基于邊緣計算的橋梁安全檢測系統(tǒng)裝置研究

孫莉華、劉牧華、屠文博

（河南科技大學，河南 洛陽 471000）

0 引言

目前，我國公路網(wǎng)中在役橋梁40%服役超20年，技術等級為三、四類的帶病橋梁達30%，15% 的橋梁(約10 萬座)為危橋，存在嚴重的安全隱患。總結(jié)以往橋梁坍塌事故發(fā)生的典型案例，原因可以歸結(jié)為前期設計問題、超載等人為因素、自然災害和施工過程中事故四個方面。

為保障橋梁安全，避免潛在事故，橋梁安全檢測必須普及每一架橋，減少因突發(fā)情況，如橋梁坍塌造成的人員傷亡。

對于橋梁安全性能的檢測傳統(tǒng)采用人工檢測手段，這就會使數(shù)據(jù)實時性、連續(xù)性差，信息不充分，不能準確捕捉橋梁的動態(tài)響應。而現(xiàn)有的橋梁數(shù)據(jù)采集端采集海量數(shù)據(jù)，需要將海量數(shù)據(jù)無線傳輸至遠程的處理端，傳輸壓力極大，并且不能及時反饋采取應對手段。

此裝置系統(tǒng)對橋梁建模仿真后進行有限元分析。經(jīng)過對橋梁進行分析鋪設各類傳感器進行檢測。將采集的數(shù)據(jù)存儲在SPIFFS 文件系統(tǒng)中，在邊緣節(jié)點處理分析后，將結(jié)果上報給MQTT 云端并做出反應。

1 橋體結(jié)構(gòu)分析

對橋梁的分析一般可以簡化為研究桁架的受力。橋梁承受的主要荷載并非在其上行駛的汽車或者火車，而是其自重。為解決掉這些作用力，會將力轉(zhuǎn)移至輔助桁架，這樣可以增加梁的剛性，并大大提高橋梁耗散壓力和張力的能力。

該設計以斜拉橋為例。斜拉橋由主梁、斜拉緊主梁的鋼索以及支承鋼索的索塔等部分組成，是一種用許多根錨在塔柱上的斜向鋼索拉住橋身的橋梁。每根鋼索與橋身的連接處都是一個承重點，因此斜拉橋有著許多的承重點。斜拉橋的鋼索拉成直線，與索塔、橋面(主梁)構(gòu)成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。

受力分析以一個索塔來分析。索塔兩側(cè)是對稱的斜拉索，通過斜拉索將索塔主梁連接在一起。現(xiàn)在假設索塔兩側(cè)只有兩根斜拉索，左右對稱各一條，根據(jù)平行四邊形定則，合力豎直向下，但最終都會傳給索塔下面的橋墩。拉索數(shù)量多是為了分散主梁給斜拉索的力。對于主梁結(jié)構(gòu)作用效應計算，其中包括恒載效應計算、汽車荷載效應計算等。對于主梁正截面抗彎承載力驗算，需根據(jù)荷載效應組合模式，先計算出主梁各控制截面的內(nèi)力，再分模式進行內(nèi)力組合。從這些組合中，最大的內(nèi)力組合值即為所求。

2 設計思路

從壓力形變、裂紋、橋梁撓度測量、疲勞監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測五個方面進行分析。其中，環(huán)境監(jiān)測采用溫度與風速傳感器。

由于橋梁受力有復雜的公式，因此在這里使用有限元分析，即用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)，把連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個單元和有限個節(jié)點組合的集合體進行分析。與結(jié)構(gòu)試驗相比，能夠提高分析速度，減少分析成本。

2.1 壓力形變

橋梁具有載荷和應力，當橋梁承受載荷時會發(fā)生形變；當應力大于材料的強度時，材料會發(fā)生破壞、斷裂的現(xiàn)象。

網(wǎng)格化后經(jīng)過有限元分析，得出了橋梁所受應力大發(fā)生變形的位置，如圖1所示。

圖1 橋梁的網(wǎng)格化與靜應力分析圖

2.1.1 應變式傳感器

該設計利用電橋進行測量，差動全橋的連接方式，實現(xiàn)了溫度補償，減少了測量誤差。

圖2 電橋接橋方式

將應變計放置這些位置進行實時檢測，反映該位置的受力與發(fā)生的形變與扭曲等。在條件允許下將這些放在主梁上分層分布，也能知道橋梁形狀的變化。

2.1.2 光纖光柵傳感器

光纖一般由纖芯、包層、涂覆層與護套構(gòu)成。

光纖光柵采用波長編碼技術，光射入刻有光纖光柵的光纖時，大部分光會透射，只有特定波長的光會被反射，如果環(huán)境的應變或者溫度發(fā)生變化，反射光的中心波長即該光纖光柵的中心波長會發(fā)生相應的漂移。

信號經(jīng)光纖導線輸入光纖光柵解調(diào)儀進行解調(diào)。由于光纖光柵傳感器鋪設相對困難，可以對橋梁進行局部損傷識別。

2.2 檢測裂紋

橋梁結(jié)構(gòu)常規(guī)裂紋機理的產(chǎn)生相當復雜，但單因素裂紋是很少的。以混凝土材料為例，大多數(shù)混凝土都是帶裂縫工作的，有的裂紋并不影響混凝土的使用，但涉及結(jié)構(gòu)強度裂縫的存在和發(fā)展，將使相應的部位構(gòu)建的承載力受到一定程度的削弱，同時裂縫還會引起保護層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化等，甚至危害橋梁的正常運行并縮短其壽命。載荷試驗表面，當混凝土受壓，載荷到70%～90%極限強度時，微裂顯著擴展并迅速增多，其微裂之相互串聯(lián)起來，直至完全破壞。故盡管橋梁內(nèi)部隨機分布各種缺陷，但導致橋梁發(fā)生損害的地方大概率是受應力比較大的地方。故裂紋也可以歸到壓力形變中。

