基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統及方法
2023-08-04 08:31:16
專利名稱：基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統及方法
技術領域：
本發明涉及橋梁健康實時監測技術領域，具體涉及一種基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統及方法。
背景技術：
隨著交通運輸事業的快速發展，各種大型橋梁在交通工程中的重要性日益突出。 目前，已建成的許多橋梁進入了養護維修階段，我國橋梁總數的40%已屬「老齡」橋梁。國內橋梁突發性、災難性事故日益增多，給人民生命財產造成了嚴重損失。為了預防災難性事件的發生，對大型橋梁進行系統的監測，以實現預測、預報事故，防止災害的發生，成為保證交通安全的重大課題。長期以來，對於橋梁的安全檢測一直以人工方法為主。人工檢測不僅需要大量的人力物力，而且不能及時發現問題，不能完全滿足橋梁安全需要。橋梁健康實時監測系統採用應變、加速度等力學傳感器，以及溫度、溼度等環境傳感器構成傳感網絡，通過現代通信技術將採集信息實時傳輸到信息中心分析和處理，從而實現對橋梁健康狀況的實時監測、分析、評估，以及危險橋梁的及時預警。目前，國內外大型橋梁健康監測系統多針對單個橋梁進行數據採集與檢測，由於測點眾多且分布分散，彼此之間相距甚遠，且數據傳輸多通過有線網絡完成，不僅安裝布線麻煩、成本高，而且也難以實現對多個大型橋梁(橋梁集群)健康狀況的同時監測。隨著中國第三代移動通信技術的發展，中國標準的TD-SCDMA無線網絡已經覆蓋北京、天津、上海、青島、秦皇島、瀋陽、深圳和廣州等十多個大中型城市，隨著運營商的不斷建設，TD-SCDMA、CDMA2000等第3代、第4代無線移動通信技術具有更為優秀的數據傳輸帶寬，能滿足橋梁健康監測系統數據傳輸的需求，且網絡覆蓋面積在不斷增大與完善。無線通信技術的迅猛發展，為集群式橋梁健康監測提供了良好的通信網絡基礎。本發明將無線通信技術運用於橋梁健康監測系統中，通過軟體和硬體的自主開發，實現集群式橋梁健康實時監測系統。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中的不足之處，提供一種基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，本系統採用在具體橋梁安裝橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，在後臺安裝橋梁健康實時監測中心，並採用無線通信技術來實現橋梁健康狀態數據採集與處理子系統與橋梁健康實時監測中心之間的數據傳輸，從而降低了施工難度與成本， 監測點的布置更為靈活。本發明目的還在於提供上述基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統的實現方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，包括
設置於橋梁上的橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，用於實時採集橋梁的健康狀態參數並生成橋梁健康監測數據，採用無線方式上傳至橋梁健康實時監測中心設置於後臺的橋梁健康實時監測中心，用於接收橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據，並藉此得出健康狀態評估、比較及壽命預測，以及橋梁維護保養策略；本基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統包括多個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，各子系統均通過無線方式與橋梁健康實時監測中心進行數據傳輸。 以此實現集群式橋梁健康實時監測。所述橋梁健康狀態數據採集與處理子系統與橋梁健康實時監測中心之間的通信方式優選TDSCDMA、CDMA2000等3G無線通信技術。具體採用的通信方式，可根據橋梁、監測中心所在區域的具體通信方式的信號覆蓋面積與信號強度選擇。具體的實現方案是所述橋梁健康狀態數據採集與處理子系統設置有橋梁環境監測子系統，實時測量橋梁環境參數，包括風向風速、溫溼度、海水鹽度
