CN206818305U - 悬索桥三位一体监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了悬索桥三位一体监测系统，属于悬索桥安全检测技术领域。该系统包括：监测点设置在悬索桥上；监测点与数据采集发射系统建立无线连接；数据采集发射系统通过北斗通信卫星与远程监控中心建立连接；其中，监测点用于采集悬索桥的监测数据，监测数据至少包括振动位移，数据采集发射系统用于对监测数据进行预处理，远程监控中心用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下悬索桥的安全状况。解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

Description

悬索桥三位一体监测系统

技术领域

本公开涉及悬索桥安全检测技术领域，特别涉及一种悬索桥三位一体监测系统。

背景技术

悬索桥在长期使用过程中，由于环境侵蚀、材料老化、交通流量加重、超重车辆增多，导致悬索桥结构损伤和功能退化。为保障悬索桥结构在营运期间的承载能力、耐久性和安全性，对悬索桥进行安全状况的检测显得非常必要。

悬索桥结构在移动的车辆、人群、风力和地震等动力荷载作用下会产生振动。在车辆动载和个别情况下人群动荷载、风力和地震地面运动作用下，悬索桥结构产生的振动会增大按静力计算的内力和可能引起结构局部疲劳损伤，或会形成影响桥上汽车的舒适与安全的振动变形和加速度，甚至使悬索桥完全破坏，也就是说，悬索桥结构的振动是影响悬索桥使用与安全的重要因素之一。

目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，大多围绕悬索桥振动频率开展单一物理量监测，而针对悬索桥的振动位移以及受力状态的监测则不多见。虽然振动频率是反映悬索桥安全状态的重要指标，但该指标并不能完全反映悬索桥在复杂外力作用下的健康状态，由于除了振动引起的疲劳损伤，过大的振动位移也可能造成悬索桥结构产生塑性变形，因此，目前的悬索桥结构的安全状态监测系统对悬索桥的监测预警结果的可靠性和可信度不佳。

发明内容

为了解决目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题，本公开提供一种悬索桥三位一体监测系统。所述技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种悬索桥三位一体监测系统，所述系统包括：监测点、数据采集发射系统、远程监控中心；

所述监测点设置在悬索桥上；

所述监测点与所述数据采集发射系统建立无线连接；

所述数据采集发射系统通过北斗通信卫星与所述远程监控中心建立连接；

其中，所述监测点用于采集悬索桥的监测数据，所述监测数据至少包括振动位移，所述数据采集发射系统用于对所述监测数据进行预处理，所述远程监控中心用于对所述处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过将用于采集悬索桥的监测数据的监测点设置在悬索桥上，利用监测点采集悬索桥的振动位移等信息，再通过数据采集发射系统用于对监测数据进行预处理，最后通过远程监控中心用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况，由于悬索桥的监测数据中至少包括该悬索桥的振动位移；解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并于说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥三位一体监测系统的系统示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥三位一体监测系统的连接示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥三位一体监测系统的系统示意图，该悬索桥三位一体监测系统可以包括但不限于：监测点110、数据采集发射系统120、远程监控中心130。

如图1所示，监测点110设置在悬索桥100上，监测点110与数据采集发射系统120建立无线连接，数据采集发射系统120通过北斗通信卫星140与远程监控中心120建立连接，其中，监测点110用于采集悬索桥100的监测数据，监测数据至少包括振动位移，数据采集发射系统120用于对监测数据进行预处理，远程监控中心120用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下悬索桥100的安全状况。

综上所述，本公开实施例中提供的悬索桥三位一体监测系统，通过将用于采集悬索桥的监测数据的监测点设置在悬索桥上，利用监测点采集悬索桥的振动位移等信息，再通过数据采集发射系统用于对监测数据进行预处理，最后通过远程监控中心用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况，由于悬索桥的监测数据中至少包括该悬索桥的振动位移；解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

仍参见图1，该监测点110包括定位接收机110a、谐振加速度计110b和振弦式应变计110c。

可选的，定位接收机为全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收机，设置在悬索桥的桥面上，用于测量悬索桥的振动位移。

由于目前的GPS接收机的采样率已达到10-20Hz，定位精度可达毫米级，因此，GPS接收机具有精度高、定位速度快、全天候、自动化、便于实施的特点，在岩土、石油、水利、公路、桥梁等工程测量领域得到广泛应用。

