基于物聯網的橋梁健康監控系統設計與實現

祖巧紅， 張海峰， 徐興玉， 尹 瑩

（1. 武漢理工大學物流工程學院，湖北 武漢 430063；2. 武漢理工大學信息工程學院，湖北 武漢 430070）

基于物聯網的橋梁健康監控系統設計與實現

祖巧紅1， 張海峰1， 徐興玉1， 尹 瑩2

（1. 武漢理工大學物流工程學院，湖北 武漢 430063；2. 武漢理工大學信息工程學院，湖北 武漢 430070）

物聯網技術的研究和應用在各個領域都得到了蓬勃發展，主要針對橋梁健康安全隱患，設計、實現了一套基于物聯網技術的橋梁健康監控系統，并進行了實例驗證。通過物聯網技術對橋梁結構的拱肋變形、拱座水平相對位移、拱座不均勻沉降、主梁變形、吊桿系桿索力、拱肋主梁應變及環境信息進行實時智能采集與傳輸；研發了中間件套件，實現對橋梁結構實時信息的接收、存儲；通過可視化監控軟件進行遠程監控與預警，為橋梁監控、管理、養護提供決策依據，保證橋梁基礎設施的安全使用。論文結合物聯網技術在某大橋健康監控中的應用案例分析，是有益的探索。

物聯網；橋梁監測；實時監控；中間件

隨著交通行業的迅猛發展，基礎設施建設中的橋梁建設比重日益增大[1]。由于環境侵蝕、荷載效應、材料老化、疲勞等作用，作為重要的基礎設施，橋梁在運營過程中不可避免的發生損傷，極端情況下甚至會導致災難性的突發事故。由于傳統的橋梁安全監控方法不合理、監測儀器選用不當等主觀因素影響，橋梁運營過程中的實時監控效率大大降低，致使服役橋梁存在許多安全隱患[2]。近年，物聯網技術迅猛發展，并越來越多集成應用于基礎設施安全健康監控[3]，其中光纖光柵傳感及解調技術、通訊接口與數據傳輸技術、中間件技術、Web Service與數據可視化技術可以很好彌補傳統監控方法的實時性差、效率低、成本高、損耗大等缺點。通過系統集成，實現模塊間相互協同工作，構建了橋梁長期健康監控系統，為橋梁的管理、維護、運營提供有效決策支撐，保證橋梁正常安全作用。

1 橋梁健康監控系統中物聯網技術的應用

物聯網(Internet of Things)指的是將各種信息傳感設備與各種無線通信技術相結合，與互聯網進行深入廣泛的融合，從而實現物與物、人與人的規模互聯[4]。應用于橋梁健康監控系統中的物聯網技術主要有：光纖光柵傳感與解調技術、通訊接口與數據傳輸技術、中間件技術、Web Service與數據可視化分析技術。

1.1 光纖光柵傳感與解調技術

物聯網上部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內容和信息格式不同。傳感器獲得的數據具有實時性，按一定頻率周期性采集環境信息，不斷更新數據[5]。

光纖光柵傳感通過檢測每段光柵反射回來的光信號波長值變化，實現對被測參數的測量[6]，其中，一個波峰代表一個光纖光柵傳感器，可以在一條光纖上實現多點分布式測量。光纖光柵的反射波長受外界應力和溫度變化而變化，同時這種變化具有非常好的線性[7]。光纖光柵的反射波長對溫度和應變非常敏感，對溫度為10.3pm/oC，對應變為 1.2pm/με。在橋梁健康監控中用的傳感器主要是光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器除了具有傳統電類傳感器功能外，它還具有分布傳感、抗電磁干擾、精度高、長期穩性好、易于布設等優點。

1.2 通訊接口與數據傳輸技術

光纖傳輸是一種以光導纖維為介質，以光的形式進行的數據、信號傳輸方式，不僅可用來傳輸模擬信號和數字信號，而且可以滿足視頻傳輸的需求。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、抗干擾性強、安全性能高、體積小、重量輕等優點，所以在長距離傳輸和特殊環境等方面具有無法比擬的優勢。