等等；橋梁整體變形監測子系統，測量橋梁整體結構形變參數；橋梁結構應力應變監測子系統，結構的動靜態應力應變參數；數據預處理與無線發送系統，按照測量橋梁環境參數、橋梁整體結構形變參數、結構的動靜態應力應變參數等各種不同參數的採集頻率要求，對原始參數進行平滑濾波處理，經整理後，形成橋梁健康監測數據存儲到新建的數據存儲表，通過無線方式定期將橋梁健康監測數據發送到集群式橋梁健康監測中心。具體的，所述橋梁環境監測子系統設置有風向風速傳感器、溫溼度傳感器、海水鹽度傳感器等；所述橋梁整體變形監測子系統設置有GPS變形測量系統；測量橋梁整體結構形變所述橋梁結構應力應變監測子系統設置有電阻式應力應變傳感系統或者光纖光柵傳感系統，均用於結構的動靜態應力應變參數，通過對結構動應力應變的監測，可以較好地掌握橋梁的受動態荷載(車輛、地震、颱風)下結構的響應。所述數據預處理與無線發送系統設置有ARM9微處理器，用於按照測量橋梁環境參數、橋梁整體結構形變參數、結構的動靜態應力應變參數等各種不同參數的採集頻率要求，對原始參數進行平滑濾波處理，經整理後，形成橋梁健康監測數據存儲到數據存儲表；無線通信模塊，用於將數據存儲表中的橋梁健康監測數據發送到橋梁健康實時監測中心。所述風向風速傳感器、溫溼度傳感器、海水鹽度傳感器分別通過A/D轉換模塊與 ARM9微處理器相連接，所述無線通信模塊通過RS485接口與ARM9微處理器相連接，所述 GPS變形測量系統通過RS485接口與ARM9微處理器相連接，當所述橋梁結構應力應變監測子系統設置有電阻式應力應變傳感系統時，電阻式應力應變傳感系統通過RS485接口與 ARM9微處理器相連接，當所述橋梁結構應力應變監測子系統設置有光纖光柵傳感系統時，光纖光柵傳感系統通過TCP/IP網絡接口與ARM9微處理器相連接。所述電阻式應力應變傳感系統包括應力應變儀、應力傳感器、應變傳感器，應力傳感器、應變傳感器均與應力應變儀相連接。所述光纖光柵傳感系統包括光纖光柵解調儀、應力傳感器、應變傳感器，應力傳感器、應變傳感器均與光纖光柵解調儀相連接。優選的，所述無線通信模塊採用3G無線通信模塊。所述橋梁健康實時監測中心設置有橋梁結構分析模型，用於將每個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據輸入到對應橋梁的結構模型，計算得出在當前環境及受力狀態下不同橋梁的橋梁健康指標參數，包括結構變形、結構疲勞狀態、結構動態響應等；集群式橋梁健康監測分析系統，根據橋梁結構分析模型得出的各個橋梁健康指標參數，通過橋梁設計指標、相關橋梁規範的對比、分析，以及相似環境不同結構橋梁、相似結構不同環境橋梁健康狀態的對比性分析，分別得出所監測橋梁集群的健康狀態、壽命預測， 以及統籌的維護保養策略和措施。上述基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統的實現方法，步驟如下橋梁健康狀態數據採集與處理子系統實時採集橋梁的健康狀態參數並生成橋梁健康監測數據，採用無線方式上傳至橋梁健康實時監測中心；橋梁健康實時監測中心接收多個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據，並藉此得出健康狀態評估、比較及壽命預測，以及橋梁維護保養策略。本發明相比現有技術具有以下優點及有益效果本發明基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，本系統採用在具體橋梁安裝橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，在後臺安裝橋梁健康實時監測中心，並採用無線通信技術來實現橋梁健康狀態數據採集與處理子系統與橋梁健康實時監測中心之間的數據傳輸，從而降低了施工難度與成本，監測點的布置更為靈活。而且，可以設置多個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，各子系統均通過無線方式與橋梁健康實時監測中心進行數據傳輸。以此實現集群式橋梁健康實時監測。通過集群式橋梁健康監測，可實現對散布在較大區域內的多座橋梁健康狀態數據的橫向比較、統一管理、徹底改變了以往單座橋梁健康監測系統彼此之間無法實現信息共享的「信息孤島」局面，既便於對多座橋梁的統一維護、管理，也便於對區域環境內多座橋梁健康狀況的縱向、橫向分析比較與研究。
圖1是實施例中基於3G通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統的整體結構示意圖；圖2是實施例中數據採集與處理子系統的結構示意圖；圖3是實施例中橋梁健康實時監測中心的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。如圖1所示，包括設置於橋梁(1、2. . . η)上的橋梁健康狀態數據採集與處理子系統；設置於後臺的橋梁健康實時監測中心；各子系統均通過3G無線網絡與橋梁健康實時監測中心進行數據傳輸。如圖2所示，橋梁健康狀態數據採集與處理子系統設置有橋梁環境監測子系統，設置有風向風速傳感器、溫溼度傳感器、海水鹽度傳感器等，實時測量橋梁環境參數，包括風向風速、溫溼度、海水鹽度等等；橋梁整體變形監測子系統，設置有GPS變形測量系統，測量橋梁整體結構形變參數；橋梁結構應力應變監測子系統，設置有電阻式應力應變傳感系統或者光纖光柵傳感系統，均用於結構的動靜態應力應變參數，通過對結構動應力應變的監測，可以較好地掌握橋梁的受動態荷載(車輛、地震、颱風)下結構的響應；數據預處理與無線發送系統，按照測量橋梁環境參數、橋梁整體結構形變參數、結構的動靜態應力應變參數等各種不同參數的採集頻率要求，對原始參數進行平滑濾波處理，經整理後，形成橋梁健康監測數據存儲到新建的數據存儲表，通過無線方式定期將橋梁健康監測數據發送到集群式橋梁健康監測中心。