GPS接收机是接收全球定位系统卫星信号并确定地面空间位置的仪器，用户利用GPS接收机可以接收到卫星发射的测距码(C/A码和P码)、载波信号(L1和L2)和数据码(D码)等信号。其中，数据码用于计算卫星坐标，测距码和载波用于建立星地距离观测方程，得到悬索桥的卫星坐标和星地距离观测方程后，利用空间距离后方交会原理即可测得悬索桥的三维坐标，在外力所用下至少获取两次悬索桥上同一位置的三维坐标即可得到所述悬索桥的振动位移。

谐振加速度计是一种典型的微机械惯性器件，设置在所述悬索桥的桥梁上，用于测量悬索桥的振动加速度。谐振加速度计包括谐振器(即谐振梁)、激振单元、检测单元等部件。谐振加速度计的工作原理是将输入加速度转换为质量块的位移，从而引起振动梁上的轴向应力或弯曲应力发生改变，即谐振频率发生变化，通过检测差分谐振频率之差即可获得输入加速度的大小。谐振加速度计的输出频率信号为一种准数字信号，由于谐振加速度计不易受到环境噪声的干扰，因此谐振加速度计属于高性能器件。

振弦式应变计是目前国内外广泛应用的一种非电量电测的传感器，该振弦式应变计由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。其中，钢弦的自振频率与张紧力的大小有关，在钢弦的几何尺寸确定之后，钢弦的振动频率的变化量，可表征受力的大小。由于振弦式应变计具有独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此，与传统的电阻式应变计相比，振弦式应变计具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。

由于振弦式应变计能直接以频率信号输出，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，因此将设置在悬索桥的悬索上实现对悬索桥的振动应变进行高精度的测量。

仍参见图1，该数据采集发射系统120包括终端节点120a、路由节点120b、中心协调器120c、下位机120d以及遥测终端机120e。

请参见图2，图2是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥三位一体监测系统的连接示意图。终端节点120a通过输入/输出端口(input/output，I/O)端口分别与监测点110中的定位接收机110a、谐振加速度计110b和振弦式应变计110c连接。

可选的，该悬索桥三位一体监测系统还包括电缆接线盒140，该电缆接线盒140的一端分别与监测点110中的定位接收机110a、谐振加速度计110b和振弦式应变计110c连接，该电缆接线盒140的另一端通过I/O端口与终端节点120a连接。

可选的，终端节点120a在悬索桥100的桥梁上呈线性分布。

仍参见图2，路由节点分别与终端节点和中心协调器建立无线连接，下位机通过RS485端口分别与中心协调器和遥测终端机连接。

下位机用于根据接收到的振动位移、振动加速度和振动应变，分别计算出悬索桥的振动频率和悬索应力，将悬索桥的振动频率和悬索应力发送至遥测终端机。

可选的，终端节点为紫蜂协议(ZigBee)终端节点，路由节点为ZigBee路由节点、中心协调器为ZigBee中心协调器。ZigBee终端节点、ZigBee路由节点和ZigBee中心协调器通过各自的PCB天线组成ZigBee无线网络。

为了弥补有线网络系统需要进行大量布线、成本高、难以适应恶劣环境等缺点，本实施例可采用面向近距离且符合低功耗、低成本、双向无线通信要求的ZigBee技术构建了监测网络。

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4协议标准研发的短距离无线网络技术。由于ZigBee以2.4GHz为主要频段，采用直接序列扩频技术(Direct Sequence SpreadSpectrum，DSSS)，可嵌入各种设备，同时支持地理定位功能，能够很好地满足工业控制的需要，因此ZigBee被广泛应用于基于无线网络的远程监控系统。

仍参见图1，该远程监控中心130包括地面基站130a、卫星调制解调器130b以及上位机130c。

参见图2，地面基站通过北斗通信卫星与遥测终端机建立连接，卫星调制解调器的一端通过RS485端口与地面基站连接，另一端通过LAN端口与上位机连接。

遥测终端机用于通过北斗通信卫星将悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力发送至地面基站。

地面基站用于通过卫星调制解调器，将接收到的悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力发送至上位机。

上位机用于根据接收到的悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力，分别判定悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力是否超过对应的预设阈值；若悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力中至少一项超过对应的预设阈值，则进行预警提示。

北斗通信卫星是中国自主研制的全球卫星导航系统，由空间端、地面端和用户端3部分组成，具有快速定位、双向通信和精密授时三大功能。北斗通信卫星可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度的定位、导航和授时服务，并具备短报文通信能力，数据通信实时性强，传输快捷，一次数据发送时间大约为1s。由于北斗通信卫星导航系统安全可靠，覆盖范围大，无通信盲区，具备独立的组网能力，不需要任何其他系统支持，架设与维护简便，是野外数据传输的理想通信系统，因此，本实施例中通过北斗通信卫星建立地面基站130a与遥测终端机之间的连接。

