無人值守橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 勇 劉國清 王景濤

1.陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊研究生隊，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院聯(lián)合投送系，天津 300161

無人值守橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)情況，及時評估橋梁健康狀況，提前預(yù)警報警，實現(xiàn)橋梁故障診斷和維護(hù)的實時性和智能性，對加強(qiáng)橋梁的信息化管理以及減少事故的發(fā)生具有重要作用。

橋梁是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，對保證道路交通系統(tǒng)的暢通發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，由于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的缺陷、自然環(huán)境的侵害、長期超負(fù)荷運營以及橋齡的增長，導(dǎo)致橋梁坍塌事故逐年增加，這些事故給國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展帶來巨大損失，產(chǎn)生了社會負(fù)面影響。

傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)采用布設(shè)線路的方式，接線復(fù)雜、工程造價高，達(dá)不到對橋梁檢測的實時性、準(zhǔn)確性及可靠性的要求。對橋梁巡檢采用人工巡檢方式，不能對橋梁狀態(tài)做到實時監(jiān)測，不能及時發(fā)現(xiàn)隱蔽病害，耗費大量人力、物力、財力，效率低下。為了減少橋梁事故的發(fā)生、改進(jìn)傳統(tǒng)巡檢方式以及加強(qiáng)重點目標(biāo)橋梁的集中統(tǒng)一管理，設(shè)計無人值守橋梁監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。本文基于物聯(lián)網(wǎng)框架體系從整體上構(gòu)建橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，達(dá)到無人值守的目的。

1 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案

1.1 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的體系架構(gòu)

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)采用4層體系架構(gòu)，自下而上分別為智能感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)支撐層和應(yīng)用服務(wù)層，各層具有各自的功能和特點。智能感知層由各種傳感設(shè)備采用ZigBee技術(shù)形成自組織多條的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時采集物理環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)以及執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)測中心的控制命令。網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要由ZigBee近距離無線通信和GPRS遠(yuǎn)距離無線通信融合組網(wǎng)，主要是用來傳輸?shù)讓拥母兄畔?、?yīng)用層的控制信息。數(shù)據(jù)支撐層主要為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，保存采集的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)層主要包括服務(wù)器程序和各類終端軟件，為各類用戶、多種終端提供信息處理、遠(yuǎn)程監(jiān)測、人機(jī)交互等各類業(yè)務(wù)功能和操控界面[1]。

1.2 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

無人值守橋梁監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、GPRS遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及監(jiān)測中心三部分組成。其工作流程為：通過在橋梁上布設(shè)一系列傳感器節(jié)點以建立狀態(tài)監(jiān)測點，前端傳感器節(jié)點自組織形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集的橋梁狀態(tài)參數(shù)實時發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，通過GPRS公用網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)中心。監(jiān)測系統(tǒng)客戶端可以對數(shù)據(jù)實時觀察、分析處理，同時還可以發(fā)送命令設(shè)置無線傳感器節(jié)點參數(shù)[2]。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端是完成對橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集，由終端傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及協(xié)調(diào)器節(jié)點三部分組成。

（1）終端傳感器節(jié)點。終端傳感器采集橋梁所處工作環(huán)境的信息，如橋址四周風(fēng)速風(fēng)向及環(huán)境溫度、橋上車輛荷載及視頻；實時監(jiān)測橋梁整體結(jié)構(gòu)性能，如橋梁的結(jié)構(gòu)變形、振動等物理量；重點監(jiān)測橋梁關(guān)鍵斷面應(yīng)力，如靜應(yīng)變和動應(yīng)變等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集終端每隔固定時間采集傳感器數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee通信模塊傳給匯聚節(jié)點協(xié)調(diào)器[3]。