全站儀與光纖光柵解調儀和服務器之間數據傳輸通訊接口采用的是RS-232-C， RS-232-C采用的是串行通訊方式，允許全雙工通訊，它因具有傳輸線少、成本低、配線簡單、數據傳輸穩定等優點而廣泛應用于計算機與終端通訊設備之間的通訊[8]。

1.3 中間件技術

在橋梁健康監控系統中，中間件在光纖光柵解調儀和數據傳輸處理服務器之間，主要任務是完成光纖光柵解調儀和系統應用程序之間的通訊。其基本原理是通過程序代碼調用計算機RS-232-C通信接口，將從串口獲取的數據字符串按照通訊協議進行數據解析、格式處理得到監測的物理數值，再將這些數值同時發送給實時監控程序和數據庫服務器以實現實時數據顯示和數據存儲。

1.4 Web Service與數據可視化分析技術

Web Service最大優勢是提供了異構平臺無縫銜接技術手段，它主要通過SOAP，即簡單對象訪問協議，實現不同系統間的通信[9]。它將程序對象編碼成為獨立與平臺XML對象的規則，執行遠程過程調用(RPC)的約定從而實現不同平臺、不同系統間通信。

數據可視化是關于數據之視覺表現形式的研究，旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息。其基本思想是將數據庫中每一個數據項作為單個圖元元素表示，大量數據集構成數據圖像，同時將數據各個屬性值以多維數據的形式表示，可以從不同維度觀察數據，從而對數據進行更深入觀察和分析。

2 基于物聯網的橋梁健康監控系統設計

2.1 基于物聯網的橋梁健康監控總體架構

橋梁健康監控系統是一個以橋梁結構為平臺，應用現代傳感技術、通信網絡技術和計算機技術，優化組合結構監控、環境監控、交通監控、設備監控、綜合報警、信息網絡分析處理各功能子系統為一體的綜合監控系統。

橋梁健康監控系統是通過全站儀技術、光纖光柵傳感及解調技術、中間件技術、可視化技術對橋梁結構的拱肋變形、拱座水平相對位移、拱座不均勻沉降、主梁變形、吊桿系桿索力、拱肋主梁應變及環境信息進行實時在線監測。同時與定期檢測系統、橋梁設計與荷載試驗資料庫協同作用，將定期巡檢相關信息以及橋梁設計與荷載試驗資料錄入該系統，形成綜合電子化管理，為橋梁管理、養護提供決策依據。其系統的總體架構圖如圖1所示。

圖1 橋梁健康監控總體架構圖

2.2 橋梁監控參數選取

在承載已定的情況下，反應拱橋健康狀況的因素主要包括拱肋、主梁和拉索三大部分的線形、截面應力（應變）、索力及溫度等。橋梁健康監控的參數和對應傳感器如表1所示。

表1 橋梁監控參數說明表

2.3 橋梁健康監控系統組成

系統采用模塊化設計，主要有信息采集模塊、信號解析與處理模塊、數據解析與實時監控、遠程狀態分析及預測模塊等組成。各模塊間采用光纖實現數據的雙向通信，保證現場采集數據的長距離不間斷傳輸及各功能模塊的故障檢測與維護。

2.3.1 信息采集模塊

信息采集模塊是通過全站儀和有光纖光柵傳感器組成的傳感網絡對橋梁的風、浪、冰、車輛荷載等的環境量，應力、變形、裂紋、疲勞損傷、反力等局部量及動力特性和狀態反應等整體量進行監測。針對不同監控內容在特定位置布置全站儀以及特定傳感器，在滿足條件情況下最大程度的減少監控點以降低成本投入。

2.3.2 信號解析與處理模塊

信號解析與處理的主要內容是通過光纖光柵解調儀對傳感元件發回的光波信號智能解析轉化為物理變化量，并將物理變化量以特定的協議處理打包，通過RS-232通訊接口發送至服務器。

