量检测模块，用于对传感器采集数据进行检验并进行分析；
监测数据分析模块，用于在结构模态分析的基础上建立对损伤灵敏反应的损伤指标，评估结构安全程度；
安全预警模块，用于针对分析结果进行桥梁安全预警。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1~5任一所述的智慧城市桥梁安全监测预警方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1~5任一所述的智慧城市桥梁安全监测预警方法的步骤。
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