基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

祖巧紅， 張海峰， 徐興玉， 尹 瑩

（1. 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2. 武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

祖巧紅1， 張海峰1， 徐興玉1， 尹 瑩2

（1. 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2. 武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用在各個領(lǐng)域都得到了蓬勃發(fā)展，主要針對橋梁健康安全隱患，設(shè)計、實現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)，并進行了實例驗證。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的拱肋變形、拱座水平相對位移、拱座不均勻沉降、主梁變形、吊桿系桿索力、拱肋主梁應(yīng)變及環(huán)境信息進行實時智能采集與傳輸；研發(fā)了中間件套件，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)實時信息的接收、存儲；通過可視化監(jiān)控軟件進行遠程監(jiān)控與預(yù)警，為橋梁監(jiān)控、管理、養(yǎng)護提供決策依據(jù)，保證橋梁基礎(chǔ)設(shè)施的安全使用。論文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在某大橋健康監(jiān)控中的應(yīng)用案例分析，是有益的探索。

物聯(lián)網(wǎng)；橋梁監(jiān)測；實時監(jiān)控；中間件

隨著交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的橋梁建設(shè)比重日益增大[1]。由于環(huán)境侵蝕、荷載效應(yīng)、材料老化、疲勞等作用，作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁在運營過程中不可避免的發(fā)生損傷，極端情況下甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性的突發(fā)事故。由于傳統(tǒng)的橋梁安全監(jiān)控方法不合理、監(jiān)測儀器選用不當(dāng)?shù)戎饔^因素影響，橋梁運營過程中的實時監(jiān)控效率大大降低，致使服役橋梁存在許多安全隱患[2]。近年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，并越來越多集成應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施安全健康監(jiān)控[3]，其中光纖光柵傳感及解調(diào)技術(shù)、通訊接口與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、中間件技術(shù)、Web Service與數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以很好彌補傳統(tǒng)監(jiān)控方法的實時性差、效率低、成本高、損耗大等缺點。通過系統(tǒng)集成，實現(xiàn)模塊間相互協(xié)同工作，構(gòu)建了橋梁長期健康監(jiān)控系統(tǒng)，為橋梁的管理、維護、運營提供有效決策支撐，保證橋梁正常安全作用。

1 橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)指的是將各種信息傳感設(shè)備與各種無線通信技術(shù)相結(jié)合，與互聯(lián)網(wǎng)進行深入廣泛的融合，從而實現(xiàn)物與物、人與人的規(guī)?；ヂ?lián)[4]。應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有：光纖光柵傳感與解調(diào)技術(shù)、通訊接口與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、中間件技術(shù)、Web Service與數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)。

1.1 光纖光柵傳感與解調(diào)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)上部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實時性，按一定頻率周期性采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)[5]。

光纖光柵傳感通過檢測每段光柵反射回來的光信號波長值變化，實現(xiàn)對被測參數(shù)的測量[6]，其中，一個波峰代表一個光纖光柵傳感器，可以在一條光纖上實現(xiàn)多點分布式測量。光纖光柵的反射波長受外界應(yīng)力和溫度變化而變化，同時這種變化具有非常好的線性[7]。光纖光柵的反射波長對溫度和應(yīng)變非常敏感，對溫度為10.3pm/oC，對應(yīng)變?yōu)?1.2pm/με。在橋梁健康監(jiān)控中用的傳感器主要是光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器除了具有傳統(tǒng)電類傳感器功能外，它還具有分布傳感、抗電磁干擾、精度高、長期穩(wěn)性好、易于布設(shè)等優(yōu)點。

1.2 通訊接口與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

光纖傳輸是一種以光導(dǎo)纖維為介質(zhì)，以光的形式進行的數(shù)據(jù)、信號傳輸方式，不僅可用來傳輸模擬信號和數(shù)字信號，而且可以滿足視頻傳輸?shù)男枨?。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、抗干擾性強、安全性能高、體積小、重量輕等優(yōu)點，所以在長距離傳輸和特殊環(huán)境等方面具有無法比擬的優(yōu)勢。

全站儀與光纖光柵解調(diào)儀和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸通訊接口采用的是RS-232-C， RS-232-C采用的是串行通訊方式，允許全雙工通訊，它因具有傳輸線少、成本低、配線簡單、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于計算機與終端通訊設(shè)備之間的通訊[8]。