2.3 橋梁撓度測量

撓度是指受力或非均勻溫度變化時，桿件軸線在垂直于軸線方向的線位移或板殼中面在垂直于中面方向的線位移。

該設計采用傾角儀測量撓度的方法。與激光雷達傳感器結(jié)合確定偏移方向與偏移角度。傾角儀的測量在哈爾濱尚志大街至海城高架橋等橋梁已進行應用，效果良好。

2.4 疲勞監(jiān)測

到2019年年底，全國公路橋梁中超過90%為混凝土橋梁。部分混凝土橋梁長期處于高應力工作狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，近90%的機械失效，是由遠低于材料的極限強度或屈服強度的循環(huán)應力下的疲勞所引起的，而疲勞損傷主要來自車輛和風等動荷載的交變循環(huán)應力，疲勞損傷一直被認為是鋼橋設計中的核心問題，橋梁疲勞壽命預測也是一個重要研究方向。橋梁長期在動應力下工作，無法在設計階段完全掌握和預測結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境下的工作狀態(tài)。利用OpenCV 與應變式傳感器結(jié)合對車流量進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)對公路各路段交通情況及異常事件的自動檢測、監(jiān)控、報警等目的。

該車流量統(tǒng)計系統(tǒng)的車輛計數(shù)部分便使用到了圖像處理技術。首先通過攝像頭采集道路的圖片，然后使用圖像處理技術將采樣、算術運算、閥值化、形態(tài)學運算、濾波和輪廓查找等方法綜合來實現(xiàn)圖像中車輛的查找和計數(shù)。

首先通過VideoCapture 類來獲取視頻流，使用imread 函數(shù)讀入背景圖像。從視頻流中獲取一幅圖像，使用cvtColor 將其轉(zhuǎn)化為灰度圖，然后使用absdiff 與背景圖進行絕對值減法，為了提高對比度將圖像乘以2。使用blur 函數(shù)對圖像進行濾波后，用threshold 函數(shù)進行二值化轉(zhuǎn)化為二值圖像，并對二值圖像進行形態(tài)學開運算以濾除高亮部分中的黑色噪點，使白色部分更加完整、連續(xù)。使用findContours 函數(shù)在圖像中查找輪廓，即可找到車輛的位置，然后找到輪廓的外接矩形，便可獲得具體的車輛坐標，最后通過“三判斷”的方法來對車輛進行計數(shù)。結(jié)果見圖3。

圖3 車流量統(tǒng)計系統(tǒng)運行結(jié)果

2.5 邊緣計算與上傳數(shù)據(jù)

在引進相關硬件驅(qū)動程序庫后，在邊緣節(jié)點（ESP8266 NODEMCU）獲取各傳感器的數(shù)值，與文件系統(tǒng)中相應的參數(shù)讀取并進行比較，如果比較算法得出的數(shù)值超過了預先設置的閾值，分析發(fā)生異常的位置與程度，通過MQTT 通信協(xié)議發(fā)布異常主題給云端服務器，并寫入SPIFFS 文件系統(tǒng)，訂閱該異常主題且在線的客戶端將收到相應的異常報文信息。

上傳數(shù)據(jù)所使用的MQTT 是一種基于發(fā)布/訂閱的輕量級的物聯(lián)網(wǎng)消息傳輸協(xié)議，所選用的云端服務器是然也物聯(lián)。這種協(xié)議輕量且省帶寬，非常適用于受限的硬件資源設備和不可靠的網(wǎng)絡環(huán)境。它根據(jù)MQTT 主題、保留消息、心跳機制、遺囑機制這四個運作機制提供四種主要功能。

3 工作方式

傾角儀與激光測距傳感器放置在索塔上，多個應變式傳感器與光纖光柵傳感器放置在主梁、索塔、斜拉索上，采集圖像的攝像頭放置在索塔上，溫度傳感器放置于橋面，風速傳感器放置在索塔頂端與橋面上。

信號傳輸時，將輸出的模擬信號通過A/D 模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（若輸出的是數(shù)字信號的可省略這一步），將信號通過RS485 收發(fā)器轉(zhuǎn)換電平后，輸入RS485 總線。RS485 通過差分信號解析數(shù)據(jù)，抗干擾能力很強，一條總線上最多可以連接256 個設備，傳輸距離最長為1200m。采用MODBUS 通信協(xié)議，實現(xiàn)一對多通信。再接RS485 收發(fā)器，轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的邏輯信號后，輸入單片機。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)裝置專注于通過邊緣計算在物聯(lián)網(wǎng)上應用。在物聯(lián)網(wǎng)的三個層面(感知層、傳輸層、應用層)中，傳感器是信息感知的基本元件。感知層作為網(wǎng)絡層傳輸數(shù)據(jù)的源頭、應用層計算數(shù)據(jù)的基礎，起到了至關重要的作用。但它們產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)是巨大的，使得傳統(tǒng)的云計算效率不夠高，無法處理所有數(shù)據(jù)。邊緣計算意味著由IOT 產(chǎn)生的大多數(shù)數(shù)據(jù)將永遠不會被傳輸?shù)皆贫耍菚脑诰W(wǎng)絡的邊緣。所以基于這一方面，對橋梁這一生活中密切接觸的部分進行測量，又能通過軟件分析將橋的危害簡化，利用邊緣節(jié)點采集的數(shù)據(jù)計算判斷后上報云端，這樣會大大地提升日常生活的安全性，并且也不需要耗費過多的不必要的人力物力及資源，符合現(xiàn)在的生活理念，讓人們的生活越來越安全便利。