智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測技術(shù)

趙雪峰等

摘 要：近年來，高度集成的處理器、傳感模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊及數(shù)據(jù)存儲等功能的智能手機(jī)發(fā)展迅速。文中基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測方法，研發(fā)了獵戶座云細(xì)胞（Orion CC）智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測系統(tǒng)。該程序集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)上傳等功能于一體，通過橋梁拉索索力測試驗(yàn)證了該技術(shù)方法的可行性；建立了智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺，使手機(jī)和網(wǎng)站的云監(jiān)測數(shù)據(jù)同步，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與共享，大大提高了監(jiān)測和大數(shù)據(jù)融合效率，從而使結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測的大數(shù)據(jù)收集與評定成為可能。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；云監(jiān)測；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；智能終端

中圖分類號：TU317；TP368.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-000-04

0 引 言

近十幾年來，作為保障大型工程結(jié)構(gòu)安全的有效措施，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究與應(yīng)用取得了長足發(fā)展。中國很多大跨橋梁，例如舟山西堠門大橋、虎門大橋、江陰長江大橋等，都安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，針對溫度、車輛荷載、應(yīng)變、撓度、拉索振動、主梁振動等參量進(jìn)行長期監(jiān)測與評定[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)日臻成熟。但是，同樣也存在一些需要考慮完善的問題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)目前大部分安裝在大型工程結(jié)構(gòu)中，如大跨橋梁，大壩，超高層結(jié)構(gòu)，海洋平臺等，需要昂貴的傳感系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，同時(shí)需要專業(yè)人員來實(shí)施操作。然而，對于一些小型的工程結(jié)構(gòu)，由于其造價(jià)高、專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)限制，則很少進(jìn)行監(jiān)測。開發(fā)適用于普通群眾參與的低成本、零成本、快速、簡單、便捷的監(jiān)測技術(shù)十分必要[2]。

智能手機(jī)作為目前發(fā)展最為迅速的一種通訊工具，已擁有了技術(shù)先進(jìn)的硬軟件集成平臺，是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前智能手機(jī)已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用，比如人體的健康監(jiān)測[3，4]、汽車碰撞[5，，6]、家電控制[7]、圖書館管理[8]、運(yùn)動識別[9-11]等。智能手機(jī)內(nèi)置傳感、網(wǎng)絡(luò)通訊、計(jì)算分析及存儲等功能，為其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用提供可能性。本研究團(tuán)隊(duì)于2011年率先提出基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測方法，并開展了系統(tǒng)的研究。首次將智能手機(jī)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，證實(shí)了其可行性與有效性[12]；應(yīng)用內(nèi)置傳感器和研發(fā)手機(jī)外接傳感模塊成功測試結(jié)構(gòu)振動加速度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)索力的測量[13-15]；應(yīng)用內(nèi)置陀螺儀進(jìn)行傾角監(jiān)測，并用于星海灣跨海大橋鋼桁梁吊裝監(jiān)測[16]；基于手機(jī)人機(jī)交互式界面開發(fā)地震烈度、損傷統(tǒng)計(jì)分析軟件[17，18]；開發(fā)了基于視頻位移監(jiān)測原理的智能手機(jī)位移監(jiān)測程序D-Viewer，并在蘋果商店與安卓App應(yīng)用平臺發(fā)布。2015年7月，在第7屆智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測國際會議（SHMII 2015）上組織了“智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測與應(yīng)用”的專題峰會[18]。本文提出了基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測技術(shù)，并開發(fā)了結(jié)構(gòu)健康智能手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)獵戶座云細(xì)胞（Orion CC）應(yīng)用于橋梁拉索索力測試中，測試結(jié)果證明了該軟件的便捷性及高效性。并建立了結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺www.cloudshm.com，此開放式平臺為數(shù)據(jù)上傳、共享及實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)云計(jì)算提供了可能。

1 智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康安全云監(jiān)測構(gòu)架

本文提出的基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康安全云監(jiān)測技術(shù)構(gòu)架如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、信息匯聚層、數(shù)據(jù)加工層、診斷決策層和信息輸出層。

