CN205879247U - 一种基于光纤传感技术和bim技术的高桩码头健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，包括用于监测高桩码头结构性能状态的传感器子系统；用于采集传感器子系统的监测信号并进行信号初级处理的信号采集与预处理子系统；用于对信号采集与预处理子系统输出的信号进行分析处理并存储的监测数据管理与存储子系统；用于调用监测数据管理与存储子系统所储存的数据，处理并显示及预警的监控与处理中心；及用于信号采集与预处理子系统和监测数据管理与存储子系统之间的信号远程传输的数据传输模块；传感器子系统、信号采集与预处理子系统、数据传输模块、监测数据管理与存储子系统以及监控与处理中心依次信号连接。本实用新型能提高测量效率，减少测试成本。

Description

一种基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种高桩码头健康监测系统，特别涉及一种基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统。

背景技术

目前，我国是世界港口大国，沿海港口投资建设规模不断扩大，港口货物吞吐量连续多年位居世界第一。码头是供船舶停靠、货物装卸和旅客上下的水工建筑物，是港口最重要的基础设施之一。由于码头担负着大宗货物装卸的生产任务，码头结构健康状况直接关系到船舶靠离泊和货物装卸作业的安全，关系到港口能否正常运营生产。

在港口建设迅猛发展的同时，码头结构出现的安全隐患问题也引起了港口企业与国家的密切重视。一方面，在码头建设过程中投资大、工期紧、任务重，遗留下很多问题待使用中解决，对日后码头运营维护造成很大的压力。另一方面，由于码头等水工建筑物所处的海洋环境复杂而恶劣，码头结构在承受使用荷载的同时，还经受着如土体、海浪、海流、海冰、潮汐以及台风、地震、船舶等荷载的作用。在恶劣的环境条件下，码头结构极易发生破损现象，导致结构整体抗力降低，进而影响结构的服役安全度和耐久性。同时，由于码头长时间高频率生产作业、船舶超等级靠泊、码头超载作业、码头检测养护工作不到位等众多原因，也使得码头结构经常出现老化破损、变形变位、基础冲刷、沉降沉陷等问题，给港口生产带来安全隐患，甚至造成严重的安全事故。

目前，针对码头结构的安全问题，多采用不定期人工检测的方式进行排查，检测人员基本采用经验法结合一些试验检测手段，如目测法、回弹法、超声法、射线法等等，其周期性长，及时性差，整体性差、智能化程度低、先进技术综合运用程度低，而且多数情况是安全问题出现后再进行人工检测评估及修复，此时往往已超过结构的最佳修复期，导致修复成本增加，码头结构的生产安全性降低。同时，人工检测难以实施结构的应变检测，且无法通过结构动力学特性的变化趋势对结构的安全性进行评估，导致难以及时了解码头结构的安全状态，无法对结构的灾变情况进行及时预警。而且，传统的监测技术结构信息集成化程度低，不同工作人员之间的监测数据不能准确、快速的整合，不能及时、准确地对结构的安全性做出评估。

海洋工程服役于恶劣海洋环境中，钢材在海水环境中极易发生锈蚀破坏，普通电类、振弦式位移传感器在海水环境中存活率较低、耐久性差，多发生因海水侵入造成短路破坏以及零部件锈蚀的耐久性破坏，并且电类位移传感器易受电磁干扰，测量信号稳定性差。而且，电类位移传感器在长距离传送信号过程中会存在信号严重损耗的情况，难以实现信号的长距离传输。

由于港口码头工程在我国经贸发展、海岛和海洋国土资源开发维护及国防建设中发挥着十分重要的作用，目前还没有一种大型高桩码头结构的长期健康监测系统，能够及时了解大型码头结构的安全状态，准确有效地对结构的健康状态进行全周期的监测、评价，为码头结构的灾变状态及时预警，不能全方位地保障码头生产安全，对因气象、地质、地震带来的灾害防御能力和处置能力不强。

