橋梁遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)綜合參數(shù)獲取與智能評估軟件設(shè)計(jì)

龐 珂，李 劍，蘇新彥，馬慧宇

(1.中北大學(xué) 省部共建動(dòng)態(tài)測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;(2.中北大學(xué) 信息探測與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

隨著綜合國力的提升和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及國家的“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，橋梁等基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)的比例和規(guī)模也在逐年上升。中國公路學(xué)報(bào)在2021年關(guān)于中國橋梁工程的學(xué)術(shù)研究中提到，近年來橋梁建造的技術(shù)日趨完善，抗災(zāi)變能力顯著提高，橋梁的智能化水平也得到大幅的提升。我國公路橋梁總數(shù)截至2020年底，已接近100萬座，其中將近70%是老舊橋梁。由于受到當(dāng)時(shí)建造水平和對結(jié)構(gòu)復(fù)雜性認(rèn)知的限制，人們無法實(shí)時(shí)獲知老舊橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受損情況，不能對老舊橋梁的運(yùn)營維護(hù)作出及時(shí)準(zhǔn)確的評估，導(dǎo)致橋梁損傷積累，引起結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效，使用的風(fēng)險(xiǎn)日益增加，維護(hù)成本逐年攀升。

近年來，針對老舊橋梁的監(jiān)測問題，國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用傳感器監(jiān)測、GPS監(jiān)測以及移動(dòng)車輛監(jiān)測等方式，同時(shí)隨著深度學(xué)習(xí)算法的不斷優(yōu)化，也逐漸開始有學(xué)者將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于健康狀況的評估診斷中。在2019年Lee等學(xué)者就提出了在橋墩傾斜度監(jiān)測中應(yīng)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；Xuan Ji等學(xué)者提出使用智能采集器、組網(wǎng)、云平臺等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)橋梁監(jiān)控、智能分析、安全報(bào)警等功能；劉康旭開發(fā)了一套基于FPGA和Linux的橋梁健康實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；張青春等人設(shè)計(jì)了一種基于Arduino單片機(jī)和云服務(wù)器的橋梁健康狀態(tài)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；楊李東等學(xué)者結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)開發(fā)了城市橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)；2020年杜立嬋等學(xué)者基于NB-IoT開發(fā)了橋梁健康遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)；歐陽歆泓設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于小橋梁的車輛荷載監(jiān)測方法；黃志賢提出了一種基于NB-IoT通信技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)方案；2021年申志宇利用STM32和FPGA搭建了硬件控制平臺，上位機(jī)則采用C#編寫各控制功能；同年張鵬飛利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對橋梁健康進(jìn)行監(jiān)測；Thanh Q將離散模型和深度學(xué)習(xí)結(jié)合應(yīng)用于橋梁的健康監(jiān)測中，提高了損傷定位的精度；鄧斌也提出了一種實(shí)時(shí)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

但這些學(xué)者只是針對橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的硬件平臺或者應(yīng)用于損傷定位的深度學(xué)習(xí)算法做出的優(yōu)化和改進(jìn)，并沒有將這些硬件平臺的搭建和深度學(xué)習(xí)算法綜合運(yùn)用到橋梁監(jiān)測的全過程中，沒有形成一個(gè)完整的監(jiān)測系統(tǒng)，橋梁的監(jiān)測過程并不“智能”，無法滿足當(dāng)前社會對于智慧城市或智慧橋梁的需要。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)橋梁遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)綜合參數(shù)獲取與智能評估軟件，綜合利用布設(shè)在橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的傳感器，獲取橋梁服役環(huán)境、運(yùn)營荷載，軟件則借助深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練生成一個(gè)可以適用于大部分老舊橋梁的多分類網(wǎng)絡(luò)模型，從而實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和安全性能評估，解決了老舊橋梁監(jiān)測周期長、效率低、健康評估難的問題，具有參數(shù)獲取方便、精度高、健康評估準(zhǔn)確的優(yōu)勢。