在人們的日常生活中，智能手機(jī)扮演著重要的角色，其內(nèi)置傳感器、網(wǎng)絡(luò)與存儲功能可以為結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供可能。通過手機(jī)內(nèi)部傳感器獲得結(jié)構(gòu)或環(huán)境的一些參數(shù)，例如地理位置信息、溫度、加速度、傾角、位移等，其交互式界面也可應(yīng)用到地震烈度調(diào)查獲得烈度信息。因手機(jī)數(shù)量龐大，只要有對應(yīng)的監(jiān)測軟件便可得到監(jiān)測信息，所以手機(jī)的使用會使大眾參與式監(jiān)測成為可能。獲得數(shù)據(jù)后，通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器或網(wǎng)站，使監(jiān)測大數(shù)據(jù)匯聚。然后對大數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，得到結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)改變情況。進(jìn)而進(jìn)入診斷決策層，通過結(jié)構(gòu)物理特性的改變對結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行評定，最后輸出結(jié)構(gòu)安全信息。基于輸出的結(jié)構(gòu)安全或損傷信息，提供相應(yīng)的安全措施，并反饋至手機(jī)用戶端，給予指導(dǎo)和幫助。

2 結(jié)構(gòu)健康智能手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)Orion CC

2.1 程序的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)健康智能手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)以程序“獵戶座云細(xì)胞”為基礎(chǔ)，該程序英文名為Orion CC（Orion Cloud cell）。建立在iPhone平臺上，可以調(diào)用手機(jī)內(nèi)部攝像頭、加速度傳感器、陀螺儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得采集圖像、加速度和傾角等數(shù)據(jù)，并可獲得地理位置信息。然后數(shù)據(jù)分析功能可以計(jì)算得到索力測試所需參數(shù)。所有的采集數(shù)據(jù)和索力數(shù)據(jù)都可以通過網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)共享平臺www.cloudshm.com。

2.2 程序功能

該程序的部分界面如圖2所示。圖2 （a）為該程序的主界面，主要包括以下幾個(gè)功能：

（1）當(dāng)前位置的采集，用來獲取當(dāng)前所做監(jiān)測的具體位置信息。

（2）采集項(xiàng)目的建立，用來建立當(dāng)前所做測試的數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行采集的項(xiàng)目如圖2（b）所示。

（3）數(shù)據(jù)分析，對所建項(xiàng)目的加速度采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到加速度時(shí)程曲線及頻譜圖，通過選取不同階次的頻率值計(jì)算頻差值如圖2（c）所示。并結(jié)合索的參數(shù)，快速進(jìn)行索力計(jì)算如圖2（d）所示。

2.3 程序功能的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展

該程序所采集的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)上傳至結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺www.cloudshm.com。若要實(shí)現(xiàn)這一功能，首先要注冊賬戶，使之成為手機(jī)端與網(wǎng)站的用戶。該賬號對于手機(jī)端與網(wǎng)站端是通用的。進(jìn)行采集時(shí)，通過自己的賬戶進(jìn)行登錄如圖3所示，繼而進(jìn)入圖2（a）的主界面，實(shí)現(xiàn)所需功能。

當(dāng)完成所有采集和計(jì)算后，將項(xiàng)目進(jìn)行同步，此次監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括位置信息、加速度、索力等，便可同步至網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3 Orion CC在橋梁索力監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 Orion CC概述

Orion CC程序可以進(jìn)行索力的快速計(jì)算。該方法的基本原理是振動法測試索力，通過加速度傳感器獲得斜拉索的振動信息，得到加速度時(shí)程曲線，并對其做傅里葉變換，得到頻譜圖。從頻譜圖中可以獲得振動基頻，即第一階頻率，其與索力有固定的關(guān)系。但是實(shí)際工程中，第一階頻率往往不明顯，現(xiàn)場工程師通常選取頻差值進(jìn)行索力的計(jì)算。其計(jì)算公式為：F=4ml2Δf2，m為索的質(zhì)量線密度，l為索長，Δf為頻差值。

當(dāng)數(shù)據(jù)與網(wǎng)站同步后，監(jiān)測大數(shù)據(jù)便上傳至網(wǎng)站。從網(wǎng)站上可以觀察所有上傳的監(jiān)測項(xiàng)目，監(jiān)測大數(shù)據(jù)的匯聚效率大大提高，任何人都可以上傳，訪問與共享數(shù)據(jù)。該方法也可以推廣至土木工程結(jié)構(gòu)的其他監(jiān)測項(xiàng)目，使監(jiān)測大數(shù)據(jù)匯總至網(wǎng)站，并對其進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，自然災(zāi)害來臨時(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)上傳情況，快速的進(jìn)行區(qū)域?yàn)?zāi)害評定。

3.2 星海灣大橋索力測試

3.2.1 測試現(xiàn)場描述

將Orion CC應(yīng)用于星海灣跨海大橋的索力測試中，通過Orion CC所得索力與Matlab后期處理的對比，來判斷該軟件的可行性。

星海灣大橋立面圖如圖4所示，所做測試為15～18組。每組包含兩根吊桿，測試15～17號的各一根，及18號的兩根吊桿。測試當(dāng)天天氣為-8 ℃，海上風(fēng)力8～9級，現(xiàn)場條件惡劣。