发明内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可实现信号长距离传输的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，包括：用于监测高桩码头结构性能状态的传感器子系统；用于采集所述传感器子系统的监测信号并进行信号初级处理的信号采集与预处理子系统；用于对所述信号采集与预处理子系统输出的信号进行分析处理并存储的监测数据管理与存储子系统；用于调用所述监测数据管理与存储子系统所储存的数据，处理并显示及预警的监控与处理中心；以及用于所述信号采集与预处理子系统和所述监测数据管理与存储子系统之间的信号远程传输的数据传输模块；所述传感器子系统、所述信号采集与预处理子系统、所述数据传输模块、所述监测数据管理与存储子系统以及所述监控与处理中心依次信号连接。

本实用新型还可以采用如下技术方案：

所述传感器子系统的传感元件设置在高桩码头的构件内，所述传感器子系统包括监测构件应力的应变测试单元，监测构件环境温度的环境温度测试单元，监测构件变位的结构变位测试单元，监测结构动力特性的结构动力特性测试单元，以及监测构件耐久性的结构耐久性测试单元。

所述应变测试单元包括光纤Bragg光栅应变传感器；所述环境温度测试单元包括光纤Bragg光栅温度传感器；所述结构变位测试单元包括光纤Bragg光栅倾角传感器；所述结构动力特性测试单元包括光纤Bragg光栅加速度传感器；所述结构耐久性测试单元包括阳极梯传感器。

所述信号采集与预处理子系统包括信号同步采集器和信号预处理器；所述信号同步采集器接收来自所述传感器子系统的信号，并输出信号至所述信号预处理器进行信号预处理。

所述信号预处理器包括滤波器和A/D转换器。

所述数据传输模块包括数据有线传输模块和数据无线传输模块。

所述数据无线传输模块包括无线发射器和无线接收器；所述数据有线传输模块包括光纤收发器。

所述无线发射器和所述无线接收器之间通过GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE、CDMA1X以及EVDO中的一种或几种无线网络传输信号。

所述监测数据管理与存储子系统包括前端设备远程管理器和监测数据存储管理服务器；所述监测数据存储管理服务器，通过所述数据传输模块接收来自所述信号采集与预处理子系统的信号并进行处理及存储；所述前端设备远程管理器，通过所述数据传输模块输出信号至所述信号采集与预处理子系统，控制所述信号采集与预处理子系统的工作。

所述监控与处理中心包括数据处理器，以及与所述数据处理器连接的BIM模型显示器、警报发射器以及警示灯。

本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型结合了光纤Bragg光栅传感技术、BIM技术、数据传输技术、人工智能等先进技术，系统智能化程度高，通过本实用新型的系统架构可以实现数据监测、数据采集、传输及处理等，可对高桩码头结构的健康状态进行实时监测以及准确、快捷地分析评估；并可进一步基于监测数据及评估分析，可对高桩码头结构在突发情况下的灾变状态进行分级预警；采用BIM模型显示器可实现监测点位三维显示，可实现监测数据及灾变位置的快速定位；管理人员可通过无线网络远程访问共享信息或通过个人账户访问私有空间的建筑及监测信息，提高了工作效率；采用光纤Bragg光栅传感技术布设传感器子系统，可实现信号的长距离传输，不存在电磁干扰的问题，测量信号稳定可靠，且光纤Bragg光栅类传感器可完全适应高桩码头所处的恶劣海水环境，可避免因海水侵蚀造成短路破坏及传感器耐久性破坏，工作性能稳定可靠，且传感器为工程建设时内部埋置式，使用寿命长。本实用新型为高桩码头结构的健康状态监测提供了信息化、智能化、高效化的工具，将其应用于沿海港口高桩码头等海洋工程结构的长期性能监测，将大大提高测量效率和精度，减少测试成本，并可实现结构的灾变预警。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，一种基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，该系统包括：用于监测高桩码头构件的结构性能状态的传感器子系统；用于采集所述传感器子系统的监测信号并进行信号初级处理的信号采集与预处理子系统；用于对所述信号采集与预处理子系统输出的信号进行分析处理并存储的监测数据管理与存储子系统；用于调用所述监测数据管理与存储子系统所储存的数据，处理并显示及预警的监控与处理中心；以及用于所述信号采集与预处理子系统和所述监测数据管理与存储子系统之间的信号远程传输的数据传输模块；所述传感器子系统、所述信号采集与预处理子系统、所述数据传输模块、所述监测数据管理与存储子系统以及所述监控与处理中心依次信号连接。

