遠距離橋梁健康監測與預警系統的設計與實現

王軍凱

（浙江理工大學 經濟管理學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近些年來，物聯網技術逐漸走進人們的視野，其通過傳感器與互聯網使物與物靈活的聯系在一起的特點讓物聯網技術在各個領域大放異彩，將物聯網技術引入公共事業，使其能更加高效的幫助國家與社會管理城市也變得刻不容緩[1]。橋梁的健康監測工程對橋梁能否繼續安全運行與橋梁的使用壽命有重大意義，它是預防工程事故發生，確保橋梁運行安全的重要措施，如果在橋梁破壞的早期就能發現問題，可以大大的減少橋梁的維護費用。隨著材料學，無線通信，信息感知和在線處理等領域的高速發展，遠距離實時橋梁健康監測逐漸成為可能，如果把這些技術運用到橋梁健康監測這個領域中[7]，就能幫助監測人員更加高效的掌握橋梁實時信息，在橋梁發生破壞的早期發現出現的隱患，從而大大降低監測人員的工作量和工作成本，同時也能使橋梁健康監測工作更有效率，大大降低安全事故發生的風險，對道路交通安全運行，人民生命財產安全保障有重大意義。

1 設計思路

橋梁健康監測系統不僅涉及到橋梁的工程結構，還與傳感器，數據采集分析等方向有關，是一個與多學科，多領域有關的集合系統[2]。總的來看，橋梁健康監測系統是基于物聯網之上的，首先在適當位置上安裝數據采集點，以安裝在外的傳感器信號采集點為單位構建傳感器網絡，通過安裝在外的傳感器獲取不同的信號，再通過GSM無線通信方式將信號傳回個人計算機信息處理中心，最后再進行信息儲存、處理、判斷。本系統的設計框架圖如圖1所示。

圖1 橋梁監測系統框圖Fig.1 Block diagram of bridge monitoring system

系統會通過對所得到測量值進行分析并與監測人員事先設置的閾值進行比較來選擇發出警報提醒監測人員或繼續監測。在平常的運行中，監測人員可以根據需要在后臺控制中心調整相應的參數，如監測時間間隔或發出警報的閾值。閾值的選擇則需要對被檢測橋梁進行研究，設定合理的閾值能達到更好的監測效果，使技術人員既不會因為閾值低而動輒檢查橋梁健康狀態，也不會因為閾值過高而錯過維護橋梁健康安全的最佳時期[4]。

相對于傳統的橋梁健康監測方式，以傳感器構成的物聯網為基礎的橋梁健康監測系統不僅可以大量的降低人工監測成本，還能實現一些自主判斷，讓全時段的監測、判斷、預警成為可能，提高了橋梁運行的安全性。

2 系統組成

2.1 傳感器子系統

橋梁健康監測系統的傳感器子系統主要由傾斜儀（傾斜傳感器）[10]，電源，無線傳輸模塊，單片機系統組成。單一傳感器系統雖然得到的信息有限，但其一樣有著系統較簡單、成本較低、系統穩定發生故障可能性小、捕獲的冗余數據少、處理簡單等優點，符合電路設計簡單、耗能低、干擾小、設計通用化、標準化的要求。

