智能手机结构健康云监测技术

赵雪峰等

摘 要：近年来，高度集成的处理器、传感模块、网络通讯及数据存储等功能的智能手机发展迅速。文中基于智能手机的结构健康云监测方法，研发了猎户座云细胞（Orion CC）智能手机结构健康云监测系统。该程序集数据采集、数据分析及数据上传等功能于一体，通过桥梁拉索索力测试验证了该技术方法的可行性；建立了智能手机结构健康云监测数据共享平台，使手机和网站的云监测数据同步，实现数据上传与共享，大大提高了监测和大数据融合效率，从而使结构健康云监测的大数据收集与评定成为可能。

关键词：智能手机；云监测；结构健康监测；智能终端

中图分类号：TU317；TP368.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）08-000-04

0 引 言

近十几年来，作为保障大型工程结构安全的有效措施，结构健康监测领域的研究与应用取得了长足发展。中国很多大跨桥梁，例如舟山西堠门大桥、虎门大桥、江阴长江大桥等，都安装了结构健康监测系统，针对温度、车辆荷载、应变、挠度、拉索振动、主梁振动等参量进行长期监测与评定[1]。结构健康监测技术已经日臻成熟。但是，同样也存在一些需要考虑完善的问题。结构健康监测系统目前大部分安装在大型工程结构中，如大跨桥梁，大坝，超高层结构，海洋平台等，需要昂贵的传感系统，数据采集系统和数据传输系统，同时需要专业人员来实施操作。然而，对于一些小型的工程结构，由于其造价高、专业性强的特点限制，则很少进行监测。开发适用于普通群众参与的低成本、零成本、快速、简单、便捷的监测技术十分必要[2]。

智能手机作为目前发展最为迅速的一种通讯工具，已拥有了技术先进的硬软件集成平台，是物联网建设中非常重要的一个环节。目前智能手机已经在一些领域得到应用，比如人体的健康监测[3，4]、汽车碰撞[5，，6]、家电控制[7]、图书馆管理[8]、运动识别[9-11]等。智能手机内置传感、网络通讯、计算分析及存储等功能，为其在结构健康监测中的应用提供可能性。本研究团队于2011年率先提出基于智能手机的结构健康云监测方法，并开展了系统的研究。首次将智能手机应用于结构健康监测中，证实了其可行性与有效性[12]；应用内置传感器和研发手机外接传感模块成功测试结构振动加速度进而实现索力的测量[13-15]；应用内置陀螺仪进行倾角监测，并用于星海湾跨海大桥钢桁梁吊装监测[16]；基于手机人机交互式界面开发地震烈度、损伤统计分析软件[17，18]；开发了基于视频位移监测原理的智能手机位移监测程序D-Viewer，并在苹果商店与安卓App应用平台发布。2015年7月，在第7届智能结构健康监测国际会议（SHMII 2015）上组织了“智能手机结构健康云监测与应用”的专题峰会[18]。本文提出了基于智能手机的结构健康云监测技术，并开发了结构健康智能手机云监测系统猎户座云细胞（Orion CC）应用于桥梁拉索索力测试中，测试结果证明了该软件的便捷性及高效性。并建立了结构云监测数据共享平台www.cloudshm.com，此开放式平台为数据上传、共享及实现大数据云计算提供了可能。

1 智能手机结构健康安全云监测构架

本文提出的基于智能手机的结构健康安全云监测技术构架如图1所示。该结构包括感知控制层、网络传输层、信息汇聚层、数据加工层、诊断决策层和信息输出层。

在人们的日常生活中，智能手机扮演着重要的角色，其内置传感器、网络与存储功能可以为结构健康云监测技术的实现提供可能。通过手机内部传感器获得结构或环境的一些参数，例如地理位置信息、温度、加速度、倾角、位移等，其交互式界面也可应用到地震烈度调查获得烈度信息。因手机数量庞大，只要有对应的监测软件便可得到监测信息，所以手机的使用会使大众参与式监测成为可能。获得数据后，通过手机网络信号将数据上传至服务器或网站，使监测大数据汇聚。然后对大数据进行加工分析，得到结构的物理参数改变情况。进而进入诊断决策层，通过结构物理特性的改变对结构损伤情况进行评定，最后输出结构安全信息。基于输出的结构安全或损伤信息，提供相应的安全措施，并反馈至手机用户端，给予指导和帮助。

2 结构健康智能手机云监测系统Orion CC

2.1 程序的设计

结构健康智能手机云监测系统以程序“猎户座云细胞”为基础，该程序英文名为Orion CC（Orion Cloud cell）。建立在iPhone平台上，可以调用手机内部摄像头、加速度传感器、陀螺仪等进行数据采集，获得采集图像、加速度和倾角等数据，并可获得地理位置信息。然后数据分析功能可以计算得到索力测试所需参数。所有的采集数据和索力数据都可以通过网络上传至数据共享平台www.cloudshm.com。

2.2 程序功能

该程序的部分界面如图2所示。图2 （a）为该程序的主界面，主要包括以下几个功能：

（1）当前位置的采集，用来获取当前所做监测的具体位置信息。

（2）采集项目的建立，用来建立当前所做测试的数据库，可进行采集的项目如图2（b）所示。

（3）数据分析，对所建项目的加速度采集数据进行分析，可以得到加速度时程曲线及频谱图，通过选取不同阶次的频率值计算频差值如图2（c）所示。并结合索的参数，快速进行索力计算如图2（d）所示。