1 監(jiān)測系統(tǒng)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：硬件監(jiān)測系統(tǒng)和控制終端兩個(gè)部分。硬件監(jiān)測系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收和解析控制終端下發(fā)的指令，并完成數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)裙δ?；控制終端主要實(shí)現(xiàn)與硬件監(jiān)測系統(tǒng)的通信、數(shù)據(jù)處理、健康監(jiān)測與評估等功能。硬件監(jiān)測系統(tǒng)與控制終端通過WIFI+5G的數(shù)據(jù)傳輸方式，嚴(yán)格按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖

1.2 硬件監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

硬件監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集存儲模塊、傳感器模塊和無線通信模塊。硬件監(jiān)測系統(tǒng)采用ST公司的STM32H743高性能單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合MEMS加速度傳感器、溫濕度傳感器和應(yīng)變傳感器等多種傳感器構(gòu)建橋梁多參數(shù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，利用北斗定位系統(tǒng)標(biāo)記傳感器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測橋段的位置，通過DMA的傳輸方式，將上述幾種傳感器采集到的數(shù)據(jù)存儲在外部的SDRAM中，然后通過WIFI+5G的方式組成超遠(yuǎn)程通信鏈路，將傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和終端服務(wù)器構(gòu)建異構(gòu)跨區(qū)域的健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。該硬件監(jiān)測系統(tǒng)融合了分布式跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)，具有通信距離遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量好、傳輸速率高，在保證通信質(zhì)量的情況下實(shí)現(xiàn)無線長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。各部分功能如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)方案

Qt是一套可以跨平臺使用的C++開發(fā)庫，它封裝了大量的工具庫；Qt模塊化程度高，可重用性好，程序的開發(fā)和配置不受平臺的限制；Qt中獨(dú)特的信號和槽機(jī)制也方便程序開發(fā)。因此本軟件基于Qt5.9開發(fā)，軟件功能模塊主要包括3個(gè)模塊，分別是通信模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

控制終端位于遠(yuǎn)端方便操作的地方，主要由計(jì)算機(jī)和軟件組成，軟件將硬件監(jiān)測系統(tǒng)采集到的參數(shù)經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換為橋梁撓度、環(huán)境和頻率等信息，同時(shí)將輕量化橋梁監(jiān)測評估的多分類網(wǎng)絡(luò)模型嵌入軟件中，通過該網(wǎng)絡(luò)模型對橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行快速評估，當(dāng)橋梁出現(xiàn)損失時(shí)，測試節(jié)點(diǎn)會向監(jiān)控終端發(fā)送報(bào)警信號，并由監(jiān)控終端進(jìn)行二次精準(zhǔn)診斷，從而提高橋梁的健康監(jiān)測效率。本次橋梁遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)綜合參數(shù)獲取與智能評估軟件的系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)功能框圖

2 軟件功能設(shè)計(jì)

2.1 通信模塊設(shè)計(jì)

常用的通信協(xié)議主要包括TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議等。由于橋梁測試系統(tǒng)中傳感器采集到的數(shù)據(jù)量大且數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，而且該模塊是軟件與硬件進(jìn)行正常交互的前提，通信鏈路的穩(wěn)定與否也會直接影響到交互的質(zhì)量，同時(shí)通信過程的可靠性也要求該模塊的設(shè)計(jì)需要很高的穩(wěn)定性，軟件的通信協(xié)議如果采用UDP協(xié)議則無法保證上述要求，故軟件選擇采用相對可靠的、基于字節(jié)的TCP/IP協(xié)議與硬件監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行通信。

由于Qt對傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了封裝，這使得使用TCP/IP協(xié)議更加方便。通過Qt自帶的QTcpServer類實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建TCP服務(wù)器、添加或刪除多個(gè)客戶端等基礎(chǔ)功能，并通過TCP/IP協(xié)議下發(fā)控制指令與硬件監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行交互，對采樣率和采樣時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，讀取客戶端數(shù)據(jù)。同時(shí)該模塊也具有客戶端連接狀態(tài)檢測的功能，當(dāng)客戶端連接狀態(tài)不穩(wěn)定或者有中斷出現(xiàn)的時(shí)候，軟件中會有相應(yīng)的預(yù)警信息提示操作人員，在通信過程中軟件會每隔5 s，下發(fā)自檢的指令，對通信鏈路進(jìn)行自檢，以保證通信鏈路的穩(wěn)定性，防止因鏈路中斷而導(dǎo)致的指令下發(fā)和數(shù)據(jù)接收失敗等問題，如果鏈路中斷則停止當(dāng)前的操作，等待硬件監(jiān)測系統(tǒng)重新發(fā)出鏈接請求的握手信號。通信模塊功能如圖4所示。