設置有ARM9微處理器，用於按照測量橋梁環境參數、橋梁整體結構形變參數、結構的動靜態應力應變參數等各種不同參數的採集頻率要求，對原始參數進行平滑濾波處理，經整理後，形成橋梁健康監測數據存儲到數據存儲表；3G無線通信模塊，用於將數據存儲表中的橋梁健康監測數據發送到橋梁健康實時監測中心。所述風向風速傳感器、溫溼度傳感器、海水鹽度傳感器分別通過A/D轉換模塊與 ARM9微處理器相連接，所述無線通信模塊通過RS485接口與ARM9微處理器相連接，所述 GPS變形測量系統通過RS485接口與ARM9微處理器相連接，當所述橋梁結構應力應變監測子系統設置有電阻式應力應變傳感系統時，電阻式應力應變傳感系統通過RS485接口與 ARM9微處理器相連接，當所述橋梁結構應力應變監測子系統設置有光纖光柵傳感系統時， 光纖光柵傳感系統通過TCP/IP網絡接口與ARM9微處理器相連接。所述電阻式應力應變傳感系統包括應力應變儀、應力傳感器、應變傳感器，應力傳感器、應變傳感器均與應力應變儀相連接。所述光纖光柵傳感系統包括光纖光柵解調儀、應力傳感器、應變傳感器，應力傳感器、應變傳感器均與光纖光柵解調儀相連接。如圖3所示，所述橋梁健康實時監測中心設置有橋梁結構分析模型，用於將每個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據輸入到對應橋梁的結構模型，計算得出在當前環境及受力狀態下不同橋梁的結構變形、結構疲勞狀態、結構動態響應等橋梁健康指標參數；集群式橋梁健康監測分析系統，根據橋梁結構分析模型得出的各個橋梁健康指標參數，通過橋梁設計指標、相關橋梁規範的對比、分析，以及相似環境不同結構橋梁、相似結構不同環境橋梁健康狀態的對比性分析，分別得出所監測橋梁集群的健康狀態、壽命預測， 以及統籌的維護保養策略和措施。
上述基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統的實現方法，步驟如下橋梁健康狀態數據採集與處理子系統實時採集橋梁的健康狀態參數並生成橋梁健康監測數據，採用無線方式上傳至橋梁健康實時監測中心；橋梁健康實時監測中心接收多個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據，並藉此得出健康狀態評估、比較及壽命預測，以及橋梁維護保養策略；以下將本發明與現有橋梁健康檢測系統做詳細對比一、單座橋梁健康狀態數據採集與處理子系統與傳統基於工業控制計算機的數據處理中心的區別在於1.傳統做法為將數據採集、處理、橋梁健康分析系統集中在一臺工控機中，由一臺工控機處理單座橋梁的健康監測數據，並給出橋梁健康評價和維護策略。本系統將數據採集與處理系統與橋梁健康分析系統分開，採用ARM嵌入式中心處理單元代替傳統的基於工業控制計算機的數據採集與處理系統，多座橋梁的健康分析則集中於集群式橋梁健康監測中心中進行處理。一方面，通過將數據採集、處理系統與橋梁結構健康分析系統分開，有利於集群式橋梁健康檢測數據的集中分析、相同河流不同結構或相似結構不同環境橋梁結構的類比分析，以及多座橋梁維護策略的統一協調、調配；另一方面，用體積較小的嵌入式系統取代了傳統的工業計算機，設備安裝、維護更為便捷。2.傳統做法多採用有線網絡實現橋梁監測傳感系統與健康監測系統的連接。本系統通過在ARM嵌入式中心處理單元安裝3G無線模塊的方式，以3G無線傳輸方式替代的傳統的有線傳輸方式，可節約大量綜合布線和檢修成本。3.在採用ARM微處理器和3G網絡將數據採集處理系統與健康分析系統分開處理後，需要重新編寫基於嵌入式處理系統的原始數據濾波處理、數據存儲程序，以形成比較完備的橋梁健康監測數據。該種基於嵌入式處理系統的數據處理程序與傳統數據處理、濾波、 分析、給出健康評價和維護策略基於計算機的程序完全不同。二、集群式橋梁健康監測中心與傳統系統的不同之處在於1.該中心可同時顯示、分析多座橋梁的健康監測狀況，便於決策者根據不同的經費預算，優化統籌區域內的橋梁集群維護保養。2.通過集群式橋梁健康監測，可實現對散布在較大區域內的多座橋梁健康狀態數據的橫向比較、統一管理、徹底改變了以往單座橋梁健康監測系統彼此之間無法實現信息共享的「信息孤島」局面，更便於對區域內相似環境、不同結構橋梁或不同環境、相似結構橋梁健康狀況的縱向、橫向分析比較與研究，從而有利於促進橋梁結構的優化設計，並實現多座橋梁的優化維養。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，其特徵在於，包括設置於橋梁上的橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，用於實時採集橋梁的健康狀態參數並生成橋梁健康監測數據，採用無線方式上傳至橋梁健康實時監測中心；設置於後臺的橋梁健康實時監測中心，用於接收橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據，並藉此得出健康狀態評估、比較及壽命預測，以及橋梁維護保養策略；本基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統包括多個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，各子系統均通過無線方式與橋梁健康實時監測中心進行數據傳輸。
