王軍凱

（浙江理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近些年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的視野，其通過傳感器與互聯(lián)網(wǎng)使物與物靈活的聯(lián)系在一起的特點讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個領(lǐng)域大放異彩，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入公共事業(yè)，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(jiān)測工程對橋梁能否繼續(xù)安全運(yùn)行與橋梁的使用壽命有重大意義，它是預(yù)防工程事故發(fā)生，確保橋梁運(yùn)行安全的重要措施，如果在橋梁破壞的早期就能發(fā)現(xiàn)問題，可以大大的減少橋梁的維護(hù)費(fèi)用。隨著材料學(xué)，無線通信，信息感知和在線處理等領(lǐng)域的高速發(fā)展，遠(yuǎn)距離實時橋梁健康監(jiān)測逐漸成為可能，如果把這些技術(shù)運(yùn)用到橋梁健康監(jiān)測這個領(lǐng)域中[7]，就能幫助監(jiān)測人員更加高效的掌握橋梁實時信息，在橋梁發(fā)生破壞的早期發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的隱患，從而大大降低監(jiān)測人員的工作量和工作成本，同時也能使橋梁健康監(jiān)測工作更有效率，大大降低安全事故發(fā)生的風(fēng)險，對道路交通安全運(yùn)行，人民生命財產(chǎn)安全保障有重大意義。

1 設(shè)計思路

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅涉及到橋梁的工程結(jié)構(gòu)，還與傳感器，數(shù)據(jù)采集分析等方向有關(guān)，是一個與多學(xué)科，多領(lǐng)域有關(guān)的集合系統(tǒng)[2]。總的來看，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)之上的，首先在適當(dāng)位置上安裝數(shù)據(jù)采集點，以安裝在外的傳感器信號采集點為單位構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(jī)信息處理中心，最后再進(jìn)行信息儲存、處理、判斷。本系統(tǒng)的設(shè)計框架圖如圖1所示。

圖1 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of bridge monitoring system

系統(tǒng)會通過對所得到測量值進(jìn)行分析并與監(jiān)測人員事先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較來選擇發(fā)出警報提醒監(jiān)測人員或繼續(xù)監(jiān)測。在平常的運(yùn)行中，監(jiān)測人員可以根據(jù)需要在后臺控制中心調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，如監(jiān)測時間間隔或發(fā)出警報的閾值。閾值的選擇則需要對被檢測橋梁進(jìn)行研究，設(shè)定合理的閾值能達(dá)到更好的監(jiān)測效果，使技術(shù)人員既不會因為閾值低而動輒檢查橋梁健康狀態(tài)，也不會因為閾值過高而錯過維護(hù)橋梁健康安全的最佳時期[4]。

相對于傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測方式，以傳感器構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以大量的降低人工監(jiān)測成本，還能實現(xiàn)一些自主判斷，讓全時段的監(jiān)測、判斷、預(yù)警成為可能，提高了橋梁運(yùn)行的安全性。

2 系統(tǒng)組成

2.1 傳感器子系統(tǒng)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器子系統(tǒng)主要由傾斜儀（傾斜傳感器）[10]，電源，無線傳輸模塊，單片機(jī)系統(tǒng)組成。單一傳感器系統(tǒng)雖然得到的信息有限，但其一樣有著系統(tǒng)較簡單、成本較低、系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)生故障可能性小、捕獲的冗余數(shù)據(jù)少、處理簡單等優(yōu)點，符合電路設(shè)計簡單、耗能低、干擾小、設(shè)計通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)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(tǒng)Fig.3 Sensor subsystem

傳感器布置優(yōu)化[9]：

布置點應(yīng)對橋梁受損程度變化反應(yīng)敏感。

安裝位置應(yīng)盡量有利于后期維護(hù)檢查。

安裝傳感器部分的面應(yīng)與被監(jiān)測面保持水平。

2.2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

這部分的軟件使運(yùn)用VB編程語言進(jìn)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(jī)對獲得的大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行除雜、濾波并提取一部分相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[8]。系統(tǒng)會對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析、處理與應(yīng)用，通過與預(yù)設(shè)預(yù)警值的對比對橋梁健康狀況進(jìn)行分析，以達(dá)到監(jiān)測橋梁健康狀態(tài)的要求，實現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)測損失、事故預(yù)警的最終目的[3]。它可以通過調(diào)整參與到橋梁健康監(jiān)測活動中的各種數(shù)值，如傾斜傳感器的監(jiān)測頻率、警報值上下限等，以達(dá)到更好的監(jiān)測效果，也可以儲存并顯示當(dāng)前獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，存儲下來的歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)行記錄都會保存在個人計算機(jī)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(jié)果分析

在實驗開始前，先將橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件與軟件部分安裝完成，安裝無線傳輸部分，確認(rèn)串行通訊接口正常，安裝測試程序，選擇相應(yīng)的COM文件夾雙擊運(yùn)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(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)并分別在主界面左右兩側(cè)顯示經(jīng)過處理后得到的數(shù)據(jù)和圖表信息，右半部分的線性圖是根據(jù)左側(cè)的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)一設(shè)置為10°與-10°。

3.1 后傾實驗測試

進(jìn)行后傾測試時，我們將傳感器向后傾斜并讓其保持穩(wěn)定不動，可以看到左側(cè)監(jiān)測數(shù)據(jù)x、y兩個方向均為正值，角度變化監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可以精確到千分位，此時y方向角度監(jiān)測值超過報警值上限，報警程序運(yùn)行，成功實現(xiàn)預(yù)警目的。圖6為后傾實驗結(jié)果圖。

圖6 實驗步驟1Fig.6 Experiment step 1

3.2 前傾實驗測試

進(jìn)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(wěn)定不動，此時可以看到在程序運(yùn)行界面左側(cè)的監(jiān)測值x、y方向均為負(fù)值，角度監(jiān)測精確度同時也可以達(dá)到千分位，此時y方向角度監(jiān)測值超過報警值下限，報警程序運(yùn)行，成功實現(xiàn)預(yù)警目的。圖7為前傾實驗結(jié)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(zhuǎn)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(fù)變化，右側(cè)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(yùn)行，成功實現(xiàn)預(yù)警目的。最后我們繼續(xù)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(jié)果較為明顯，由此可見本系統(tǒng)對于被測量面的傾角變化感應(yīng)敏感，監(jiān)測精度較高。圖5為實驗過程圖，圖8為實驗結(jié)果圖。

圖8 實驗步驟3Fig.8 Experiment step 3

4 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測要求系統(tǒng)進(jìn)行長期并且不間斷的監(jiān)測和匯報，這就對工作系統(tǒng)的穩(wěn)定提出了要求[11-12]。本文提出的這種將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與橋梁健康監(jiān)測相結(jié)合的在線監(jiān)測方法，通過以傳感器為節(jié)點構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對橋梁的實時監(jiān)測與評價。與傳統(tǒng)的人工監(jiān)控相比，配置和運(yùn)行成本低，效益高，實現(xiàn)了全時段自動監(jiān)測。經(jīng)過一系列的試驗，結(jié)果表明，此橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)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(jiān)測和維護(hù)人員的工作效率，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與橋梁健康監(jiān)測的結(jié)合[13-15]，并且客戶體驗好、開發(fā)成本低，可以為橋梁的管理維護(hù)提供一定的數(shù)據(jù)支持，具有一定的實用價值。