橋梁健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的探討

文/陳潔 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 安徽合肥 230000

近年來(lái)城市化與交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展促使路橋工程建設(shè)規(guī)模日漸擴(kuò)大，橋梁的質(zhì)量問(wèn)題對(duì)于施工階段與后續(xù)使用階段具有關(guān)鍵影響。通常橋梁基礎(chǔ)、橋墩、支座等部位的受力與變形情況較為復(fù)雜，因此需在施工階段完善健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)，在線獲取健康狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)揮預(yù)警功能、實(shí)現(xiàn)及時(shí)運(yùn)維，保障橋梁質(zhì)量安全。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 節(jié)點(diǎn)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于多節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合考慮橋梁在使用過(guò)程中存在的受力、變形、振動(dòng)、應(yīng)變等具體狀態(tài)，由各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立承擔(dān)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能，借助GPRS 與云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳，并利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、移動(dòng)端APP 訪問(wèn)云服務(wù)器，將獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)值進(jìn)行對(duì)比分析，以此評(píng)判橋梁的健康狀態(tài)，并在出現(xiàn)質(zhì)量安全問(wèn)題時(shí)做到及時(shí)預(yù)警。采用 軟件平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于Ubuntu 系統(tǒng)、Python 語(yǔ)言與PYQT 框架完成QY 監(jiān)測(cè)軟件的建構(gòu)，形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模塊。

基于節(jié)點(diǎn)劃分原則將橋梁監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)劃分為三部分：其一是信息采集模塊，由ADXL345加速度傳感器、應(yīng)力傳感器、DHT-11 溫濕度傳感器、WFS-1 風(fēng)速傳感器4 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成；其二是信號(hào)傳輸與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，由ATMega2560微處理芯片、GPRS/GPS模塊2 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成；其三是云服務(wù)與數(shù)據(jù)處理模塊，由 云平臺(tái)、手機(jī)APP、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)3 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，其中遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)包含本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化顯示模塊[1]。

1.2 功能模塊規(guī)劃

在功能模塊設(shè)計(jì)方面，信號(hào)采集模塊依靠四項(xiàng)傳感器采集橋梁運(yùn)行狀態(tài)下的加速度、應(yīng)力、溫濕度與風(fēng)速數(shù)據(jù)；信號(hào)處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊利用主控板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能的集成，針對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，定位節(jié)點(diǎn)獲取到精確的 時(shí)間，并將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器端，起到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能；云服務(wù)與數(shù)據(jù)處理模塊主要利用計(jì)算機(jī)或移動(dòng)智能設(shè)備獲取下載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)、提供預(yù)警服務(wù)，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中供相關(guān)人員進(jìn)行查詢。

2、橋梁健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)探討

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控模塊

主控模塊用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)模塊架構(gòu)的整體搭建，主要包含以下三要素：其一是單片機(jī)，基于Mega2560 開發(fā)板、USB 接口完成 Mega2560 單片機(jī)與核心電路板的開發(fā)設(shè)計(jì)，用于控制信號(hào)采集模塊的四種傳感器，采集橋梁健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，并利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、云服務(wù)器完成數(shù)據(jù)分析處理、存儲(chǔ)與顯示；其二是復(fù)位電路，利用復(fù)位功能實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程的保護(hù)作用，既能夠用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化，同時(shí)還能夠在系統(tǒng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位；其三是晶振電路，為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，供其執(zhí)行軟件程序操作，保障單片機(jī)時(shí)序電路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.2 GPRS 通信電路

選取 GPRS 模塊將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，將其工作電壓設(shè)為 ，將 接口與 接口與主控單元對(duì)應(yīng)接口相連，并基于串口通信方式將 接口、接口與 Mega2560 的接口13、接口15 相連，實(shí)現(xiàn)與主控單元間的數(shù)據(jù)傳輸，完成GPRS 通信電路設(shè)計(jì)。

