蔣恒
【摘 要】本文主要介紹了基于GPRS的橋梁墩臺沉降觀測系統(tǒng)和嵌入式橋梁遠程裂縫監(jiān)測系統(tǒng),能夠有效提高對橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測,有利于促進我國橋梁建設(shè)行業(yè)的快速發(fā)展。
【關(guān)鍵詞】GPRS;橋梁工程;健康監(jiān)測
【中圖分類號】U446? ?【文獻標(biāo)識碼】A
1.引言
近年來,隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進步,我國在橋梁監(jiān)測方面也實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍,橋梁遠程監(jiān)測系統(tǒng),能夠借助有線網(wǎng)絡(luò)或者無線通信完成對橋梁結(jié)構(gòu)的遠程監(jiān)測,這不僅降低了人工監(jiān)測的錯誤率,還在很大程度上提高了遠程監(jiān)測的自動化程度,有利于及時發(fā)現(xiàn)橋梁健康問題,并采取相應(yīng)的措施進行解決。目前,GPRS技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于橋梁健康遠程監(jiān)測,橋梁健康監(jiān)測部門能夠借助GPRS技術(shù)快速獲取橋梁信息,為監(jiān)測工作帶來了巨大的便利。
2.GPRS簡介
GPRS(General Packet Radio Service)也叫做通用分組無線業(yè)務(wù),其主要用來進行數(shù)據(jù)承載和傳輸。與傳統(tǒng)的GSM相比,GPRS不僅承載數(shù)據(jù)的效率更高,而且能夠?qū)崿F(xiàn)實時在線,具有很大的優(yōu)勢。在計費方式上,GPRS更加方便快捷,其只需要根據(jù)數(shù)據(jù)流量的多少就可以計費。除了可以進行數(shù)據(jù)傳輸外,GPRS還具備語音通話的功能,相對于短消息等無線數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),GPRS的價格具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。
3.基于GPRS的橋梁健康遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)
3.1基于GPRS的橋梁墩臺沉降觀測系統(tǒng)
基于GPRS的智能橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可同時監(jiān)測多座橋梁,對于某個橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要分為前臺數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和后臺數(shù)據(jù)分析及服務(wù)系統(tǒng)兩部分。前臺系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、RS—485總線、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和GPRS無線通訊模塊組成。后臺系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器和Web服務(wù)器組成。
3.1.1前臺系統(tǒng)
單個橋梁的前臺系統(tǒng),將傳感器系統(tǒng)安裝在橋梁的墩臺上,該系統(tǒng)運行的原理是連通原理[1],主要是在內(nèi)部有一個連通管,管內(nèi)裝有一定量的液體,如果橋梁的墩臺發(fā)生沉降,那么液體高度就會隨之變化。通過使用RS-485總線將傳感器串聯(lián)起來,然后再和數(shù)據(jù)采集器進行相連,由此收集橋梁墩臺沉降的數(shù)據(jù),并通過相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心,由此實現(xiàn)遠程監(jiān)測。
GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)( general pack etradio service) 的英文簡稱,是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù),提供端到端的、廣域的無線IP 連接。為防止 GPRS 通訊網(wǎng)絡(luò)的中斷,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中內(nèi)嵌存儲單元,當(dāng)通訊恢復(fù)后能夠補錄數(shù)據(jù)。
3.1.2后臺系統(tǒng)
在橋梁現(xiàn)場安裝的數(shù)據(jù)采集器能夠及時將采集到的墩臺信息進行傳輸,傳輸?shù)慕橘|(zhì)是串口,首先信息先被傳輸?shù)紾PRS_DTU,然后再被傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)上,在GPRS的端口進行輸出,進一步將信息輸出到Internet上,由此一來就可以實現(xiàn)和監(jiān)控中心服務(wù)器相通。對于監(jiān)控中心來說,其要對收到的數(shù)據(jù)信息進行處理,就需要在數(shù)據(jù)服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)庫,當(dāng)分析處理結(jié)束后,其結(jié)果在Web服務(wù)器介質(zhì)的作用下被發(fā)布到Internet上,從而構(gòu)成完整的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。
3.1.3工程應(yīng)用
3.1.3.1測點布置
