智能立体车库光纤安全监测系统设计

岳仁峰，张嘉琦，范学忠，亓莉莉，刘 彬，韩胜利

（1.山东爱普电气设备有限公司 济南高新分公司，山东 济南；2.山东大学 控制科学与工程学院，山东 济南；3.国网山东济南市历城区供电公司，山东 济南；4.山东爱普电气设备有限公司，山东 济南）

引言

2021 年，国家发展改革委等部门发布《关于推动城市停车设施发展的意见》指出：要充分利用地上地下空间建设车库等大型停车设施来解决“停车难”的问题[1]。然而，大型车库长期运营过程中，由于自然环境因素和钢结构材料屈服强度变化的影响，会直接导致智能立体车库整体结构性能劣化与使用寿命折减，甚至引发安全事故，威胁人身财产安全。目前，工程上对于立体车库安全检测大多采用人工巡检的方式，且依赖检测人员的主观经验，时间长、人力成本高、自动化水平低。因此，亟需研究出一套能实时在线监测立体车库安全状态的系统。

1 光纤光栅应变传感器结构

光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、全融于光纤等优点，而且光纤光栅传感器是对波长编码进行测量，因此受光强波动以及光的偏振态影响较小，具有极强的抗干扰能力。凭借光纤光栅在传感领域独特的性能优势，各种参数的光纤光栅传感器不断涌现并在桥隧工程、航空航天、电力系统等相关行业实现了应用[2-3]。

本文采用了一种用于测量结构表面应变的表面粘贴式光纤光栅应变传感器，其测量范围可达-2 000 με～2 000 με，结构如图1 所示。此传感器可直接粘贴在立体车库关键点位置用于应变测量。

图1 传感器结构

2 安全监测平台开发

2.1 系统架构

监测系统利用光纤传感、物联网、互联网和数据库等技术，通过3G/4G 无线模块结合互联网技术实现数据报送、发布和异常数据报警，采用光纤传感技术实现对监测对象的数据实时监测和处理，采用SQLite数据库对数据进行本地化保存和管理，同时可向MySQL 中心数据库定时报送数据[4]。该系统由无线光纤光栅解调仪硬件设备、2G/3G/4G 通信服务和无线监测子系统三部分组成，其架构如图2 所示。

图2 系统架构

2.2 解调系统参数

本系统采用苏州南智生产的无线光纤光栅解调仪进行监测。该解调仪可以通过监测立体车库关键点布设的应变等传感器的光纤光栅中心波长变化，实现立体车库的高精度实时监测，具体性能参数见表1。

表1 采集系统参数

2.3 基础设置界面

基础设置界面使用选项栏切换各个主界面（见图3），包括监测视图、数据分析、波长测量和基础设置，具体功能如下。

图3 系统主界面

监测视图可表示传感器所在工程项目中的具体物理位置，并且显示物理测量值。数据分析针对不同监测内容，测点、测线、模型数据进行展示和分析。波长测量则直接显示添加的设备及各通道的测量波长值。

界面展示栏用于显示界面，可点击界面选项栏切换界面并查看该栏具体内容。状态栏用于显示系统状态，包含数据消息、传感器实时报警、模型实时报警和系统菜单。其中数据消息：当云端或者设备中数据与本地数据不同步时，提醒本地进行数据同步。传感器实时报警：当实时监测并计算得到的传感器物理量不在传感阈值范围内，会通过此消息进行提示，并通过单击该按钮，弹出报警传感器详细界面。

系统菜单包括关闭系统、隐藏系统和系统设置。系统设置分为重启设置、MySQL 设置、保存频率设置。重启设置用于软件重启任务名称、重启时间、电脑的用户名和密码等参数，可实现定时重新启动软件。MySQL 监测数据不仅可以保存在本地，还可以保存到MySQL 服务器上，实现数据共享和二次开发等功能。保存频率可以设置数据保存的时间间隔，如5 s 保存一次数据，分为本地和MySQL 两种。

本系统还具有阈值设置和调试光谱功能，用于过滤不必要的底噪以及调试光纤传感器性能。调试光谱栏包含选择通道、下载光谱和保存光谱，主要用来获取和保存设备对应通道的光谱图形。调试光谱通过观察传感器光谱确认传感器可以投入使用，且传感器光谱的峰值与底部均值之差应大于30 db。在选择通道下拉列表中选择在测量设备的通道编号，点击下载光谱按钮可绘图区显示当前通道的光谱曲线，如图4 所示。

图4 光谱曲线

2.4 监测视图界面

该界面用于显示传感器的位置信息和传感器的测量值，分为左右两个区域（见图5）。左区域显示项目布置情况，移动鼠标到已经布置的传感器示意点上可以查看该传感器当前的数值与状态，若传感器发生报警，传感器示意点将成红色。右区域显示已经放置的所有传感器，显示报警数值、时间和状态等信息。

图5 监测视图界面

2.5 数据分析界面

数据分析界面总体可分为项目选择栏和数据分析栏，主要对数据进行分析处理，如图6 所示。项目选择栏区域用于不同监测项目之间的切换，切换后将改变数据分析栏的内容。数据分析栏区域对数据进行分析处理，建立数据与数据之间的关系，呈现监测项目需要呈现的内容，主要包含测线分析、测点分析和模型分析。

图6 数据分析界面

测点分析建立传感器测量物理量与时间关系的坐标系，分析传感器随时间变化的物理量变化。模型分析在测线分析的基础上再进行分析，因此在设置的时候需要选择特定的一根或多根测线，模型分析研究了传感器物理位置与测量物理量关系坐标和总体趋势坐标。

结束语

本文基于智能立体车库光纤监测硬件系统，开发了一套用于立体车库安全监测的软件平台。该系统以采集处理立体车库关键参数实时显示为核心，实现了监测系统参数设置、数据采集处理、实时曲线显示、数据库存储，传感器报警等功能，实现了立体车库接驳件温度和应变等安全参数的实时检测，为构建充电式立体车库智慧化安全监控软件平台提供了研究基础与支撑。