基于GPRS的橋梁健康遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蔣恒

【摘 要】本文主要介紹了基于GPRS的橋梁墩臺(tái)沉降觀測(cè)系統(tǒng)和嵌入式橋梁遠(yuǎn)程裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠有效提高對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，有利于促進(jìn)我國(guó)橋梁建設(shè)行業(yè)的快速發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】GPRS;橋梁工程;健康監(jiān)測(cè)

【中圖分類號(hào)】U446? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

1.引言

近年來，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)在橋梁監(jiān)測(cè)方面也實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠借助有線網(wǎng)絡(luò)或者無線通信完成對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，這不僅降低了人工監(jiān)測(cè)的錯(cuò)誤率，還在很大程度上提高了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁健康問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決。目前，GPRS技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于橋梁健康遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，橋梁健康監(jiān)測(cè)部門能夠借助GPRS技術(shù)快速獲取橋梁信息，為監(jiān)測(cè)工作帶來了巨大的便利。

2.GPRS簡(jiǎn)介

GPRS（General Packet Radio Service）也叫做通用分組無線業(yè)務(wù)，其主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)承載和傳輸。與傳統(tǒng)的GSM相比，GPRS不僅承載數(shù)據(jù)的效率更高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)在線，具有很大的優(yōu)勢(shì)。在計(jì)費(fèi)方式上，GPRS更加方便快捷，其只需要根據(jù)數(shù)據(jù)流量的多少就可以計(jì)費(fèi)。除了可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸外，GPRS還具備語(yǔ)音通話的功能，相對(duì)于短消息等無線數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，GPRS的價(jià)格具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

3.基于GPRS的橋梁健康遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1基于GPRS的橋梁墩臺(tái)沉降觀測(cè)系統(tǒng)

基于GPRS的智能橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)多座橋梁，對(duì)于某個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為前臺(tái)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和后臺(tái)數(shù)據(jù)分析及服務(wù)系統(tǒng)兩部分。前臺(tái)系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、RS—485總線、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和GPRS無線通訊模塊組成。后臺(tái)系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器和Web服務(wù)器組成。

3.1.1前臺(tái)系統(tǒng)

單個(gè)橋梁的前臺(tái)系統(tǒng)，將傳感器系統(tǒng)安裝在橋梁的墩臺(tái)上，該系統(tǒng)運(yùn)行的原理是連通原理[1]，主要是在內(nèi)部有一個(gè)連通管，管內(nèi)裝有一定量的液體，如果橋梁的墩臺(tái)發(fā)生沉降，那么液體高度就會(huì)隨之變化。通過使用RS-485總線將傳感器串聯(lián)起來，然后再和數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行相連，由此收集橋梁墩臺(tái)沉降的數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，由此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（ general pack etradio service） 的英文簡(jiǎn)稱，是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP 連接。為防止 GPRS 通訊網(wǎng)絡(luò)的中斷，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中內(nèi)嵌存儲(chǔ)單元，當(dāng)通訊恢復(fù)后能夠補(bǔ)錄數(shù)據(jù)。

3.1.2后臺(tái)系統(tǒng)

在橋梁現(xiàn)場(chǎng)安裝的數(shù)據(jù)采集器能夠及時(shí)將采集到的墩臺(tái)信息進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)慕橘|(zhì)是串口，首先信息先被傳輸?shù)紾PRS_DTU，然后再被傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)上，在GPRS的端口進(jìn)行輸出，進(jìn)一步將信息輸出到Internet上，由此一來就可以實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控中心服務(wù)器相通。對(duì)于監(jiān)控中心來說，其要對(duì)收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，就需要在數(shù)據(jù)服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)分析處理結(jié)束后，其結(jié)果在Web服務(wù)器介質(zhì)的作用下被發(fā)布到Internet上，從而構(gòu)成完整的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.1.3工程應(yīng)用

3.1.3.1測(cè)點(diǎn)布置

某大型連續(xù)梁橋，全長(zhǎng)572m，位于京珠高速長(zhǎng)潭段。根據(jù)大橋技術(shù)狀況，監(jiān)測(cè)16#、17#橋墩的沉降變化，觀測(cè)點(diǎn)分別布置在16#、17#墩的上下游側(cè)。通過對(duì)大橋歷史技術(shù)資料的分析，將監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在18#墩上下游側(cè)（如圖1）。