其中，所述传感器子系统的传感元件可设置在高桩码头的构件内，所述传感器子系统可包括监测构件应力的应变测试单元，监测构件环境温度的环境温度测试单元，监测构件变位的结构变位测试单元，监测结构动力特性的结构动力特性测试单元，以及监测构件耐久性的结构耐久性测试单元。

所述应变测试单元可包括光纤Bragg光栅应变传感器；所述环境温度测试单元可包括光纤Bragg光栅温度传感器；所述结构变位测试单元可包括光纤Bragg光栅倾角传感器；所述结构动力特性测试单元可包括光纤Bragg光栅加速度传感器；所述结构耐久性测试单元可包括阳极梯传感器。光纤Bragg光栅传感器具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性。

所述光纤Bragg光栅应变传感器可分别布设于高桩码头桩、梁(轨道梁、横梁)、板等关键构件上；所述光纤Bragg光栅温度传感器可分别布设于前、后承台横梁上；所述光纤Bragg光栅倾角传感器可分别布设于前、后承台横梁上；所述光纤Bragg光栅加速度传感器可分别布设于前、后承台横梁上；所述阳极梯传感器可分别布设于前、后承台的横梁、轨道梁及面板上；除所述阳极梯传感器为电类传感器，由专用电缆连接到所述信号采集与预处理子系统中外，其余所述各测试单元可均为光纤光栅类传感器，由光缆连接到所述信号采集与预处理子系统中；所述各测试单元的所有传感器可均埋置或固定于高桩码头各关键构件内部。

所述信号采集与预处理子系统可包括信号同步采集器和信号预处理器；所述信号同步采集器接收来自所述传感器子系统的信号，并输出信号至所述信号预处理器进行信号预处理。所述信号预处理器可包括滤波器和A/D转换器等信号处理电路。所述传感器子系统感知的结构性能数据由信号同步采集器采集得到，所述信号同步采集器采用同步电路，对来自所述传感器子系统的信号进行同步采集，采集到的数据由所述数据预处理器采用固件滤波、加窗等降噪处理方式进行降噪处理，然后存储于本地数据存储设备中。所述信号采集与预处理子系统可放置于高桩码头结构附近的监控室中。

所述数据传输模块可包括数据有线传输模块和数据无线传输模块。其中，所述数据无线传输模块可包括无线发射器和无线接收器，可由多对无线发射器和无线接收器组成；所述数据有线传输模块可包括光纤收发器。

所述无线发射器和所述无线接收器之间可通过GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE、CDMA1X以及EVDO中的一种或几种无线网络传输信号。所述无线接收器也可采用固定IP的方式连续接收所述无线发射器传输的数据。

所述监测数据管理与存储子系统可包括前端设备远程管理器和监测数据存储管理服务器；所述监测数据存储管理服务器，通过所述数据传输模块接收来自所述信号采集与预处理子系统的信号并进行处理及存储；所述前端设备远程管理器，通过所述数据传输模块输出信号至所述信号采集与预处理子系统，控制所述信号采集与预处理子系统的工作。所述前端设备远程管理器，可对所述信号采集与预处理子系统进行远程控制和管理；当采用无线方式传输数据时，可通过所述数据无线传输模块中其中一对无线发射器和无线接收器，向所述信号采集与预处理子系统传输控制信号；所述监测数据存储管理服务器，可通过所述数据无线传输模块中另外的一对无线发射器和无线接收器，接收来自所述信号采集与预处理子系统的信号；所述监测数据管理与存储子系统可采用大型监测服务器，用于远程控制软件、数据管理软件的安装运行及监测数据的存储。