圖4 通信模塊功能框圖

2.2 控制模塊設(shè)計(jì)

如圖5所示，這部分的設(shè)計(jì)主要是下發(fā)相應(yīng)的指令控制到硬件系統(tǒng)中，控制硬件監(jiān)測系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作?？刂颇K是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的重要組成部分，指令的正確下發(fā)時(shí)硬件可以按照既定功能正常工作的保障?？刂颇K主要功能包括以下幾個(gè)方面：模式配置、控制指令和數(shù)據(jù)保存。

圖5 控制模塊功能框圖

2.2.1 模式配置

模式配置主要是針對硬件監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)置，主要包括采樣率和采樣時(shí)間這兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分都是可調(diào)的，具體配置選項(xiàng)列表如下所示：

1) 采樣率為1 MHz、512 kHz、256 kHz、128 kHz、100 kHz。

2) 采樣時(shí)長為2 s、1.5 s、1 s、0.5 s。

采樣率和采樣時(shí)間都是通過勾選框和按鈕的配合實(shí)現(xiàn)指令的下發(fā)。選擇合適的采樣率和采樣時(shí)長后，點(diǎn)擊按鈕向監(jiān)測系統(tǒng)下發(fā)對應(yīng)的指令，指令的格式為八位的十六進(jìn)制數(shù)。其中采樣率、采樣時(shí)長與下發(fā)指令的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 模式配置指令

2.2.2 控制功能

這部分主要就是實(shí)現(xiàn)采集和數(shù)據(jù)回傳指令的下發(fā)。在界面中分別放入不同的QPushButton(按鈕)控件，在每一個(gè)控件中添加對應(yīng)的指令，指令格式同樣為八位的十六進(jìn)制數(shù)，硬件監(jiān)測系統(tǒng)在收到相應(yīng)的指令后，根據(jù)指令解析出對應(yīng)的字符，再根據(jù)獲得的字符執(zhí)行相應(yīng)操作。設(shè)置QProcessBar(進(jìn)度條)控件顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)回傳進(jìn)度，設(shè)置QTextEdit(文本框)控件用來存放回傳數(shù)據(jù)。相應(yīng)操作功能列表如表2所示。

表2 指令對應(yīng)功能

2.2.3 數(shù)據(jù)保存

如圖6所示，數(shù)據(jù)保存包括兩部分：軟件接收的數(shù)據(jù)和軟件的使用日志。

1) 軟件接收到的數(shù)據(jù)類型包括兩種：加速度傳感器和應(yīng)變傳感器采集到的八位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，以及溫濕度傳感器和北斗定位模塊采集到的字符類型數(shù)據(jù)等。放置QPushButton控件用來選擇保存數(shù)據(jù)的路徑，按照數(shù)據(jù)的不同格式要求，選擇合適的保存方式，如八位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制bat文件格式存放，而字符數(shù)據(jù)則選擇采用txt文本文件的格式存放。

2) 設(shè)計(jì)使用日志的功能主要是為了方便后期對軟件的優(yōu)化和升級，同時(shí)也方便操作人員對軟件的使用和維護(hù)，減少應(yīng)操作失誤帶來的不必要的隱患，降低數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。軟件使用日志由軟件后臺自動(dòng)生成，無需操作，使用日志主要包含兩個(gè)部分：軟件的操作過程和錯(cuò)誤提示。