以第18組吊桿為例，現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)照片如圖5所示。使用帶有可觸屏固定套的子母帶將其固定在吊桿上，使其自由激振或者給予人工振動。獲得加速度數(shù)值。最后使用軟件Orion-CC，結(jié)合吊桿參數(shù)獲得索力數(shù)據(jù)。

3.2.2 測試結(jié)果

通過現(xiàn)場對5根吊桿進(jìn)行測試，每組測試3次，由手機(jī)直接得到頻差與Matlab后期對比，對比結(jié)果如表1所列。

由表1可以看出，在對同一根吊桿的測試中，每次測試用兩種方法得到的結(jié)果相差很小。最大也不到1%。而對于每根索3組的測量數(shù)據(jù)，該軟件Orion CC進(jìn)行頻差分析所得頻差也很接近，誤差均低于1%?？傮w來說保持在很小的誤差之內(nèi)，采用Orion CC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析，結(jié)果重復(fù)性良好。

由以上在實(shí)際結(jié)構(gòu)中進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)果證明，該軟件可以在實(shí)際結(jié)構(gòu)中進(jìn)行應(yīng)用，而且體現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。相比其他監(jiān)測方式來說，方便、快捷是最大的優(yōu)勢。目前Orion CC已經(jīng)發(fā)布到App Store，所有人都可以免費(fèi)下載，而只要安裝了該軟件，任何對橋梁索力感興趣的人都可以自己進(jìn)行監(jiān)測了解，降低了對專業(yè)性的要求。該方法無需任何專業(yè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對橋梁索力的測試，極大地降低了索力測試成本。

4 結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺

Orion CC手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)作為一個(gè)高效且便捷的健康監(jiān)測信息采集和傳輸平臺，同時(shí)具備數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)上傳等功能，用戶可將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器終端，即結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺，為后期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也因該系統(tǒng)具有公眾可參與性強(qiáng)的特點(diǎn)，為應(yīng)急狀態(tài)下的大區(qū)域結(jié)構(gòu)安全快速監(jiān)測提供了可能。

結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺支持用戶注冊，注冊后用戶可以登陸個(gè)人賬號建立相應(yīng)的監(jiān)測主項(xiàng)目和相應(yīng)的子項(xiàng)目，然后完成相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作，用戶在數(shù)據(jù)處理后可以選擇網(wǎng)絡(luò)同步功能來上傳相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。該平臺目前支持圖像信息、地理位置信息以及軟件后處理數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)上傳。用戶只需登錄結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺www.cloudshm.com即可對個(gè)人監(jiān)測信息進(jìn)行管理，如圖6所示。

友好的手機(jī)操作界面不僅為專業(yè)的工程技術(shù)人員提供了方便、節(jié)約了成本，同時(shí)也因其高效便捷易操作等優(yōu)點(diǎn)而使其更易于被公眾接受，主動參與到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測活動，在應(yīng)急情況下則為大區(qū)域的結(jié)構(gòu)安全快速健康評估提供了可能。這是常規(guī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。該結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺可以將用戶采集作業(yè)時(shí)的地理位置信息和相應(yīng)的項(xiàng)目名稱顯示在地圖中，為便于公眾查看，這里給出如圖7所示的示例圖。

本研究中心開發(fā)的結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺，不僅為用戶提供了數(shù)據(jù)的在線管理，同時(shí)也為公眾參與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了交流和信息共享的平臺，為實(shí)現(xiàn)大區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)安全快速評估提供了數(shù)據(jù)支持和可能。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測方法，在iPhone手機(jī)上開發(fā)了Orion CC智能手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)，并將之應(yīng)用在實(shí)際工程索力測試中，測試結(jié)果證明了其可行性和便捷性。建立了結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺www.cloudshm.com，只要注冊賬戶，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與共享，便于監(jiān)測大數(shù)據(jù)的融合、分析與安全快速評估。目前Orion CC數(shù)據(jù)與網(wǎng)站可以成功實(shí)現(xiàn)同步和共享，使得結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測的大數(shù)據(jù)收集與評定成為可能。智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測領(lǐng)域的研究將是當(dāng)前傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的重要補(bǔ)充。同時(shí)該方法使得公眾參與的結(jié)構(gòu)安全手機(jī)云監(jiān)測大數(shù)據(jù)采集成為可能，將能夠獲得傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所無法獲得的監(jiān)測與評定結(jié)果。

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