對于具體的橋梁，重點分析橋梁四周的環(huán)境狀況，比如，橋梁本身的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部應(yīng)力分布情況及橋梁四周的環(huán)境，合理布置傳感器，確定理想的監(jiān)測方案。針對不同的橋梁，應(yīng)用有限元模型分析橋梁的薄弱處，依據(jù)總體分析模型來優(yōu)化傳感器的最佳安裝位置。

（2）協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點以ARM微處理器為核心，其主要作用是接收、分析和預(yù)處理終端傳感器節(jié)點傳來的狀態(tài)數(shù)據(jù)，自組織建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換，與SIM900A通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過GPRS模塊將各類狀態(tài)參數(shù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

（3）ZigBee近距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由協(xié)調(diào)器自動建立無線網(wǎng)絡(luò)，各類終端采集節(jié)點自動加入無線網(wǎng)絡(luò)并周期性地采集各類橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各類狀態(tài)信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后，利用GPRS傳輸模塊通過Internet網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測中心。

1.2.2 GPRS遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

GPRS（通用無線分組交換技術(shù)）為移動客戶與網(wǎng)絡(luò)之間的連接提供了方便。由于橋梁監(jiān)測節(jié)點眾多，信息收發(fā)頻繁，考慮傳輸效率和應(yīng)用服務(wù)成本，采用GPRS無線傳輸技術(shù)傳輸感知數(shù)據(jù)。GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過GI接口直接連接互聯(lián)網(wǎng)Internet，把監(jiān)測中心通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集終端相聯(lián)。監(jiān)測中心設(shè)置可固定一個IP地址，GPRS網(wǎng)絡(luò)通過運用IP數(shù)據(jù)包的形式與監(jiān)測中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測中心

遠(yuǎn)程監(jiān)測中心主要為橋梁管理部門提供各類網(wǎng)上服務(wù)功能，負(fù)責(zé)發(fā)送控制指令、采集實時數(shù)據(jù)、分析處理故障信息等任務(wù)。按云架構(gòu)組建數(shù)據(jù)中心，實時保存橋梁數(shù)據(jù)，提供橋梁現(xiàn)場視頻的實時瀏覽、歷史視頻監(jiān)控信息的調(diào)閱與播放功能。

2 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)功能主要包括系統(tǒng)登錄、基本信息管理、遠(yuǎn)程控制、實時監(jiān)測、預(yù)警報警、健康評估和養(yǎng)護(hù)決策七大功能，所設(shè)計的終端軟件具有良好的人機(jī)交互界面。橋梁監(jiān)測系統(tǒng)軟件工作流程為：客戶端利用瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送信息請求，Web服務(wù)器接收到請求后，連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)交給Web服務(wù)器的應(yīng)用程序，最后以HTML形式返回給客戶端查看[3]。

遠(yuǎn)程監(jiān)測中心軟件采用B/S模式，利用PHP語言、Web技術(shù)、SQL Server數(shù)據(jù)庫、AJAX等技術(shù)開發(fā)簡便、高效、友善的人機(jī)交互軟件界面，用戶通過瀏覽器Wed頁面遠(yuǎn)程訪問監(jiān)測中心服務(wù)器，及時獲取橋梁現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和運行信息并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時可考慮開發(fā)移動客戶端程序，將監(jiān)測系統(tǒng)同步于手機(jī)端，方便橋梁維修人員隨時查看當(dāng)前橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

（1）系統(tǒng)登錄。遠(yuǎn)程客戶端用戶通過瀏覽器打開登錄界面，填寫登錄名、密碼和驗證碼后經(jīng)身份認(rèn)證后，即可登錄監(jiān)測界面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。該系統(tǒng)是對橋梁群的監(jiān)測，用戶登錄成功后，可自由選擇具體的橋梁。

（2）系統(tǒng)管理。該功能主要是對橋梁和用戶的一些基本信息進(jìn)行維護(hù)和管理。橋梁基本信息管理包括橋梁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，比如，橋梁建設(shè)年份、橋梁類型、橋長、橋?qū)?、限重等信息。用戶基本信息功能支持修改、添加和刪除基本信息。