1.3 中間件技術(shù)

在橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中，中間件在光纖光柵解調(diào)儀和數(shù)據(jù)傳輸處理服務(wù)器之間，主要任務(wù)是完成光纖光柵解調(diào)儀和系統(tǒng)應(yīng)用程序之間的通訊。其基本原理是通過程序代碼調(diào)用計算機RS-232-C通信接口，將從串口獲取的數(shù)據(jù)字符串按照通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析、格式處理得到監(jiān)測的物理數(shù)值，再將這些數(shù)值同時發(fā)送給實時監(jiān)控程序和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲。

1.4 Web Service與數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)

Web Service最大優(yōu)勢是提供了異構(gòu)平臺無縫銜接技術(shù)手段，它主要通過SOAP，即簡單對象訪問協(xié)議，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的通信[9]。它將程序?qū)ο缶幋a成為獨立與平臺XML對象的規(guī)則，執(zhí)行遠程過程調(diào)用(RPC)的約定從而實現(xiàn)不同平臺、不同系統(tǒng)間通信。

數(shù)據(jù)可視化是關(guān)于數(shù)據(jù)之視覺表現(xiàn)形式的研究，旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息。其基本思想是將數(shù)據(jù)庫中每一個數(shù)據(jù)項作為單個圖元元素表示，大量數(shù)據(jù)集構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像，同時將數(shù)據(jù)各個屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示，可以從不同維度觀察數(shù)據(jù)，從而對數(shù)據(jù)進行更深入觀察和分析。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控總體架構(gòu)

橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)是一個以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺，應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)，優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、交通監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、綜合報警、信息網(wǎng)絡(luò)分析處理各功能子系統(tǒng)為一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)是通過全站儀技術(shù)、光纖光柵傳感及解調(diào)技術(shù)、中間件技術(shù)、可視化技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的拱肋變形、拱座水平相對位移、拱座不均勻沉降、主梁變形、吊桿系桿索力、拱肋主梁應(yīng)變及環(huán)境信息進行實時在線監(jiān)測。同時與定期檢測系統(tǒng)、橋梁設(shè)計與荷載試驗資料庫協(xié)同作用，將定期巡檢相關(guān)信息以及橋梁設(shè)計與荷載試驗資料錄入該系統(tǒng)，形成綜合電子化管理，為橋梁管理、養(yǎng)護提供決策依據(jù)。其系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 橋梁健康監(jiān)控總體架構(gòu)圖

2.2 橋梁監(jiān)控參數(shù)選取

在承載已定的情況下，反應(yīng)拱橋健康狀況的因素主要包括拱肋、主梁和拉索三大部分的線形、截面應(yīng)力（應(yīng)變）、索力及溫度等。橋梁健康監(jiān)控的參數(shù)和對應(yīng)傳感器如表1所示。

表1 橋梁監(jiān)控參數(shù)說明表

2.3 橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要有信息采集模塊、信號解析與處理模塊、數(shù)據(jù)解析與實時監(jiān)控、遠程狀態(tài)分析及預(yù)測模塊等組成。各模塊間采用光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，保證現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的長距離不間斷傳輸及各功能模塊的故障檢測與維護。

2.3.1 信息采集模塊

信息采集模塊是通過全站儀和有光纖光柵傳感器組成的傳感網(wǎng)絡(luò)對橋梁的風(fēng)、浪、冰、車輛荷載等的環(huán)境量，應(yīng)力、變形、裂紋、疲勞損傷、反力等局部量及動力特性和狀態(tài)反應(yīng)等整體量進行監(jiān)測。針對不同監(jiān)控內(nèi)容在特定位置布置全站儀以及特定傳感器，在滿足條件情況下最大程度的減少監(jiān)控點以降低成本投入。

2.3.2 信號解析與處理模塊

信號解析與處理的主要內(nèi)容是通過光纖光柵解調(diào)儀對傳感元件發(fā)回的光波信號智能解析轉(zhuǎn)化為物理變化量，并將物理變化量以特定的協(xié)議處理打包，通過RS-232通訊接口發(fā)送至服務(wù)器。