可选的，该悬索桥三位一体监测系统还包括：至少两个显示器，一个显示器通过视频传输标准(Video Graphics Array，VGA)端与下位机连接，另一个显示器通过VGA端与上位机连接。

综上所述，本公开实施例中提供的悬索桥三位一体监测系统，通过将用于采集悬索桥的监测数据的监测点设置在悬索桥上，利用监测点采集悬索桥的振动位移等信息，再通过数据采集发射系统用于对监测数据进行预处理，最后通过远程监控中心用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况，由于悬索桥的监测数据中至少包括该悬索桥的振动位移；解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

本实施例中，ZigBee是一种近距离、低功耗、双向无线通信技术，可将悬索桥长距离范围内的多个监测点构成测量网络，而卫星通信技术面向的是远距离通信，两者能够优势互补，通过ZigBee网络中心节点以卫星通信方式与监控中心进行数据传输，实现对悬索桥的在线实时监测预警。

本实施例中，本监测系统结构简捷可靠、安装灵活、操作使用方便、维护保养简单，使悬索桥监测预警工作的针对性、有效性、实用性增高，可广泛用铁路、大坝、长输管线、高压输电线等工程结构的监测预警。

在实际应用中，采用本实施里所涉及的悬索桥三位一体监测系统在湖北巴东县野三关镇的四渡河悬索桥进行了试验，该四渡河悬索桥大桥全长1365m，由长1105m的大桥和长228.9m的路基组成，大桥主跨为900m，桥面宽24.5m。其中，悬索桥三位一体监测系统中各个部件的具体为：

定位接收机为Trimble5800双频接收机，谐振加速度计为表面硅微单轴MEMS加速度计；振弦式应变计为VK-4100/4150点焊型应变计；终端节点为SZ06-2K-(01)无线数据采集模块；路由节点和中心协调器均包括SZ05-ADV无线串口模块；遥测终端机为H5110标准型遥测终端机。

经现场试验，本例提出的悬索桥三位一体监测系统以及悬索桥监测方法，通过对悬索桥开展振动位移、振动频率和悬索应力三种物理量的联合监测，可以综合反映悬索桥的健康状况，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度，同时采用ZigBee技术构建的无线网络系统，易于悬索桥三位一体监测数据的实时采集和近距离无线通信。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种悬索桥三位一体监测系统，其特征在于，所述系统包括：监测点、数据采集发射系统、远程监控中心；

所述监测点设置在悬索桥上；

所述监测点与所述数据采集发射系统建立无线连接；

所述数据采集发射系统通过北斗通信卫星与所述远程监控中心建立连接；

其中，所述监测点用于采集悬索桥的监测数据，所述监测数据至少包括振动位移，所述数据采集发射系统用于对所述监测数据进行预处理，所述远程监控中心用于对所述处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监测点包括定位接收机、谐振加速度计和振弦式应变计；

其中，所述定位接收机用于测量所述悬索桥的振动位移。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据采集发射系统包括终端节点、路由节点、中心协调器、下位机以及遥测终端机；

其中，所述终端节点通过输入/输出端口I/O端口分别与所述定位接收机、所述谐振加速度计和所述振弦式应变计连接，所述路由节点分别与所述终端节点和所述中心协调器建立无线连接，所述下位机通过RS485端口分别与所述中心协调器和所述遥测终端机连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述远程监控中心包括地面基站、卫星调制解调器以及上位机；

其中，所述地面基站通过北斗通信卫星与所述遥测终端机建立连接，所述卫星调制解调器的一端通过RS485端口与所述地面基站连接，另一端通过LAN端口与所述上位机连接。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述定位接收机设置在所述悬索桥的桥面上。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述谐振加速度计设置在所述悬索桥的桥梁上。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述振弦式应变计设置在所述悬索桥的悬索上。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电缆接线盒，所述电缆接线盒的一端分别与所述定位接收机、谐振加速度计和振弦式应变计连接，所述电缆接线盒的另一端通过I/O端口与所述终端节点连接。

9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述终端节点在所述悬索桥的桥梁上呈线性分布。

10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电缆接线盒，所述电缆接线盒的一端分别与所述定位接收机、所述谐振加速度计和所述振弦式应变计连接，所述电缆接线盒的另一端通过I/O端口与所述终端节点连接。