2.根據權利要求1所述的基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，其特徵在於所述橋梁健康狀態數據採集與處理子系統與橋梁健康實時監測中心之間的通信方式為3G通信方式。
3.根據權利要求1所述的基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，其特徵在於，所述橋梁健康狀態數據採集與處理子系統設置有橋梁環境監測子系統，實時測量橋梁環境參數，包括風向風速、溫溼度、海水鹽度； 橋梁整體變形監測子系統，測量橋梁整體結構形變參數； 橋梁結構應力應變監測子系統，結構的動靜態應力應變參數； 數據預處理與無線發送系統，按照測量橋梁環境參數、橋梁整體結構形變參數、結構的動靜態應力應變參數等各種不同參數的採集頻率要求，對原始參數進行平滑濾波處理，經整理後，形成橋梁健康監測數據存儲到新建的數據存儲表，通過無線方式定期將橋梁健康監測數據發送到集群式橋梁健康監測中心。
4.根據權利要求3所述的基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，其特徵在於，所述橋梁環境監測子系統設置有風向風速傳感器、溫溼度傳感器、海水鹽度傳感器；所述橋梁整體變形監測子系統設置有GPS變形測量系統，測量橋梁整體結構形變； 所述橋梁結構應力應變監測子系統設置有電阻式應力應變傳感系統或者光纖光柵傳感系統，均用於結構的動靜態應力應變參數。
5.根據權利要求4所述的基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，其特徵在於，所述數據預處理與無線發送系統設置有ARM9微處理器，用於按照測量橋梁環境參數、橋梁整體結構形變參數、結構的動靜態應力應變參數等各種不同參數的採集頻率要求，對原始參數進行平滑濾波處理，經整理後，形成橋梁健康監測數據存儲到數據存儲表；無線通信模塊，用於將數據存儲表中的橋梁健康監測數據發送到橋梁健康實時監測中心。
6.根據權利要求1至5任一項所述的基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，其特徵在於所述橋梁健康實時監測中心設置有橋梁結構分析模型，用於將每個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據輸入到對應橋梁的結構模型，計算得出在當前環境及受力狀態下不同橋梁的橋梁健康指標參數，包括結構變形、結構疲勞狀態、結構動態響應；集群式橋梁健康監測分析系統，根據橋梁結構分析模型得出的各個橋梁健康指標參數，通過橋梁設計指標、相關橋梁規範的對比、分析，以及相似環境不同結構橋梁、相似結構不同環境橋梁健康狀態的對比性分析，分別得出所監測橋梁集群的健康狀態、壽命預測，以及統籌的維護保養策略和措施。
7.根據權利要求1所述的基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統的實現方法，其特徵在於，步驟如下橋梁健康狀態數據採集與處理子系統實時採集橋梁的健康狀態參數並生成橋梁健康監測數據，採用無線方式上傳至橋梁健康實時監測中心；橋梁健康實時監測中心接收多個橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據，並藉此得出健康狀態評估、比較及壽命預測，以及橋梁維護保養策略。
全文摘要
本發明提供一種基於無線通信技術的集群式橋梁健康實時監測系統，包括設置於各個橋梁上的橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，設置於後臺的橋梁健康實時監測中心，用於接收橋梁健康狀態數據採集與處理子系統上傳的橋梁健康監測數據，並藉此得出健康狀態評估、比較及壽命預測，以及橋梁維護保養策略；各子系統均通過無線方式與橋梁健康實時監測中心進行數據傳輸。本系統採用在具體橋梁安裝橋梁健康狀態數據採集與處理子系統，在後臺安裝橋梁健康實時監測中心，並採用無線通信技術來實現子系統與橋梁健康實時監測中心之間的數據傳輸，從而降低了施工難度與成本，監測點的布置更為靈活。
文檔編號G01B21/32GK102162773SQ201010604298
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月24日 優先權日2010年12月24日
發明者陳偉, 陳 峰 申請人:廣州工程總承包集團有限公司