2.3 程序功能的网络扩展

该程序所采集的数据可以通过网络上传至结构云监测数据共享平台www.cloudshm.com。若要实现这一功能，首先要注册账户，使之成为手机端与网站的用户。该账号对于手机端与网站端是通用的。进行采集时，通过自己的账户进行登录如图3所示，继而进入图2（a）的主界面，实现所需功能。

当完成所有采集和计算后，将项目进行同步，此次监测的数据包括位置信息、加速度、索力等，便可同步至网站，实现数据共享。

3 Orion CC在桥梁索力监测中的应用

3.1 Orion CC概述

Orion CC程序可以进行索力的快速计算。该方法的基本原理是振动法测试索力，通过加速度传感器获得斜拉索的振动信息，得到加速度时程曲线，并对其做傅里叶变换，得到频谱图。从频谱图中可以获得振动基频，即第一阶频率，其与索力有固定的关系。但是实际工程中，第一阶频率往往不明显，现场工程师通常选取频差值进行索力的计算。其计算公式为：F=4ml2Δf2，m为索的质量线密度，l为索长，Δf为频差值。

当数据与网站同步后，监测大数据便上传至网站。从网站上可以观察所有上传的监测项目，监测大数据的汇聚效率大大提高，任何人都可以上传，访问与共享数据。该方法也可以推广至土木工程结构的其他监测项目，使监测大数据汇总至网站，并对其进行大数据分析，自然灾害来临时，结合数据上传情况，快速的进行区域灾害评定。

3.2 星海湾大桥索力测试

3.2.1 测试现场描述

将Orion CC应用于星海湾跨海大桥的索力测试中，通过Orion CC所得索力与Matlab后期处理的对比，来判断该软件的可行性。

星海湾大桥立面图如图4所示，所做测试为15～18组。每组包含两根吊杆，测试15～17号的各一根，及18号的两根吊杆。测试当天天气为-8 ℃，海上风力8～9级，现场条件恶劣。

以第18组吊杆为例，现场的实验照片如图5所示。使用带有可触屏固定套的子母带将其固定在吊杆上，使其自由激振或者给予人工振动。获得加速度数值。最后使用软件Orion-CC，结合吊杆参数获得索力数据。

3.2.2 测试结果

通过现场对5根吊杆进行测试，每组测试3次，由手机直接得到频差与Matlab后期对比，对比结果如表1所列。

由表1可以看出，在对同一根吊杆的测试中，每次测试用两种方法得到的结果相差很小。最大也不到1%。而对于每根索3组的测量数据，该软件Orion CC进行频差分析所得频差也很接近，误差均低于1%。总体来说保持在很小的误差之内，采用Orion CC进行数据采集并分析，结果重复性良好。

由以上在实际结构中进行监测的结果证明，该软件可以在实际结构中进行应用，而且体现了良好的稳定性。相比其他监测方式来说，方便、快捷是最大的优势。目前Orion CC已经发布到App Store，所有人都可以免费下载，而只要安装了该软件，任何对桥梁索力感兴趣的人都可以自己进行监测了解，降低了对专业性的要求。该方法无需任何专业设备即可实现对桥梁索力的测试，极大地降低了索力测试成本。

4 结构云监测数据共享平台

Orion CC手机云监测系统作为一个高效且便捷的健康监测信息采集和传输平台，同时具备数据处理和网络上传等功能，用户可将采集到的数据通过网络上传至服务器终端，即结构云监测数据共享平台，为后期结构健康监测提供数据支持，同时也因该系统具有公众可参与性强的特点，为应急状态下的大区域结构安全快速监测提供了可能。

结构云监测数据共享平台支持用户注册，注册后用户可以登陆个人账号建立相应的监测主项目和相应的子项目，然后完成相应的监测数据采集工作，用户在数据处理后可以选择网络同步功能来上传相应的监测数据。该平台目前支持图像信息、地理位置信息以及软件后处理数据信息的网络上传。用户只需登录结构云监测数据共享平台www.cloudshm.com即可对个人监测信息进行管理，如图6所示。

友好的手机操作界面不仅为专业的工程技术人员提供了方便、节约了成本，同时也因其高效便捷易操作等优点而使其更易于被公众接受，主动参与到结构健康监测活动，在应急情况下则为大区域的结构安全快速健康评估提供了可能。这是常规的结构健康监测系统无法实现的。该结构云监测数据共享平台可以将用户采集作业时的地理位置信息和相应的项目名称显示在地图中，为便于公众查看，这里给出如图7所示的示例图。

本研究中心开发的结构云监测数据共享平台，不仅为用户提供了数据的在线管理，同时也为公众参与结构健康监测提供了交流和信息共享的平台，为实现大区域内结构安全快速评估提供了数据支持和可能。

5 结 语

本文提出了一种基于智能手机的结构健康云监测方法，在iPhone手机上开发了Orion CC智能手机云监测系统，并将之应用在实际工程索力测试中，测试结果证明了其可行性和便捷性。建立了结构云监测数据共享平台www.cloudshm.com，只要注册账户，便可实现数据上传与共享，便于监测大数据的融合、分析与安全快速评估。目前Orion CC数据与网站可以成功实现同步和共享，使得结构健康云监测的大数据收集与评定成为可能。智能手机结构健康云监测领域的研究将是当前传统结构健康监测技术的重要补充。同时该方法使得公众参与的结构安全手机云监测大数据采集成为可能，将能够获得传统结构健康监测所无法获得的监测与评定结果。

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