蘇 遠(yuǎn)，唐振宇，馬理鏡

（江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)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(huì)有大量的橋梁坍塌事故發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)平均不到兩個(gè)月就會(huì)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(duì)橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)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(kuò)展到任何物品與物品之間，然后進(jìn)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(diǎn)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(shí)施方便，特別適用于工業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用[3]，同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)成本低廉，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)和預(yù)警提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4-5]。

針對(duì)目前橋梁安全監(jiān)測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)。在感知節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再發(fā)送到橋梁基站中?；痉?wù)器對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以可視化的方式展示給用戶，實(shí)現(xiàn)橋梁的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。

1 橋梁監(jiān)測(cè)因素及傳感器布點(diǎn)

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

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

表1中給出了橋梁的具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)和對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器。橋梁損壞的一個(gè)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(cè)橋梁過載車輛，可有效避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。環(huán)境監(jiān)測(cè)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(bǔ)計(jì)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(dòng)法綜合進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]。應(yīng)力監(jiān)測(cè)用于測(cè)量承力構(gòu)件的受力狀態(tài)，并及時(shí)診斷橋梁的病害，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析。橋梁變形監(jiān)測(cè)主要包括基礎(chǔ)沉降、橋梁撓度等，通過該監(jiān)測(cè)項(xiàng)可以從整體上把握橋梁健康和安全狀態(tài)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)用于得出橋梁的階頻，其是反映橋梁動(dòng)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(hù)提供依據(jù)。

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

2 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，整個(gè)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(gè)部分。數(shù)據(jù)采集層是由一個(gè)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(diǎn)和少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)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(tái)服務(wù)器，文件存儲(chǔ)服務(wù)器上運(yùn)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(yùn)行著一套數(shù)據(jù)分析程序，數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)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(cè)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(dòng)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)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(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of bridge monitoring system

3 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 用戶側(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用戶側(cè)功能如圖3所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示與分析主要用于展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和對(duì)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(xiǎn)狀態(tài)。系統(tǒng)智能評(píng)分主要用于展示各監(jiān)測(cè)項(xiàng)的評(píng)分以及橋梁整體評(píng)分，數(shù)據(jù)報(bào)表功能為日常的運(yùn)營維護(hù)提供存檔和依據(jù)，系統(tǒng)設(shè)備管理還可跟蹤各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞的設(shè)備。

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

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件框架和流程

橋梁監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫采用SQLServer，軟件運(yùn)行在橋梁監(jiān)測(cè)基站服務(wù)器上。

圖4 橋梁監(jiān)測(cè)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(dòng)后先初始化采集層的采集儀器和數(shù)據(jù)接收進(jìn)程，然后發(fā)送采集命令，采集儀通過匯聚節(jié)點(diǎn)以ZigBee通信方式轉(zhuǎn)發(fā)命令給傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)制，便于及時(shí)判斷節(jié)點(diǎn)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(duì)列中，預(yù)處理線程按照通信協(xié)議循環(huán)對(duì)隊(duì)列進(jìn)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(jìn)程。分析進(jìn)程根據(jù)消息類型，啟動(dòng)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(gè)定時(shí)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(yàn)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(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)都設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警閾值，通過觸發(fā)器的方式實(shí)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(shí)時(shí)性。

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

軟件設(shè)計(jì)以插件的方式實(shí)現(xiàn)，其包含了各類監(jiān)測(cè)項(xiàng)的數(shù)據(jù)分析方法，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)，這里給出振動(dòng)處理類的部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證本文中橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，對(duì)一橋梁進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)施部署，用以監(jiān)測(cè)整個(gè)橋梁的環(huán)境和自身結(jié)構(gòu)狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行拓?fù)鋱D如6所示。拓?fù)鋱D采用svg矢量圖的方式實(shí)現(xiàn)，橋梁模型圖上標(biāo)記了各個(gè)傳感器的類型和布點(diǎn)位置，鼠標(biāo)停留會(huì)自動(dòng)展示出該測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

圖6 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行效果Fig.6 Running effect of the bridge monitoring system

工作人員可以查看各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)的歷史數(shù)據(jù)信息，圖7為橋梁周圍的溫濕度監(jiān)測(cè)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(cè)因素。

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

如圖8所示，應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量結(jié)果展示橋梁構(gòu)件的受力隨時(shí)間變化趨勢(shì)，其表明隨著時(shí)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(yùn)行試驗(yàn)，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)持續(xù)可靠。

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

5 結(jié) 論

文中研究設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁監(jiān)測(cè)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(cè)因素和傳感器布點(diǎn)，然后詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的整體架構(gòu)和軟件框架設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有部署迅速、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)，初步試驗(yàn)表明，系統(tǒng)已達(dá)到預(yù)期效果，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

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