圖6 數(shù)據(jù)保存功能框圖

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 撓度數(shù)據(jù)顯示

QCustomPlot是在Qt框架下實(shí)現(xiàn)的基于LGPL版權(quán)協(xié)議的開源項(xiàng)目，它無需進(jìn)一步的庫依賴，文檔豐富且使用方便，主要可以對二維曲線繪圖和進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化，繪圖的種類包括如曲線圖、趨勢圖、坐標(biāo)圖、柱狀圖等。由于Qt自帶的QChart庫在繪制大數(shù)據(jù)量的波形圖時(shí)，運(yùn)行效率低，無法滿足橋梁監(jiān)測中對復(fù)雜的大數(shù)據(jù)量處理的要求，因此選擇采用QCustomPlot庫繪制撓度等數(shù)據(jù)的波形圖。

在這部分中撓度的計(jì)算主要采用分段曲線擬合的方法，通過將橋梁依據(jù)布設(shè)硬件系統(tǒng)的位置劃分成不同的區(qū)域，然后將每一個(gè)區(qū)域中的撓度值累加求和，從而得出監(jiān)測區(qū)域的撓度值。其中每一區(qū)域中的撓度計(jì)算公式如下：

(1)

公式(1)中

N

(

x

)為布設(shè)在橋梁不同位置處的應(yīng)變片采集到的形變數(shù)據(jù)，

X

為該位置處承受力的幅值。

m

為采集到的形變值的個(gè)數(shù)。

整座橋梁的撓度為各區(qū)域撓度值的和，計(jì)算公式如下：

(2)

其中：

n

為布設(shè)區(qū)域的個(gè)數(shù)。

2.3.2 北斗定位數(shù)據(jù)顯示

通過對2.2.3中保存的北斗定位數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包處理得到包括客戶端IP地址、經(jīng)度、緯度、UTC時(shí)間和采集日期等在內(nèi)的硬件監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)點(diǎn)位置信息。創(chuàng)建一個(gè)QTableView控件，將這些信息依次添加到表格中，同時(shí)創(chuàng)建QAxWidget控件，在控件中加載html文件，調(diào)用百度離線地圖的api接口實(shí)現(xiàn)向地圖中添加拆包得到的經(jīng)度和緯度信息，并將其標(biāo)記在地圖中。

通過百度地圖可以方便的對布設(shè)點(diǎn)的位置進(jìn)行查看，同時(shí)使用百度地圖顯示也會比表格的顯示效果更加直觀和清楚。而離線的百度地圖也會降低軟件本身對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度，提高軟件的適用場景。

2.4 健康診斷模塊設(shè)計(jì)

這部分主要設(shè)計(jì)了一個(gè)基于移位卷積的多分類橋梁健康狀態(tài)識別網(wǎng)絡(luò)，利用移位卷積操作和輕量點(diǎn)卷積降低了計(jì)算的復(fù)雜度，并且移位卷積操作為時(shí)間序列提供了靈活的感受野，提高了橋梁識別準(zhǔn)確度，從而完成對橋梁健康的診斷，當(dāng)診斷結(jié)果為較差、差和危險(xiǎn)時(shí)會對操作人員做出預(yù)警，同時(shí)軟件將進(jìn)行二次精準(zhǔn)診斷，從而提高橋梁的健康監(jiān)測的效率。

2.4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用12組傳感器采集橋梁的健康狀態(tài)信息，每組傳感器包括位移、速度和加速度信息。橋梁健康狀態(tài)特征信息，單個(gè)樣本尺寸為250 000×3×12(時(shí)間長度*特征通道數(shù)*傳感器組數(shù)量)，按照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)將橋梁健康與橋梁損壞共有5個(gè)等級(良好、較好、較差、壞、危險(xiǎn))，每個(gè)等級2 000個(gè)樣本，共有10 000個(gè)樣本。橋梁強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 橋梁強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)

式中，

R

為按標(biāo)準(zhǔn)荷載計(jì)算的抗力值，

R

為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際抗力值，

R

為平均抗力值。

將上述單個(gè)樣本平均劃分為500段，則每段時(shí)間長度為500，10 000個(gè)樣本得到5 000 000個(gè)500×3×12(時(shí)間長度*特征通道數(shù)*傳感器組數(shù)量)橋梁健康狀態(tài)信號樣本，同時(shí)所有傳感器的特征串聯(lián)起來得到大小為500×36(時(shí)間長度*總特征通道數(shù))的橋梁健康特征信息。

