无人值守桥梁监测系统设计

张 勇 刘国清 王景涛

1.陆军军事交通学院学员五大队研究生队，天津 300161；2.陆军军事交通学院联合投送系，天津 300161

无人值守桥梁监测系统，可实时监测桥梁结构情况，及时评估桥梁健康状况，提前预警报警，实现桥梁故障诊断和维护的实时性和智能性，对加强桥梁的信息化管理以及减少事故的发生具有重要作用。

桥梁是国家基础设施建设的重要组成部分，对保证道路交通系统的畅通发挥着不可替代的作用。近年来，由于桥梁结构设计和材料的缺陷、自然环境的侵害、长期超负荷运营以及桥龄的增长，导致桥梁坍塌事故逐年增加，这些事故给国民经济持续稳定发展带来巨大损失，产生了社会负面影响。

传统桥梁监测系统采用布设线路的方式，接线复杂、工程造价高，达不到对桥梁检测的实时性、准确性及可靠性的要求。对桥梁巡检采用人工巡检方式，不能对桥梁状态做到实时监测，不能及时发现隐蔽病害，耗费大量人力、物力、财力，效率低下。为了减少桥梁事故的发生、改进传统巡检方式以及加强重点目标桥梁的集中统一管理，设计无人值守桥梁监测系统显得尤为重要。本文基于物联网框架体系从整体上构建桥梁监测系统，达到无人值守的目的。

1 桥梁监测系统总体技术方案

1.1 桥梁监测系统的体系架构

桥梁监测系统采用4层体系架构，自下而上分别为智能感知层、网络传输层、数据支撑层和应用服务层，各层具有各自的功能和特点。智能感知层由各种传感设备采用ZigBee技术形成自组织多条的无线传感器网络，实时采集物理环境下的桥梁结构参数以及执行远程监测中心的控制命令。网络传输层主要由ZigBee近距离无线通信和GPRS远距离无线通信融合组网，主要是用来传输底层的感知信息、应用层的控制信息。数据支撑层主要为应用层提供数据服务，保存采集的桥梁监测数据。应用服务层主要包括服务器程序和各类终端软件，为各类用户、多种终端提供信息处理、远程监测、人机交互等各类业务功能和操控界面[1]。

1.2 桥梁监测系统硬件设计

无人值守桥梁监测系统由数据采集终端、GPRS远距离数据传输系统及监测中心三部分组成。其工作流程为：通过在桥梁上布设一系列传感器节点以建立状态监测点，前端传感器节点自组织形成无线传感器网络将采集的桥梁状态参数实时发送至ZigBee协调器节点，通过GPRS公用网络和Internet网将数据发送至远程监测中心的数据中心。监测系统客户端可以对数据实时观察、分析处理，同时还可以发送命令设置无线传感器节点参数[2]。

1.2.1 数据采集终端

数据采集终端是完成对桥梁状态数据的实时采集，由终端传感器、无线传感器网络及协调器节点三部分组成。

（1）终端传感器节点。终端传感器采集桥梁所处工作环境的信息，如桥址四周风速风向及环境温度、桥上车辆荷载及视频；实时监测桥梁整体结构性能，如桥梁的结构变形、振动等物理量；重点监测桥梁关键断面应力，如静应变和动应变等参数。数据采集终端每隔固定时间采集传感器数据，并将采集的数据通过ZigBee通信模块传给汇聚节点协调器[3]。

对于具体的桥梁，重点分析桥梁四周的环境状况，比如，桥梁本身的结构、内部应力分布情况及桥梁四周的环境，合理布置传感器，确定理想的监测方案。针对不同的桥梁，应用有限元模型分析桥梁的薄弱处，依据总体分析模型来优化传感器的最佳安装位置。

（2）协调器节点。协调器节点以ARM微处理器为核心，其主要作用是接收、分析和预处理终端传感器节点传来的状态数据，自组织建立传感器网络，并进行数据协议转换，与SIM900A通过串口进行数据通讯，通过GPRS模块将各类状态参数传输至数据中心。

（3）ZigBee近距离无线传感器网络。由协调器自动建立无线网络，各类终端采集节点自动加入无线网络并周期性地采集各类桥梁状态数据，经无线传感器网络各类状态信息发送给ZigBee协调器节点，经协议转换后，利用GPRS传输模块通过Internet网将数据传输到远程监测中心。

1.2.2 GPRS远距离网络数据传输系统

GPRS（通用无线分组交换技术）为移动客户与网络之间的连接提供了方便。由于桥梁监测节点众多，信息收发频繁，考虑传输效率和应用服务成本，采用GPRS无线传输技术传输感知数据。GPRS网络经过GI接口直接连接互联网Internet，把监测中心通过互联网与数据采集终端相联。监测中心设置可固定一个IP地址，GPRS网络通过运用IP数据包的形式与监测中心进行数据传输。