2.3.3 數(shù)據(jù)解析與實時監(jiān)控模塊

通過中間件軟件套件，將下位機，即光纖光柵解調(diào)儀和全站儀通過RS-232-C通訊接口發(fā)送的數(shù)據(jù)按照特定的協(xié)議解析成應(yīng)力、溫度、位移量等信息并存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。采用報表、圖形等多種形式將實時數(shù)據(jù)、安全評估報告、預(yù)警信息展示給監(jiān)測人員。

2.3.4 遠程狀態(tài)分析及預(yù)測模塊

通過Web Service技術(shù)將橋梁健康監(jiān)控信息部署至Web網(wǎng)絡(luò)，供不同平臺、語言和通訊協(xié)議調(diào)用，形成一系列支持多終端，多操作系統(tǒng)并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、及時預(yù)警、橋梁健康安全預(yù)測功能的遠程監(jiān)控軟件，使橋梁監(jiān)管人員可以隨時隨地通過不同終端查看橋梁當(dāng)前狀態(tài)，對異常狀況采取對應(yīng)措施，并依據(jù)對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析預(yù)測橋梁健康狀況。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)實例

某大橋為典型的鋼混拱橋結(jié)構(gòu)，總長約為2.5km，橋梁設(shè)計總長為712m，主橋215m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼管拱混凝土，下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，引橋上部結(jié)構(gòu)采用30m箱梁，下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，柱式墩。拱橋是由活載分布構(gòu)件、傳遞構(gòu)件以及承重構(gòu)件組成的三元構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜。其中拱肋是主要承重構(gòu)件，主要承受壓力；橋面、橫梁、縱梁等為活載分布構(gòu)件直接承受了交通荷載；吊桿則是前兩者聯(lián)系的傳遞構(gòu)件，主要是將橋面荷載、橫梁自重、交通荷載等傳遞給拱肋。

系統(tǒng)的實現(xiàn)主要包括設(shè)備選型、全站儀與傳感器布置、服務(wù)器配置、軟件開發(fā)與部署幾個步驟。限于篇幅，下面介紹其主要部分。

3.1 全站儀與傳感器布置

3.1.1 全站儀布置

全站儀能同時觀測測點的三維坐標，從而得到水平、垂直位移量，是一種靈活方便、高效經(jīng)濟的觀測手段，對橋梁變形觀測能收到事半功倍之效。該大橋變位監(jiān)測具有范圍廣、目標點數(shù)多、重復(fù)觀測、精度要求高等特點，基于這些特點，系統(tǒng)選用智能型全站儀自動完成觀測和通信任務(wù)。在觀測任務(wù)中，全站儀的機載程序驅(qū)動馬達掃描監(jiān)測對象，自動識別布設(shè)在監(jiān)測對象上的棱鏡并照準，然后完成測量并記錄下棱鏡中心的三維坐標。在通信任務(wù)中，觀測數(shù)據(jù)以無線傳輸方式發(fā)送給中控站數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)器將觀測數(shù)據(jù)推送到監(jiān)視系統(tǒng)和分析系統(tǒng)。

為保證測量精度全站儀基站與測點最遠距離不能超過 500m。為了充分發(fā)揮全站儀一部儀器觀測任意多點能力，全站儀基站位置應(yīng)能夠觀察到盡可能多的橋梁構(gòu)件，亦即應(yīng)盡可能避免前方構(gòu)件遮擋后方構(gòu)件。

全站儀具有觀測任意多個不同位置三維坐標的能力，可以設(shè)置足夠多的測點，準確地獲取主梁和拱肋的變形。圖2所示為與全站儀基站臨近一側(cè)拱座、主梁和拱肋上測點布設(shè)，在其他拱肋和主梁上測點布置依據(jù)通視條件而定。

圖2 結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測項觀測點的位置

3.1.2 傳感器布置

將加速度傳感器安裝在上行側(cè)主橋吊索上，總計8個傳感器分布于2片拱肋上。其中內(nèi)側(cè)拱肋安裝在1/4跨、1/2跨、3/4跨處吊桿和兩側(cè)的最短吊桿共5個位置處；外側(cè)拱肋只安裝在1/4跨、1/2跨和一側(cè)的最短吊桿共3個位置處。加速度傳感器連同保護盒用卡箍固定在吊桿底部，距離橋面1-2米處。