2.4.2 橋梁健康狀態(tài)識別網(wǎng)絡(luò)

橋梁健康狀態(tài)識別網(wǎng)絡(luò)層由1個(gè)移位卷積層、1個(gè)全局平均池化層和1個(gè)softmax激活層組成。橋梁健康深度特征信息首先經(jīng)過逐點(diǎn)元素卷積，然后通過全局平均池化作用，最后通過softmax激活函數(shù)處理，輸出橋梁健康狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 橋梁健康狀態(tài)識別網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

橋梁健康深度特征信息大小為16×128，經(jīng)3×1×5(卷積核大小×卷積核通道數(shù)×卷積核個(gè)數(shù))大小，步長為1的卷積操作后，輸出特征圖大小為16×5，再經(jīng)過全局平均池化，最終輸出的大小為5，再經(jīng)softmax激活層最終輸出橋梁健康狀態(tài)預(yù)測，即實(shí)現(xiàn)橋梁健康狀態(tài)的多分類預(yù)測。

2.4.3 移位卷積層

移位卷積層具體結(jié)構(gòu)如圖8所示，首先對輸入張量進(jìn)行移位操作，用來重新分配空間信息，然后進(jìn)行逐點(diǎn)卷積處理，實(shí)現(xiàn)跨通道混合信息。其中，逐點(diǎn)卷積之前有批量歸一化和非線性激活函數(shù)(ReLU)的作用。當(dāng)輸入輸出形狀不一樣時(shí)，對輸入進(jìn)行平均池化與卷積操作，通過殘差連接的方式實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的特征信息融合。

圖8 移位卷積層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過移位操作和逐點(diǎn)卷積代替了常規(guī)的空間卷積。其中，移位操作實(shí)現(xiàn)了無參數(shù)操作，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)輕量化的目的。

輸入數(shù)據(jù)首先經(jīng)過移位操作，移位操作通過將卷積核構(gòu)造為移位矩陣，對輸入數(shù)據(jù)不同通道進(jìn)行不同方向的數(shù)據(jù)移位。

設(shè)輸入數(shù)據(jù)為

F

，

G

為

F

經(jīng)過移位卷積后的輸出數(shù)據(jù)，移位操作如公式(3)所示:

(3)

其中:

j

，

m

分別為數(shù)據(jù)沿著幀數(shù)軸和通道軸的地址索引，

K

為移位卷積核，其內(nèi)部定義值如式(4)所示:

(4)

在式(4)中，在移位卷積核中指定某一位置的值為1，其它位置皆為0，經(jīng)過卷積后相當(dāng)于將原通道進(jìn)行了平移。

3 軟件仿真測試

3.1 硬件監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

在太原龍城大橋上選取長度約60 m的測試區(qū)域，每隔10 m布設(shè)如圖9所示的硬件監(jiān)測系統(tǒng)。由于監(jiān)測橋梁的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處需要布設(shè)大量的傳感器，圖中硬件監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)僅為其中一處的布設(shè)情況，在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，硬件監(jiān)測系統(tǒng)采用膠合的方式安裝到被測橋梁的橋面上，設(shè)置硬件監(jiān)測系統(tǒng)的采樣率為1 MHz，采集時(shí)間為2 s。

圖9 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

3.2 軟件仿真測試步驟

軟件實(shí)際測試步驟如圖10所示。

1) 填寫合適的IP地址和端口號，勾選“TCP模式”，創(chuàng)建一個(gè)TCP服務(wù)器，開啟硬件監(jiān)測系統(tǒng)電源，等待硬件監(jiān)測系統(tǒng)與軟件的連接，連接成功后如圖11所示；

圖10 軟件測試流程

圖11 監(jiān)測系統(tǒng)控制主界面

2) 勾選所需測試的客戶端，同時(shí)勾選合適的采樣率和采樣時(shí)間，點(diǎn)擊控制主界面中的“模式配置”按鈕，軟件將下發(fā)指令配置采樣率和采樣時(shí)間；

3) 點(diǎn)擊“開始采集”按鈕等待硬件監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁健康監(jiān)測所需的加速度數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、北斗定位數(shù)據(jù)，以及溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