1.2.3 远程监测中心

远程监测中心主要为桥梁管理部门提供各类网上服务功能，负责发送控制指令、采集实时数据、分析处理故障信息等任务。按云架构组建数据中心，实时保存桥梁数据，提供桥梁现场视频的实时浏览、历史视频监控信息的调阅与播放功能。

2 桥梁监测系统软件功能设计

桥梁监测系统功能主要包括系统登录、基本信息管理、远程控制、实时监测、预警报警、健康评估和养护决策七大功能，所设计的终端软件具有良好的人机交互界面。桥梁监测系统软件工作流程为：客户端利用浏览器向Web服务器发送信息请求，Web服务器接收到请求后，连接数据库服务器并对数据进行处理，再将数据交给Web服务器的应用程序，最后以HTML形式返回给客户端查看[3]。

远程监测中心软件采用B/S模式，利用PHP语言、Web技术、SQL Server数据库、AJAX等技术开发简便、高效、友善的人机交互软件界面，用户通过浏览器Wed页面远程访问监测中心服务器，及时获取桥梁现场的数据和运行信息并实现远程监控，同时可考虑开发移动客户端程序，将监测系统同步于手机端，方便桥梁维修人员随时查看当前桥梁的结构状态。

（1）系统登录。远程客户端用户通过浏览器打开登录界面，填写登录名、密码和验证码后经身份认证后，即可登录监测界面进行远程操作。该系统是对桥梁群的监测，用户登录成功后，可自由选择具体的桥梁。

（2）系统管理。该功能主要是对桥梁和用户的一些基本信息进行维护和管理。桥梁基本信息管理包括桥梁的基础数据，比如，桥梁建设年份、桥梁类型、桥长、桥宽、限重等信息。用户基本信息功能支持修改、添加和删除基本信息。

（3）远程控制。远程控制主要是远程管理各类终端传感器节点。通过服务器客户端远程设置终端传感器的采样方式，根据不同需求及状况选择实时监控、定时间采集、特殊状况触发采集等采集方式[3]。

（4）实时监测。该功能包括数据获取、数据显示、视频监控、历史信息查询。数据获取主要是实时收集采集现场信息，并将这些数据信息备份保存至数据库中，当远程登录访问时，可及时调用相关信息。数据显示功能主要是对桥梁的状态参数形象直观表达；视频监控是指将高清红外球形摄像仪采集的视频数据采用流媒体技术，动态显示桥梁四周的信息。历史信息查询支持按各种搜索条件查询相关的信息。通过管理人员预设的查询条件，查询服务器数据库中的数据，返回符合条件的桥梁节点数据，并支持历史数据报表打印。

（5）预警报警。该系统能实时监测桥梁在极端天气时桥梁运营不正常的状况。在系统中预先设置桥梁结构状态参数的一个或者多个阈值，当桥梁结构存在安全隐患时，系统提前预警，自动报警，自动定位故障节点，通过实时界面显示、报表、电子邮件和短信形式及时通知桥梁管理人员。

（6）健康评估。健康评估主要是对桥梁的健康状况进行实时评估、状态分析，用于判断桥梁的使用状况和使用寿命，预测桥梁状态发展。引进新的桥梁评估技术，数据中心提供云服务，对桥梁进行云诊断，自动诊断故障，并生成桥梁健康评估报告，为桥梁养护和管理提供依据和指导。

（7）养护决策。针对桥梁常出现的一些问题，建立专家系统，提供切实可行的现场解决方案，为桥梁的养护决策提供理论和技术支持。根据统计分析结果可自动生成维护和抢修方案，并支持方案的导出功能。

3 结语

本文在运用物联网技术和移动通讯技术的基础上，构建了桥梁监测系统体系架构，重点分析了桥梁监测系统硬件技术方案以及软件功能，对桥梁的养护与管理具有一定的应用与参考价值。首先，无人值守桥梁监测系统能够实时掌控桥梁交通状况，有利于桥梁管理部门在紧急情况下进行有序的交通管制；其次，系统不受时间、空间位置的限制，可以随时掌握桥梁的健康状态，及时作出判断，以减轻检修人员的工作强度、节约人力、提高工作效率。同时，随着云技术的发展，可考虑在远程监测中心建立云数据平台，对桥梁群运行健康状况进行在线、实时、连续的监测，运用云诊断技术提前发现桥梁病害并采取相应的措施，避免事故的发生，提高对桥梁的信息化、可视化、智能化的管理，为桥梁的养护提供及时、准确、科学的指导依据。最后，对于桥梁设计单位，监测系统收集的历史数据能真实反映桥梁的工作环境和状态信息，可通过对现有桥梁日常运行情况的数据进行分析，为今后桥梁结构设计改进提供更多的理论依据。