基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

蘇 遠，唐振宇，馬理鏡

（江蘇大學(xué) 計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

橋梁作為一種必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施遍布世界各地，我國的橋梁分布十分廣泛，由于受到環(huán)境和超載車輛的影響，每年都會有大量的橋梁坍塌事故發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計平均不到兩個月就會有一起橋梁坍塌事故發(fā)生，并且橋梁事故逐年增長，因而，對橋梁進行安全監(jiān)測具有重要意義[1]。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是通過互聯(lián)網(wǎng)將用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，然后進行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念[2]。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)是一種由大量傳感器節(jié)點組織而成的自適應(yīng)性無線網(wǎng)絡(luò)，是目前興起的一種全新的網(wǎng)絡(luò)化信息采集傳輸和處理技術(shù)，由于其具有低功耗、自組織網(wǎng)等特性，無需布線，實施方便，特別適用于工業(yè)級的數(shù)據(jù)監(jiān)測應(yīng)用[3]，同時傳感器節(jié)點成本低廉，可以實現(xiàn)對橋梁大范圍部署，保證數(shù)據(jù)采集的廣度和精度，為橋梁安全監(jiān)測和預(yù)警提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4-5]。

針對目前橋梁安全監(jiān)測的應(yīng)用需求，提出以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在感知節(jié)點和匯聚節(jié)點上安裝特殊的傳感器元件，用于提取外界的物理信息。傳感器采集的數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再發(fā)送到橋梁基站中。基站服務(wù)器對獲取的數(shù)據(jù)進行分析處理，以可視化的方式展示給用戶，實現(xiàn)橋梁的遠程實時監(jiān)控和預(yù)警。

1 橋梁監(jiān)測因素及傳感器布點

本節(jié)首先給出橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器布點模型，然后描述了監(jiān)測中涉及到的具體內(nèi)容。圖1為橋梁監(jiān)測傳感器布點圖，一般包含過載監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、索力監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、變形監(jiān)測以及振動監(jiān)測六項內(nèi)容[6-7]。

圖1 橋梁傳感器布點圖Fig.1 Location of the sensors on the bridge

表1中給出了橋梁的具體監(jiān)測項和對應(yīng)的監(jiān)測儀器。橋梁損壞的一個重要原因是行駛車輛超載，如哈爾濱陽明灘大橋坍塌事故。因而，監(jiān)測橋梁過載車輛，可有效避免危險事故的發(fā)生。環(huán)境監(jiān)測主要用于跟蹤橋梁周圍的風(fēng)速、水位、溫度等信息，溫度還可用于應(yīng)力應(yīng)變的溫補計算。橋梁的吊桿作為局部受力構(gòu)件，可以采用磁通量法和振動法綜合進行監(jiān)測[8]。應(yīng)力監(jiān)測用于測量承力構(gòu)件的受力狀態(tài)，并及時診斷橋梁的病害，對橋梁結(jié)構(gòu)進行疲勞分析。橋梁變形監(jiān)測主要包括基礎(chǔ)沉降、橋梁撓度等，通過該監(jiān)測項可以從整體上把握橋梁健康和安全狀態(tài)。振動監(jiān)測用于得出橋梁的階頻，其是反映橋梁動力特性的直接參數(shù)，通過研究這些參數(shù)可以確定橋梁的整體結(jié)構(gòu)特征，為橋梁日常維護提供依據(jù)。

表1 橋梁監(jiān)測內(nèi)容及布點Tab.1 Monitoring content and location on the bridge

2 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，整個橋梁監(jiān)控系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示3個部分。數(shù)據(jù)采集層是由一個自適應(yīng)自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，該傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含多種帶ZigBee無線通信功能的傳感器節(jié)點和少數(shù)匯聚節(jié)點，無線傳感器節(jié)點依靠電池和太陽能板供電，將采集的數(shù)據(jù)通過無線多跳的方式發(fā)生到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再通過有線方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到橋梁的基站。

數(shù)據(jù)分析層包含多臺服務(wù)器，文件存儲服務(wù)器上運行著一套數(shù)據(jù)采集程序，用于從集線器獲取所有原始數(shù)據(jù)。SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上運行著一套數(shù)據(jù)分析程序，數(shù)據(jù)分析軟件對原始數(shù)據(jù)進行分析計算，并將結(jié)果轉(zhuǎn)存到SQLServer數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)展示層主要用于向工作人員展示橋梁的狀態(tài)信息，基站的web服務(wù)器上部署了一套橋梁監(jiān)測網(wǎng)站，其調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)接口，并向外提供web服務(wù)。用戶可以通過電腦或者移動終端來瀏覽查詢橋梁健康數(shù)據(jù)，當(dāng)橋梁存在安全異常時，系統(tǒng)會通過短信模塊發(fā)送預(yù)警信息給工作人員。

圖2 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of bridge monitoring system

3 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 用戶側(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)用戶側(cè)功能如圖3所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)展示與分析主要用于展示實時數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和對比功能。數(shù)據(jù)告警管理包含告警閾值配置、告警展示處理以及短信預(yù)警功能，其用于通知工作人員橋梁的危險狀態(tài)。系統(tǒng)智能評分主要用于展示各監(jiān)測項的評分以及橋梁整體評分，數(shù)據(jù)報表功能為日常的運營維護提供存檔和依據(jù)，系統(tǒng)設(shè)備管理還可跟蹤各個傳感器的工作狀態(tài)，便于及時發(fā)現(xiàn)損壞的設(shè)備。

圖3 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊Fig.3 Function modules of bridge monitoring system