3.1.3.2沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2所示是2012年10月1日至12月31日期間，相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)，16#墩和17#墩的相對(duì)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，16#墩和17#墩相對(duì)于18#墩基準(zhǔn)點(diǎn)的差異沉降在監(jiān)測(cè)期間沒有發(fā)生明顯變化，不會(huì)造成大橋安全隱患。

3.1.4結(jié)論

基于GPRS技術(shù)的大橋結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)方法相比，其可以實(shí)時(shí)對(duì)橋梁的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便于管養(yǎng)人員及時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)狀況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。這不僅提高了橋梁監(jiān)測(cè)與維修效率，還在一定程度上降低了管養(yǎng)成本。

3.2基于GPRS的嵌入式橋梁遠(yuǎn)程裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.2.1最小嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，嵌入式系統(tǒng)一般是獨(dú)立工作的，通常會(huì)消耗較大的功耗，要想降低系統(tǒng)的功耗，就需要進(jìn)行最小嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)建立的最小系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，其主要包括微處理器AT91RM9200、電源電路、晶體振蕩器電路、復(fù)位電路、JTAG接口、存儲(chǔ)器模塊、串行調(diào)試接口等電路組成[2]。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低功耗主要就是采用的芯片是低功耗的，另外，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)采取的是智能監(jiān)控策略，其余所有和裂縫沒有關(guān)系的器件都進(jìn)行刪除，從而降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功耗。

3.2.1.1內(nèi)核的選擇

Linux操作系統(tǒng)具有內(nèi)核穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、支持多種硬件平臺(tái)、可裁減和低成本的特性，非常適合于嵌入式應(yīng)用，通過對(duì)其進(jìn)行內(nèi)核配置，裁減 shell和系統(tǒng)定制，使整個(gè)系統(tǒng)能夠存放到容量較小的FLASH中。整個(gè)系統(tǒng)軟件在嵌入式 Linux的基礎(chǔ)上構(gòu)建， AT91RM9200平臺(tái)使用的 Linux內(nèi)核在 Linux-2.4.18內(nèi)核基礎(chǔ)上編譯而成。系統(tǒng)使用的文件系統(tǒng)是yaffs，包括應(yīng)用程序、模塊、配置文件和庫(kù)等，系統(tǒng)圖像采集建立在嵌入式 Linux內(nèi)核之上。

3.2.1.2圖像采集

Video4Linux是 Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)。系統(tǒng)使用基于 OV511的 USB攝像頭，采用設(shè)備文件/ dev/ video進(jìn)行圖像采集。在運(yùn)行程序前，加載USB及OV511設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊以訪問攝像頭設(shè)備。通過對(duì) Video4LinuxAPI進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)圖像的采集，采集到的圖像幀數(shù)據(jù)經(jīng)過算法處理即可進(jìn)行裂縫識(shí)別。

3.2.1.3通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過 GPRS無線通信方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的遠(yuǎn)程傳輸[3]。采用 SIEMENS公司 MC55芯片的 GPRS模塊通過 GSM網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)進(jìn)行通訊，該 GPRS模塊可以接收手機(jī)發(fā)出的命令并由串口傳遞給 ARM系統(tǒng)，也可將 ARM系統(tǒng)發(fā)送的裂縫信息傳回手機(jī)。另外，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還增添了數(shù)據(jù)幀格式，主要是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，一旦數(shù)據(jù)幀傳輸出現(xiàn)問題，就會(huì)及時(shí)進(jìn)行重新發(fā)送。最小嵌入式系統(tǒng)還通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)完成了遠(yuǎn)程通信，能夠通過Internet服務(wù)器對(duì)橋梁的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)到裂縫信息，就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警告。

3.2.2結(jié)論

通過使用最小嵌入式系統(tǒng)，不僅可以簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)程序，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大大提高了監(jiān)控效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曾威，于德介，胡柏學(xué)，等.基于連通管原理的橋梁撓度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（7）：44-47.

[2]鄢真，嚴(yán)麗平.基于GPS的嵌入式橋梁實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的探究[J].山西建筑，2009，35（32）：365-366.

[3]劉枝辰，俞騰，譚力.橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法探究[J].科技通報(bào)，2013，29（05）：87-92.

基金項(xiàng)目：2017年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目，基于GPRS的橋梁健康遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，編號(hào)：17B273。