2.1.3 傳感器模塊

選用 加速度傳感器、應(yīng)力傳感器、溫濕度傳感器與 風(fēng)速傳感器完成傳感器模塊的設(shè)計(jì)，分別用于測(cè)量橋梁的振動(dòng)、應(yīng)變、溫濕度、風(fēng)速等參數(shù)。其中 加速度傳感器是一款超低功耗、3 軸加速度計(jì)，在測(cè)量狀態(tài)下的功耗為 、待機(jī)狀態(tài)下功耗僅為 ，采用數(shù)字型輸出模式與 位二進(jìn)制補(bǔ)碼，可利用 通信接口或 數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)，具有體積小、質(zhì)地輕薄特點(diǎn)； 應(yīng)力傳感器為電阻式壓力傳感器，基于感測(cè)區(qū)域接收到的壓力值，將其轉(zhuǎn)化為電阻值形式，進(jìn)而由此生成測(cè)量信息，具有敏感度高、抗干擾性能強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)、成本低等性能優(yōu)勢(shì)； 溫濕度傳感器采用數(shù)字型輸出口，基于數(shù)字采集、溫濕度傳感技術(shù)輸出 位數(shù)字信號(hào)，并選取電容式感濕元件與 型測(cè)溫元件完成硬件部分設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的直接通信； 風(fēng)速傳感器選取 、兩種供電方式，可實(shí)現(xiàn)脈沖、模擬電流、模擬電壓、數(shù)字傳輸?shù)榷喾N輸出方式，具有檢測(cè)精確、抗氧化、抗電磁干擾等性能優(yōu)勢(shì)[2]。

2.1.4 系統(tǒng)電源電路

該系統(tǒng)采用 單片機(jī)與USB 接口直接供電方式，利用電源適配器可將其與計(jì)算機(jī)、220V 市電間進(jìn)行直接連接，選取DC 插頭與主控電路 插座進(jìn)行直接連接，完成系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

采用 編輯器進(jìn)行橋梁監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)試，用戶可直接利用開發(fā)的QY 監(jiān)測(cè)軟件訪問(wèn)云服務(wù)器，獲取控制單元檢測(cè)到的傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握橋梁的健康狀態(tài)信息。在啟動(dòng)QY 監(jiān)測(cè)軟件后，將呈現(xiàn)出直觀的傳感器節(jié)點(diǎn)列表，供用戶點(diǎn)擊任意節(jié)點(diǎn)、跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)界面，并顯示出橋梁的撓度、振動(dòng)、風(fēng)速參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，該軟件將獲取到的傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析，利用折線圖控件展現(xiàn)出傳感器數(shù)據(jù)的歷史變化趨勢(shì)；當(dāng)用戶切換至地圖界面時(shí)，軟件將為用戶提供任一節(jié)點(diǎn)所處的地理位置區(qū)域，供用戶定位橋梁節(jié)點(diǎn)所處定位；當(dāng)用戶切換至橋梁運(yùn)行狀態(tài)界面時(shí)，可通過(guò)觀察餅狀圖掌握橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，分別表現(xiàn)為“正常狀態(tài)”、“待維修”與“危險(xiǎn)”三種類型；在用戶退出軟件后，該程序在后臺(tái)仍與 服務(wù)器間建立通信傳輸關(guān)系，用于實(shí)現(xiàn)橋梁運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新，當(dāng)檢測(cè)到狀態(tài)數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時(shí)，即會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置，基于 機(jī)制通知用戶出現(xiàn)異常狀態(tài)信息，以此發(fā)揮在線監(jiān)測(cè)與有效預(yù)警功能。

結(jié)論：

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了橋梁健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選取傳感器布設(shè)在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的有效采集，配合無(wú)線通信技術(shù)完成組網(wǎng)與上傳，通過(guò)訪問(wèn)云服務(wù)端掌握橋梁健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并基于標(biāo)準(zhǔn)值偏差觸發(fā)報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)橋梁質(zhì)量安全問(wèn)題的有效預(yù)警，進(jìn)一步提升橋梁維護(hù)效率。