圖2 監測系統組成Fig.2 Composition of monitoring system

選擇傳感器時主要考慮到傳感器的適用性、耐久性、經濟性等原則，同時選擇信噪比較高的傳感器。圖3為實物圖。

圖3 傳感器子系統Fig.3 Sensor subsystem

傳感器布置優化[9]：

布置點應對橋梁受損程度變化反應敏感。

安裝位置應盡量有利于后期維護檢查。

安裝傳感器部分的面應與被監測面保持水平。

2.2 數據處理子系統

這部分的軟件使運用VB編程語言進行編制得，它可以接收到傳感器探測到的信號并通過計算機對獲得的大量的原始數據進行除雜、濾波并提取一部分相對準確的數據[8]。系統會對采集到的數據進行進一步的分析、處理與應用，通過與預設預警值的對比對橋梁健康狀況進行分析，以達到監測橋梁健康狀態的要求，實現橋梁健康監測系統的預測損失、事故預警的最終目的[3]。它可以通過調整參與到橋梁健康監測活動中的各種數值，如傾斜傳感器的監測頻率、警報值上下限等，以達到更好的監測效果，也可以儲存并顯示當前獲得的監測數據，存儲下來的歷史數據和運行記錄都會保存在個人計算機中。部分程序界面如圖4所示。

圖4 程序界面Fig.4 Program interface

3 實驗結果分析

在實驗開始前，先將橋梁健康監測系統的硬件與軟件部分安裝完成，安裝無線傳輸部分，確認串行通訊接口正常，安裝測試程序，選擇相應的COM文件夾雙擊運行。

圖5 實驗過程Fig.5 Experimental process

實驗時，Vb主控界面接收到傳感器子系統傳來的數據并分別在主界面左右兩側顯示經過處理后得到的數據和圖表信息，右半部分的線性圖是根據左側的監測數據繪制的（左邊x方向，右邊y方向）。同時我們先將上下限報警值統一設置為10°與-10°。

3.1 后傾實驗測試

進行后傾測試時，我們將傳感器向后傾斜并讓其保持穩定不動，可以看到左側監測數據x、y兩個方向均為正值，角度變化監測到的數據可以精確到千分位，此時y方向角度監測值超過報警值上限，報警程序運行，成功實現預警目的。圖6為后傾實驗結果圖。

圖6 實驗步驟1Fig.6 Experiment step 1

3.2 前傾實驗測試

進行前傾測試時，與后傾實驗一樣將傳感器部分向前傾斜并保持穩定不動，此時可以看到在程序運行界面左側的監測值x、y方向均為負值，角度監測精確度同時也可以達到千分位，此時y方向角度監測值超過報警值下限，報警程序運行，成功實現預警目的。圖7為前傾實驗結果圖。

圖7 實驗步驟2Fig.7 Experiment step 2

3.3 多方位傾斜實驗測試

在多方位傾斜測試中，我們先讓傳感器保持水平不動，此時測量值保持在0值附近，曲線圖沒有明顯的變化，然后我們將傳感器同時向x、y兩個方向小角度轉動，從圖中可以看到主控界面左端獲得的測量值在變化的同時依然能精確到千分位，測量精度很高，而且有著很明顯的正負變化，右側繪制的兩張線性圖也有很明顯的上下波動，在此過程中x、y兩方向均有超過閾值上下限，報警程序運行，成功實現預警目的。最后我們繼續保持傳感器部分水平不動，此時返回的測試值回到了0值附近，線性圖也回到初值附近，測試獲得的結果較為明顯，由此可見本系統對于被測量面的傾角變化感應敏感，監測精度較高。圖5為實驗過程圖，圖8為實驗結果圖。

圖8 實驗步驟3Fig.8 Experiment step 3

4 結語

橋梁結構的健康監測要求系統進行長期并且不間斷的監測和匯報，這就對工作系統的穩定提出了要求[11-12]。本文提出的這種將物聯網技術與橋梁健康監測相結合的在線監測方法，通過以傳感器為節點構建的傳感器網絡實現了對橋梁的實時監測與評價。與傳統的人工監控相比，配置和運行成本低，效益高，實現了全時段自動監測。經過一系列的試驗，結果表明，此橋梁健康監測系統運行可靠穩定，能夠有效提高橋梁道路管理水平，保障橋梁健康安全，提高橋梁健康監測和維護人員的工作效率，實現了物聯網技術、計算機技術與橋梁健康監測的結合[13-15]，并且客戶體驗好、開發成本低，可以為橋梁的管理維護提供一定的數據支持，具有一定的實用價值。