所述监控与处理中心包括数据处理器，以及与所述数据处理器连接的BIM模型显示器、数据管理分析单元、警报发射器以及警示灯等。

所述BIM模型显示器可显示包含监测对象的工程信息(尺寸、材料属性、配筋等)和传感器的点位布置信息；所述数据处理器可调用所述监测数据管理与存储子系统的数据，并将数据定位于所述BIM模型的相应点位中，实现数据在BIM模型显示器中的显示与管理；所述数据处理器可基于监测数据对结构健康状态进行评估，根据评估结果对警报发射器和警示灯发送灾变预警信号；所述警示灯分为红色、橙色、黄色、蓝色四种颜色，分别代表灾变等级的一级、二级、三级、四级，一级为最高级别；所述警报发射器可将预警结果通过无线网络发送到管理人员的手机、iPad等接收终端上；所述监控与处理中心采用高性能监测服务器作为硬件载体，用于BIM软件安装运行及数据的存储。

所述监控与处理中心调用处理并进行结构健康状态评估，由所述BIM模型显示器实现监测数据的定位与显示，由所述警报发射器发出灾变信号，由所述警示灯针对不同等级的灾变闪烁不同颜色的灯光。

本实用新型的工作原理：

系统运行时，所述传感器子系统感知到的结构性能信号，由所述信号采集与预处理子系统经A/D转换及必要的固件滤波、加窗等降噪处理后得到反应结构性能状态的数字信号，存储于本地数据采集存储设备中。同时，采集到的数据可由所述数据无线传输模块通过无线网络发送到远程的所述监测数据管理与存储子系统中，用于远程的数据获取、海量监测数据的存储与管理，存储的数据由所述监控与处理中心调用处理并进行结构健康状态评估，由所述BIM模型显示器实现监测数据的定位与显示，由所述警报发射器发出灾变信号，由所述警示灯针对不同等级的灾变闪烁不同颜色的灯光。

以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用新型的专利范围，即凡本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用新型的专利范围内。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，包括：用于监测高桩码头构件的结构性能状态的传感器子系统；用于采集所述传感器子系统的监测信号并进行信号初级处理的信号采集与预处理子系统；用于对所述信号采集与预处理子系统输出的信号进行分析处理并存储的监测数据管理与存储子系统；用于调用所述监测数据管理与存储子系统所储存的数据，处理并显示及预警的监控与处理中心；以及用于所述信号采集与预处理子系统和所述监测数据管理与存储子系统之间的信号远程传输的数据传输模块；所述传感器子系统、所述信号采集与预处理子系统、所述数据传输模块、所述监测数据管理与存储子系统以及所述监控与处理中心依次信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述传感器子系统的传感元件设置在高桩码头的构件内，所述传感器子系统包括监测构件应力的应变测试单元，监测构件环境温度的环境温度测试单元，监测构件变位的结构变位测试单元，监测结构动力特性的结构动力特性测试单元，以及监测构件耐久性的结构耐久性测试单元。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述应变测试单元包括光纤Bragg光栅应变传感器；所述环境温度测试单元包括光纤Bragg光栅温度传感器；所述结构变位测试单元包括光纤Bragg光栅倾角传感器；所述结构动力特性测试单元包括光纤Bragg光栅加速度传感器；所述结构耐久性测试单元包括阳极梯传感器。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述信号采集与预处理子系统包括信号同步采集器和信号预处理器；所述信号同步采集器接收来自所述传感器子系统的信号，并输出信号至所述信号预处理器进行信号预处理。

5.根据权利要求4所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述信号预处理器包括滤波器和A/D转换器。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述数据传输模块包括数据有线传输模块和数据无线传输模块。

7.根据权利要求6所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述数据无线传输模块包括无线发射器和无线接收器；所述数据有线传输模块包括光纤收发器。

8.根据权利要求7所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述无线发射器和所述无线接收器之间通过GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE、CDMA1X以及EVDO中的一种或几种无线网络传输信号。

9.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述监测数据管理与存储子系统包括前端设备远程管理器和监测数据存储管理服务器；所述监测数据存储管理服务器，通过所述数据传输模块接收来自所述信号采集与预处理子系统的信号并进行处理及存储；所述前端设备远程管理器，通过所述数据传输模块输出信号至所述信号采集与预处理子系统，控制所述信号采集与预处理子系统的工作。

10.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术和BIM技术的高桩码头健康监测系统，其特征在于，所述监控与处理中心包括数据处理器，以及与所述数据处理器连接的BIM模型显示器、警报发射器以及警示灯。