（3）遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制主要是遠(yuǎn)程管理各類終端傳感器節(jié)點。通過服務(wù)器客戶端遠(yuǎn)程設(shè)置終端傳感器的采樣方式，根據(jù)不同需求及狀況選擇實時監(jiān)控、定時間采集、特殊狀況觸發(fā)采集等采集方式[3]。

（4）實時監(jiān)測。該功能包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)顯示、視頻監(jiān)控、歷史信息查詢。數(shù)據(jù)獲取主要是實時收集采集現(xiàn)場信息，并將這些數(shù)據(jù)信息備份保存至數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)遠(yuǎn)程登錄訪問時，可及時調(diào)用相關(guān)信息。數(shù)據(jù)顯示功能主要是對橋梁的狀態(tài)參數(shù)形象直觀表達(dá)；視頻監(jiān)控是指將高清紅外球形攝像儀采集的視頻數(shù)據(jù)采用流媒體技術(shù)，動態(tài)顯示橋梁四周的信息。歷史信息查詢支持按各種搜索條件查詢相關(guān)的信息。通過管理人員預(yù)設(shè)的查詢條件，查詢服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，返回符合條件的橋梁節(jié)點數(shù)據(jù)，并支持歷史數(shù)據(jù)報表打印。

（5）預(yù)警報警。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測橋梁在極端天氣時橋梁運營不正常的狀況。在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)的一個或者多個閾值，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)存在安全隱患時，系統(tǒng)提前預(yù)警，自動報警，自動定位故障節(jié)點，通過實時界面顯示、報表、電子郵件和短信形式及時通知橋梁管理人員。

（6）健康評估。健康評估主要是對橋梁的健康狀況進(jìn)行實時評估、狀態(tài)分析，用于判斷橋梁的使用狀況和使用壽命，預(yù)測橋梁狀態(tài)發(fā)展。引進(jìn)新的橋梁評估技術(shù)，數(shù)據(jù)中心提供云服務(wù)，對橋梁進(jìn)行云診斷，自動診斷故障，并生成橋梁健康評估報告，為橋梁養(yǎng)護(hù)和管理提供依據(jù)和指導(dǎo)。

（7）養(yǎng)護(hù)決策。針對橋梁常出現(xiàn)的一些問題，建立專家系統(tǒng)，提供切實可行的現(xiàn)場解決方案，為橋梁的養(yǎng)護(hù)決策提供理論和技術(shù)支持。根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果可自動生成維護(hù)和搶修方案，并支持方案的導(dǎo)出功能。

3 結(jié)語

本文在運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)，重點分析了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)硬件技術(shù)方案以及軟件功能，對橋梁的養(yǎng)護(hù)與管理具有一定的應(yīng)用與參考價值。首先，無人值守橋梁監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌控橋梁交通狀況，有利于橋梁管理部門在緊急情況下進(jìn)行有序的交通管制；其次，系統(tǒng)不受時間、空間位置的限制，可以隨時掌握橋梁的健康狀態(tài)，及時作出判斷，以減輕檢修人員的工作強(qiáng)度、節(jié)約人力、提高工作效率。同時，隨著云技術(shù)的發(fā)展，可考慮在遠(yuǎn)程監(jiān)測中心建立云數(shù)據(jù)平臺，對橋梁群運行健康狀況進(jìn)行在線、實時、連續(xù)的監(jiān)測，運用云診斷技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)橋梁病害并采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生，提高對橋梁的信息化、可視化、智能化的管理，為橋梁的養(yǎng)護(hù)提供及時、準(zhǔn)確、科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。最后，對于橋梁設(shè)計單位，監(jiān)測系統(tǒng)收集的歷史數(shù)據(jù)能真實反映橋梁的工作環(huán)境和狀態(tài)信息，可通過對現(xiàn)有橋梁日常運行情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為今后橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)提供更多的理論依據(jù)。