某大型連續(xù)梁橋,全長572m,位于京珠高速長潭段。根據(jù)大橋技術(shù)狀況,監(jiān)測16#、17#橋墩的沉降變化,觀測點分別布置在16#、17#墩的上下游側(cè)。通過對大橋歷史技術(shù)資料的分析,將監(jiān)測基準(zhǔn)點設(shè)置在18#墩上下游側(cè)(如圖1)。
3.1.3.2沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)
圖2所示是2012年10月1日至12月31日期間,相對基準(zhǔn)點,16#墩和17#墩的相對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測結(jié)果表明,16#墩和17#墩相對于18#墩基準(zhǔn)點的差異沉降在監(jiān)測期間沒有發(fā)生明顯變化,不會造成大橋安全隱患。
3.1.4結(jié)論
基于GPRS技術(shù)的大橋結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測方法相比,其可以實時對橋梁的狀態(tài)進行監(jiān)測,便于管養(yǎng)人員及時了解橋梁結(jié)構(gòu)狀況,并及時發(fā)現(xiàn)問題,解決問題。這不僅提高了橋梁監(jiān)測與維修效率,還在一定程度上降低了管養(yǎng)成本。
3.2基于GPRS的嵌入式橋梁遠程裂縫監(jiān)測系統(tǒng)
3.2.1最小嵌入式系統(tǒng)設(shè)計
在對橋梁進行監(jiān)測時,嵌入式系統(tǒng)一般是獨立工作的,通常會消耗較大的功耗,要想降低系統(tǒng)的功耗,就需要進行最小嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。本系統(tǒng)建立的最小系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),其主要包括微處理器AT91RM9200、電源電路、晶體振蕩器電路、復(fù)位電路、JTAG接口、存儲器模塊、串行調(diào)試接口等電路組成[2]。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)低功耗主要就是采用的芯片是低功耗的,另外,在進行監(jiān)測時采取的是智能監(jiān)控策略,其余所有和裂縫沒有關(guān)系的器件都進行刪除,從而降低監(jiān)測系統(tǒng)的功耗。
3.2.1.1內(nèi)核的選擇
Linux操作系統(tǒng)具有內(nèi)核穩(wěn)定、功能強大、支持多種硬件平臺、可裁減和低成本的特性,非常適合于嵌入式應(yīng)用,通過對其進行內(nèi)核配置,裁減 shell和系統(tǒng)定制,使整個系統(tǒng)能夠存放到容量較小的FLASH中。整個系統(tǒng)軟件在嵌入式 Linux的基礎(chǔ)上構(gòu)建, AT91RM9200平臺使用的 Linux內(nèi)核在 Linux-2.4.18內(nèi)核基礎(chǔ)上編譯而成。系統(tǒng)使用的文件系統(tǒng)是yaffs,包括應(yīng)用程序、模塊、配置文件和庫等,系統(tǒng)圖像采集建立在嵌入式 Linux內(nèi)核之上。
3.2.1.2圖像采集
Video4Linux是 Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動,它為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)。系統(tǒng)使用基于 OV511的 USB攝像頭,采用設(shè)備文件/ dev/ video進行圖像采集。在運行程序前,加載USB及OV511設(shè)備驅(qū)動模塊以訪問攝像頭設(shè)備。通過對 Video4LinuxAPI進行編程,實現(xiàn)圖像的采集,采集到的圖像幀數(shù)據(jù)經(jīng)過算法處理即可進行裂縫識別。
3.2.1.3通信設(shè)計
系統(tǒng)通過 GPRS無線通信方式實現(xiàn)監(jiān)測信息的遠程傳輸[3]。采用 SIEMENS公司 MC55芯片的 GPRS模塊通過 GSM網(wǎng)絡(luò)與手機進行通訊,該 GPRS模塊可以接收手機發(fā)出的命令并由串口傳遞給 ARM系統(tǒng),也可將 ARM系統(tǒng)發(fā)送的裂縫信息傳回手機。另外,在該系統(tǒng)設(shè)計中還增添了數(shù)據(jù)幀格式,主要是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,一旦數(shù)據(jù)幀傳輸出現(xiàn)問題,就會及時進行重新發(fā)送。最小嵌入式系統(tǒng)還通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)完成了遠程通信,能夠通過Internet服務(wù)器對橋梁的狀態(tài)進行實時監(jiān)測,一旦監(jiān)測到裂縫信息,就會自動發(fā)出警告。
3.2.2結(jié)論
通過使用最小嵌入式系統(tǒng),不僅可以簡化監(jiān)測程序,還能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁的實時監(jiān)測,大大提高了監(jiān)控效率。
【參考文獻】
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[2]鄢真,嚴(yán)麗平.基于GPS的嵌入式橋梁實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的探究[J].山西建筑,2009,35(32):365-366.
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基金項目:2017年湖南省教育廳科學(xué)研究項目,基于GPRS的橋梁健康遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)研究,編號:17B273。