2.3.3 數據解析與實時監控模塊

通過中間件軟件套件，將下位機，即光纖光柵解調儀和全站儀通過RS-232-C通訊接口發送的數據按照特定的協議解析成應力、溫度、位移量等信息并存入數據庫服務器以實現數據融合。采用報表、圖形等多種形式將實時數據、安全評估報告、預警信息展示給監測人員。

2.3.4 遠程狀態分析及預測模塊

通過Web Service技術將橋梁健康監控信息部署至Web網絡，供不同平臺、語言和通訊協議調用，形成一系列支持多終端，多操作系統并具有數據統計分析、及時預警、橋梁健康安全預測功能的遠程監控軟件，使橋梁監管人員可以隨時隨地通過不同終端查看橋梁當前狀態，對異常狀況采取對應措施，并依據對歷史數據的統計分析預測橋梁健康狀況。

3 基于物聯網的橋梁監控系統實現實例

某大橋為典型的鋼混拱橋結構，總長約為2.5km，橋梁設計總長為712m，主橋215m。主橋上部結構采用鋼管拱混凝土，下部結構基礎采用鉆孔灌注樁，引橋上部結構采用30m箱梁，下部結構基礎采用鉆孔灌注樁，柱式墩。拱橋是由活載分布構件、傳遞構件以及承重構件組成的三元構件，在結構上較為復雜。其中拱肋是主要承重構件，主要承受壓力；橋面、橫梁、縱梁等為活載分布構件直接承受了交通荷載；吊桿則是前兩者聯系的傳遞構件，主要是將橋面荷載、橫梁自重、交通荷載等傳遞給拱肋。

系統的實現主要包括設備選型、全站儀與傳感器布置、服務器配置、軟件開發與部署幾個步驟。限于篇幅，下面介紹其主要部分。

3.1 全站儀與傳感器布置

3.1.1 全站儀布置

全站儀能同時觀測測點的三維坐標，從而得到水平、垂直位移量，是一種靈活方便、高效經濟的觀測手段，對橋梁變形觀測能收到事半功倍之效。該大橋變位監測具有范圍廣、目標點數多、重復觀測、精度要求高等特點，基于這些特點，系統選用智能型全站儀自動完成觀測和通信任務。在觀測任務中，全站儀的機載程序驅動馬達掃描監測對象，自動識別布設在監測對象上的棱鏡并照準，然后完成測量并記錄下棱鏡中心的三維坐標。在通信任務中，觀測數據以無線傳輸方式發送給中控站數據服務器，由數據服務器將觀測數據推送到監視系統和分析系統。

為保證測量精度全站儀基站與測點最遠距離不能超過 500m。為了充分發揮全站儀一部儀器觀測任意多點能力，全站儀基站位置應能夠觀察到盡可能多的橋梁構件，亦即應盡可能避免前方構件遮擋后方構件。

全站儀具有觀測任意多個不同位置三維坐標的能力，可以設置足夠多的測點，準確地獲取主梁和拱肋的變形。圖2所示為與全站儀基站臨近一側拱座、主梁和拱肋上測點布設，在其他拱肋和主梁上測點布置依據通視條件而定。

圖2 結構變位監測項觀測點的位置

3.1.2 傳感器布置

將加速度傳感器安裝在上行側主橋吊索上，總計8個傳感器分布于2片拱肋上。其中內側拱肋安裝在1/4跨、1/2跨、3/4跨處吊桿和兩側的最短吊桿共5個位置處；外側拱肋只安裝在1/4跨、1/2跨和一側的最短吊桿共3個位置處。加速度傳感器連同保護盒用卡箍固定在吊桿底部，距離橋面1-2米處。

只選擇上行側主橋布置溫度和應變傳感器。從節約成本的角度考慮，重點監測兩片拱肋中的內側拱肋，兼顧外側拱肋。溫度和應變傳感器布設截面選擇在跨中橋面斷面、跨中橫梁斷面、拱肋的拱頂斷面、1/4跨斷面和兩邊的拱腳斷面。