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件框架和流程

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)軟件框架如圖4所示，包含數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、以及用戶側(cè)模塊。其采用C#開發(fā)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫采用SQLServer，軟件運行在橋梁監(jiān)測基站服務(wù)器上。

圖4 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)軟件框架Fig.4 Software framework of bridge monitoring system

圖5 為軟件處理流程，軟件啟動后先初始化采集層的采集儀器和數(shù)據(jù)接收進程，然后發(fā)送采集命令，采集儀通過匯聚節(jié)點以ZigBee通信方式轉(zhuǎn)發(fā)命令給傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點開始工作。系統(tǒng)通過TCP/IP的方式接收采集層的數(shù)據(jù)，通信過程中加入心跳機制，便于及時判斷節(jié)點是否死亡。數(shù)據(jù)接收采用異步通信加線程池的方式管理，異步接收線程將獲取的數(shù)據(jù)包存放到開辟的隊列中，預(yù)處理線程按照通信協(xié)議循環(huán)對隊列進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、去噪和修正，并將修正結(jié)果轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫，然后以消息方式通知分析進程。分析進程根據(jù)消息類型，啟動相應(yīng)的方式分析數(shù)據(jù)庫中的預(yù)處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)中設(shè)置一個定時器用以判斷數(shù)據(jù)庫中是否存在新接收的預(yù)處理數(shù)據(jù)，以驗證數(shù)據(jù)接收線程是否發(fā)生異常。在數(shù)據(jù)庫中，每個監(jiān)測項都設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警閾值，通過觸發(fā)器的方式實現(xiàn)預(yù)警，數(shù)據(jù)庫中的結(jié)果采用webapi和SignalR技術(shù)向前端推送數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的實時性。

圖5 軟件處理流程Fig.5 Flow chart of software processing

軟件設(shè)計以插件的方式實現(xiàn)，其包含了各類監(jiān)測項的數(shù)據(jù)分析方法，便于系統(tǒng)的擴展和維護，這里給出振動處理類的部分實現(xiàn)代碼如下：

4 實驗結(jié)果和分析

為了驗證本文中橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和可靠性，對一橋梁進行了系統(tǒng)的實施部署，用以監(jiān)測整個橋梁的環(huán)境和自身結(jié)構(gòu)狀態(tài)，系統(tǒng)運行拓撲圖如6所示。拓撲圖采用svg矢量圖的方式實現(xiàn)，橋梁模型圖上標記了各個傳感器的類型和布點位置，鼠標停留會自動展示出該測點的數(shù)據(jù)信息。

圖6 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)運行效果Fig.6 Running effect of the bridge monitoring system

工作人員可以查看各個監(jiān)測項的歷史數(shù)據(jù)信息，圖7為橋梁周圍的溫濕度監(jiān)測結(jié)果，其表明周圍的溫濕度隨著晝夜的變化而改變，系統(tǒng)有效跟蹤展示了環(huán)境監(jiān)測因素。

圖7 溫濕度監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Monitoring results of temperature and humidity

如圖8所示，應(yīng)力應(yīng)變測量結(jié)果展示橋梁構(gòu)件的受力隨時間變化趨勢，其表明隨著時間和車流量的改變，該構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)出周期性變化，但其始終處于安全狀態(tài)，也表明了橋梁的安全性。經(jīng)過初步運行試驗，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)持續(xù)可靠。

圖8 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果Fig.8 Monitoring results of stress and strain

5 結(jié) 論

文中研究設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取代了現(xiàn)有的各種有線傳感器。首先給出了橋梁的監(jiān)測因素和傳感器布點，然后詳細闡述了系統(tǒng)的整體架構(gòu)和軟件框架設(shè)計。該系統(tǒng)具有部署迅速、自動監(jiān)測、成本低廉等顯著優(yōu)點，初步試驗表明，系統(tǒng)已達到預(yù)期效果，具有較高的應(yīng)用價值和實際意義。

[1]Xiao C，Zhou C，Liu Z H，et al.Bridge vibration and cable force monitoring system integration[J].Applied Mechanics and Materials，2014，501:885-891.

[2]Li Y，Wei H.Research of sensor fault identification and warning in the urban bridge cluster monitoring system[J].Bridges，2014，10:64-71.

[3]Jara A J，Zamora-Izquierdo M A， Skarmeta A F.Interconnection framework for mHealth and remote monitoring based on the internet of things[J].Selected Areas in Communications， IEEE Journal on，2013，31（9）:47-65.

[4]Sui L Y，Chen Z H，Li W，et al.Study on Monitoring and Safety Early Warning Technology of Bridge Health Based on Internet of Things Technology[C]//Applied Mechanics and Materials，2014，556:5994-5998.

[5]Yen C I，Huang C K，Lee W F，et al.Application of a hightech bridge safety system in monitoring the performance of Xibin Bridge[J].Proceedingsof the ICE-Forensic Engineering，2014，167（1）:38-52.

[6]卜范玉，王鑫，趙亮，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁壓力信息采集系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2013（3）:81-84.BO Fan-yu，WANG Xin，ZHAO Liang，et al.Pressure information of bridges collection system based on IoT[J]Computer Systems&Applications，2013（3）:81-84.

[7]HU Z，ZHAO L，LIU Y，et al.WSN monitoring system for bridge and culvert construction of operating railway[J].Journal of Liaoning Technical University （Natural Science），2013（5）:006.

[8]吉林，丁華平，沈慶宏．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[J]．南京大學(xué)學(xué)報，2011，47（1）:20-24．JI lin，DING Hua-ping，SHEN Qing-wang.A new method for bridge structural health monitoring based on wireless sensor networks[J].Journal of Nanjing University，2011，47（1）:20-24.