远距离桥梁健康监测与预警系统的设计与实现

王军凯

（浙江理工大学 经济管理学院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近些年来，物联网技术逐渐走进人们的视野，其通过传感器与互联网使物与物灵活的联系在一起的特点让物联网技术在各个领域大放异彩，将物联网技术引入公共事业，使其能更加高效的帮助国家与社会管理城市也变得刻不容缓[1]。桥梁的健康监测工程对桥梁能否继续安全运行与桥梁的使用寿命有重大意义，它是预防工程事故发生，确保桥梁运行安全的重要措施，如果在桥梁破坏的早期就能发现问题，可以大大的减少桥梁的维护费用。随着材料学，无线通信，信息感知和在线处理等领域的高速发展，远距离实时桥梁健康监测逐渐成为可能，如果把这些技术运用到桥梁健康监测这个领域中[7]，就能帮助监测人员更加高效的掌握桥梁实时信息，在桥梁发生破坏的早期发现出现的隐患，从而大大降低监测人员的工作量和工作成本，同时也能使桥梁健康监测工作更有效率，大大降低安全事故发生的风险，对道路交通安全运行，人民生命财产安全保障有重大意义。

1 设计思路

桥梁健康监测系统不仅涉及到桥梁的工程结构，还与传感器，数据采集分析等方向有关，是一个与多学科，多领域有关的集合系统[2]。总的来看，桥梁健康监测系统是基于物联网之上的，首先在适当位置上安装数据采集点，以安装在外的传感器信号采集点为单位构建传感器网络，通过安装在外的传感器获取不同的信号，再通过GSM无线通信方式将信号传回个人计算机信息处理中心，最后再进行信息储存、处理、判断。本系统的设计框架图如图1所示。

图1 桥梁监测系统框图Fig.1 Block diagram of bridge monitoring system

系统会通过对所得到测量值进行分析并与监测人员事先设置的阈值进行比较来选择发出警报提醒监测人员或继续监测。在平常的运行中，监测人员可以根据需要在后台控制中心调整相应的参数，如监测时间间隔或发出警报的阈值。阈值的选择则需要对被检测桥梁进行研究，设定合理的阈值能达到更好的监测效果，使技术人员既不会因为阈值低而动辄检查桥梁健康状态，也不会因为阈值过高而错过维护桥梁健康安全的最佳时期[4]。

相对于传统的桥梁健康监测方式，以传感器构成的物联网为基础的桥梁健康监测系统不仅可以大量的降低人工监测成本，还能实现一些自主判断，让全时段的监测、判断、预警成为可能，提高了桥梁运行的安全性。

2 系统组成

2.1 传感器子系统

桥梁健康监测系统的传感器子系统主要由倾斜仪（倾斜传感器）[10]，电源，无线传输模块，单片机系统组成。单一传感器系统虽然得到的信息有限，但其一样有着系统较简单、成本较低、系统稳定发生故障可能性小、捕获的冗余数据少、处理简单等优点，符合电路设计简单、耗能低、干扰小、设计通用化、标准化的要求。

图2 监测系统组成Fig.2 Composition of monitoring system

选择传感器时主要考虑到传感器的适用性、耐久性、经济性等原则，同时选择信噪比较高的传感器。图3为实物图。

图3 传感器子系统Fig.3 Sensor subsystem

传感器布置优化[9]：

布置点应对桥梁受损程度变化反应敏感。

安装位置应尽量有利于后期维护检查。

安装传感器部分的面应与被监测面保持水平。

2.2 数据处理子系统

这部分的软件使运用VB编程语言进行编制得，它可以接收到传感器探测到的信号并通过计算机对获得的大量的原始数据进行除杂、滤波并提取一部分相对准确的数据[8]。系统会对采集到的数据进行进一步的分析、处理与应用，通过与预设预警值的对比对桥梁健康状况进行分析，以达到监测桥梁健康状态的要求，实现桥梁健康监测系统的预测损失、事故预警的最终目的[3]。它可以通过调整参与到桥梁健康监测活动中的各种数值，如倾斜传感器的监测频率、警报值上下限等，以达到更好的监测效果，也可以储存并显示当前获得的监测数据，存储下来的历史数据和运行记录都会保存在个人计算机中。部分程序界面如图4所示。

图4 程序界面Fig.4 Program interface

3 实验结果分析

在实验开始前，先将桥梁健康监测系统的硬件与软件部分安装完成，安装无线传输部分，确认串行通讯接口正常，安装测试程序，选择相应的COM文件夹双击运行。

图5 实验过程Fig.5 Experimental process

实验时，Vb主控界面接收到传感器子系统传来的数据并分别在主界面左右两侧显示经过处理后得到的数据和图表信息，右半部分的线性图是根据左侧的监测数据绘制的（左边x方向，右边y方向）。同时我们先将上下限报警值统一设置为10°与-10°。

3.1 后倾实验测试

进行后倾测试时，我们将传感器向后倾斜并让其保持稳定不动，可以看到左侧监测数据x、y两个方向均为正值，角度变化监测到的数据可以精确到千分位，此时y方向角度监测值超过报警值上限，报警程序运行，成功实现预警目的。图6为后倾实验结果图。

图6 实验步骤1Fig.6 Experiment step 1

3.2 前倾实验测试

进行前倾测试时，与后倾实验一样将传感器部分向前倾斜并保持稳定不动，此时可以看到在程序运行界面左侧的监测值x、y方向均为负值，角度监测精确度同时也可以达到千分位，此时y方向角度监测值超过报警值下限，报警程序运行，成功实现预警目的。图7为前倾实验结果图。

图7 实验步骤2Fig.7 Experiment step 2

3.3 多方位倾斜实验测试

在多方位倾斜测试中，我们先让传感器保持水平不动，此时测量值保持在0值附近，曲线图没有明显的变化，然后我们将传感器同时向x、y两个方向小角度转动，从图中可以看到主控界面左端获得的测量值在变化的同时依然能精确到千分位，测量精度很高，而且有着很明显的正负变化，右侧绘制的两张线性图也有很明显的上下波动，在此过程中x、y两方向均有超过阈值上下限，报警程序运行，成功实现预警目的。最后我们继续保持传感器部分水平不动，此时返回的测试值回到了0值附近，线性图也回到初值附近，测试获得的结果较为明显，由此可见本系统对于被测量面的倾角变化感应敏感，监测精度较高。图5为实验过程图，图8为实验结果图。

图8 实验步骤3Fig.8 Experiment step 3

4 结语

桥梁结构的健康监测要求系统进行长期并且不间断的监测和汇报，这就对工作系统的稳定提出了要求[11-12]。本文提出的这种将物联网技术与桥梁健康监测相结合的在线监测方法，通过以传感器为节点构建的传感器网络实现了对桥梁的实时监测与评价。与传统的人工监控相比，配置和运行成本低，效益高，实现了全时段自动监测。经过一系列的试验，结果表明，此桥梁健康监测系统运行可靠稳定，能够有效提高桥梁道路管理水平，保障桥梁健康安全，提高桥梁健康监测和维护人员的工作效率，实现了物联网技术、计算机技术与桥梁健康监测的结合[13-15]，并且客户体验好、开发成本低，可以为桥梁的管理维护提供一定的数据支持，具有一定的实用价值。