3.2 軟件開發與部署

軟件系統包含C/S（客戶機/服務器架構）模式實時監控系統和B/S（瀏覽器/服務器架構）模式遠程分析與預測系統，軟件系統均在微軟的.NET Framework 4.0平臺下編寫，采用模塊化開發，應用分層架構使整個系統更符合軟件開發的“高內聚，低耦合”的思想。C/S實時監控系統安裝在特設的監控室內，有監控人員通過系統可視化界面與預警子系統實時監測橋梁狀態。C/S系統需要與硬件相連，只限于在特定監控室中使用，無法達到終端遠程監控，因此，設計開發基于Web的B/S遠程分析與預測系統。

作為橋梁健康監測信息交互平臺，應用系統滿足可用性、實用性和可靠性；應用系統具有完備的擴展功能，為系統今后功能擴展、升級留有接口，并有利于系統的推廣應用；采用 B/S與C/S兩種結構綜合設計整個監控系統，既可以滿足實時監控的實時性、可控性，又能達到遠程隨時隨地查看橋梁安全狀態，可視化分析與預測的目的。依據系統整體架構設計出相應功能模塊，B/S軟件系統界面首頁截圖如圖3所示。

圖3 橋梁監控系統運行界面圖

4 結 論

把物聯網應用到橋梁健康監控中，為橋梁健康監控和安全評價注入了新的活力。本文將多種物聯網技術集成應用到橋梁健康監控系統中，采用模塊化設計，實現對橋梁長期健康監控。同時與定期檢測系統、橋梁設計與荷載試驗資料庫協同作用，將定期巡檢相關信息以及橋梁設計與荷載試驗資料錄入該系統，形成綜合電子化管理，為橋梁管理、養護提供決策依據。

[1] 陳善棠. 基于光纖傳感網絡的橋梁實時監測系統研究[J]. 公路交通科技, 2010, (11): 37-39.

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[3] 劉 軍, 童杏林, 梁 磊. 高性能橋梁長期健康監測系統與集成研究[J]. 武漢理工大學學報, 2009, 31(3): 52-56.

[4] 祖巧紅. 物流信息系統[M]. 武漢: 武漢大學出版社, 2011.

[5] 沙占有. 智能化集成溫度傳感器原理與應用[M].北京: 機械工業出版社, 2002.

[6] 劉 軍. 橋梁長期健康監測系統集成與設計研究[D].武漢: 武漢理工大學, 2010.

[7] 姚 娟, 姜德生, 何 偉. 光纖光柵位移傳感技術研究[J]. 武漢理工大學學報信息與管理工程版, 2006, 28(7): 98-100.

[8] 張自嘉. 光纖光柵理論基礎與傳感技術[M]. 北京: 科學出版社, 2009.

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The Design and Implement of Bridge Health Monitoring System Based on Internet of Things

Zu Qiaohong1, Zhang Haifeng1, Xu Xingyu1, Yin Ying2
( 1. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan hubei 430063, China; 2. School of Information Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan hubei 430070, China )

The research and application of Internet of Things (IOT) technology have been developed vigorously in various fields. Regarding to the hidden safety trouble of bridge health, a set of bridge health monitoring systems are designed and implemented based on IOT technology, which are verified by an example. IOT technology is adopted to realize real-time intelligent acquisition and transmission of the bridge structure’s arch rib deformation, abutment level relative displacement, abutment uneven settlement, girder deformation, cable force of the booms and bars, strain of the arch rib and girder and environmental information. A middleware software suite is developed to realizethe real-time receiving and storage of the bridge structure’s information. The visual monitoring software is used to realize remote monitoring and early warning, which provides the decision basis of the bridge monitoring, management and maintenance and guarantees the safe use of the bridge foundation facilities. A case analysis of the application of IOT technology in health monitoring of a river bridge is givenas a beneficial exploration.

internet of things; bridge monitoring; real time monitoring; middleware software

TP 391

A

2095-302X (2013)05-0007-05

2013-05-14；定稿日期： - -

祖巧紅（1971-），女，河南鞏義人，副教授，博士，碩士研究生導師，主要研究方向為物聯網、數據挖掘。

E-mail：zuqiaohong@foxmail.com