只選擇上行側(cè)主橋布置溫度和應(yīng)變傳感器。從節(jié)約成本的角度考慮，重點監(jiān)測兩片拱肋中的內(nèi)側(cè)拱肋，兼顧外側(cè)拱肋。溫度和應(yīng)變傳感器布設(shè)截面選擇在跨中橋面斷面、跨中橫梁斷面、拱肋的拱頂斷面、1/4跨斷面和兩邊的拱腳斷面。

3.2 軟件開發(fā)與部署

軟件系統(tǒng)包含C/S（客戶機/服務(wù)器架構(gòu)）模式實時監(jiān)控系統(tǒng)和B/S（瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)）模式遠程分析與預(yù)測系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)均在微軟的.NET Framework 4.0平臺下編寫，采用模塊化開發(fā)，應(yīng)用分層架構(gòu)使整個系統(tǒng)更符合軟件開發(fā)的“高內(nèi)聚，低耦合”的思想。C/S實時監(jiān)控系統(tǒng)安裝在特設(shè)的監(jiān)控室內(nèi)，有監(jiān)控人員通過系統(tǒng)可視化界面與預(yù)警子系統(tǒng)實時監(jiān)測橋梁狀態(tài)。C/S系統(tǒng)需要與硬件相連，只限于在特定監(jiān)控室中使用，無法達到終端遠程監(jiān)控，因此，設(shè)計開發(fā)基于Web的B/S遠程分析與預(yù)測系統(tǒng)。

作為橋梁健康監(jiān)測信息交互平臺，應(yīng)用系統(tǒng)滿足可用性、實用性和可靠性；應(yīng)用系統(tǒng)具有完備的擴展功能，為系統(tǒng)今后功能擴展、升級留有接口，并有利于系統(tǒng)的推廣應(yīng)用；采用 B/S與C/S兩種結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計整個監(jiān)控系統(tǒng)，既可以滿足實時監(jiān)控的實時性、可控性，又能達到遠程隨時隨地查看橋梁安全狀態(tài)，可視化分析與預(yù)測的目的。依據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計出相應(yīng)功能模塊，B/S軟件系統(tǒng)界面首頁截圖如圖3所示。

圖3 橋梁監(jiān)控系統(tǒng)運行界面圖

4 結(jié) 論

把物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到橋梁健康監(jiān)控中，為橋梁健康監(jiān)控和安全評價注入了新的活力。本文將多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用到橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中，采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)對橋梁長期健康監(jiān)控。同時與定期檢測系統(tǒng)、橋梁設(shè)計與荷載試驗資料庫協(xié)同作用，將定期巡檢相關(guān)信息以及橋梁設(shè)計與荷載試驗資料錄入該系統(tǒng)，形成綜合電子化管理，為橋梁管理、養(yǎng)護提供決策依據(jù)。

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The Design and Implement of Bridge Health Monitoring System Based on Internet of Things

Zu Qiaohong1, Zhang Haifeng1, Xu Xingyu1, Yin Ying2
( 1. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan hubei 430063, China; 2. School of Information Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan hubei 430070, China )

The research and application of Internet of Things (IOT) technology have been developed vigorously in various fields. Regarding to the hidden safety trouble of bridge health, a set of bridge health monitoring systems are designed and implemented based on IOT technology, which are verified by an example. IOT technology is adopted to realize real-time intelligent acquisition and transmission of the bridge structure’s arch rib deformation, abutment level relative displacement, abutment uneven settlement, girder deformation, cable force of the booms and bars, strain of the arch rib and girder and environmental information. A middleware software suite is developed to realizethe real-time receiving and storage of the bridge structure’s information. The visual monitoring software is used to realize remote monitoring and early warning, which provides the decision basis of the bridge monitoring, management and maintenance and guarantees the safe use of the bridge foundation facilities. A case analysis of the application of IOT technology in health monitoring of a river bridge is givenas a beneficial exploration.

internet of things; bridge monitoring; real time monitoring; middleware software

TP 391

A

2095-302X (2013)05-0007-05

2013-05-14；定稿日期： - -

祖巧紅（1971-），女，河南鞏義人，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘。

E-mail：zuqiaohong@foxmail.com