4) 分別點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)回傳”、“應(yīng)變片”、“定位信息”和“溫濕度”按鈕分別對步驟3)中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，回傳過程中會有進(jìn)度條顯示，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕選擇合適的路徑和數(shù)據(jù)格式保存數(shù)據(jù)。

5) 點(diǎn)擊“綜合參數(shù)采集”按鈕，可一次性執(zhí)行步驟3)、4)，節(jié)省操作步驟。

6) 選擇“監(jiān)測時(shí)間(小時(shí))”的下拉框，等待相應(yīng)的時(shí)間后，即可執(zhí)行步驟3)、4)，同時(shí)達(dá)到相應(yīng)時(shí)間后，該步驟可自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行。經(jīng)過這一步驟的操作便可達(dá)到定時(shí)監(jiān)測的目的，方便對橋梁進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測。

3.3 軟件仿真結(jié)果分析

根據(jù)3.2中的測試步驟，對軟件進(jìn)行實(shí)際測試。在測試過程中軟件運(yùn)行穩(wěn)定，與硬件監(jiān)測系統(tǒng)配合，使用方便且靈活，初步達(dá)到了軟件設(shè)計(jì)的要求。

點(diǎn)擊“顯示定位”按鈕，根據(jù)不同的客戶端IP地址對保存的北斗定位數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、UTC時(shí)間和日期，并將這些數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)定位頁面的表格中顯示；同時(shí)調(diào)用百度地圖api將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為地圖中的坐標(biāo)點(diǎn)，并標(biāo)記在地圖中。地圖中可以直觀地看到實(shí)際布設(shè)的硬件監(jiān)測系統(tǒng)的位置和預(yù)設(shè)位置一致。北斗定位顯示界面如圖12所示。

圖12 北斗定位信息顯示

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊，對硬件監(jiān)測系統(tǒng)采集到的加速度和應(yīng)變的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，依據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算得到測試區(qū)域的橋梁撓度，對其繪制波形，如圖13(a)所示；提取處測試區(qū)域橋梁的主頻率，如圖13(b)所示；之后將經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入健康診斷模塊進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練的精度和損失度曲線如圖14所示，可以看出訓(xùn)練精度達(dá)到70%左右，損失曲線穩(wěn)定在0.5左右。將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型保存后，在該橋梁上不同位置處重新布設(shè)一組測試區(qū)域，之后重復(fù)上述測試流程中的步驟(3)、(4)，并將采集到的數(shù)據(jù)重新預(yù)處理，導(dǎo)入訓(xùn)練好的模型中測試，得到該橋梁的健康診斷結(jié)果，如圖15所示。

圖13 頻率和位移數(shù)據(jù)顯示

圖14 訓(xùn)練精度和損失曲線

圖15 橋梁健康診斷結(jié)果顯示

在實(shí)際測試過程中也發(fā)現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)不足的地方，如硬件監(jiān)測系統(tǒng)采用的是WIFI+5G的方式組成超遠(yuǎn)程通信鏈路，但是5G目前為止沒有做到全覆蓋，故該硬件監(jiān)測系統(tǒng)的使用會受到限制；軟件連接大量了客戶端后，通信鏈路會在周圍環(huán)境條件復(fù)雜的時(shí)候存在擁堵的情況；后臺自動(dòng)保存使用日志時(shí)會存在卡頓的現(xiàn)象；軟件在調(diào)用健康診斷模塊時(shí)需要進(jìn)行大量的計(jì)算，因此也會存在卡頓的情況健康診斷模塊的訓(xùn)練精度和損失度也存在優(yōu)化的空間。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了橋梁遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)綜合參數(shù)獲取與智能評估軟件，通過與硬件監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)合，完成了橋梁健康參數(shù)的獲取和智能評估的需求。在保證軟件性能和功能的同時(shí)，可以同時(shí)監(jiān)測橋梁上布設(shè)的多個(gè)硬件監(jiān)測系統(tǒng)，獲取監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并顯示，同時(shí)依據(jù)軟件中的健康診斷模塊得到當(dāng)前測試橋梁的健康狀況。軟件解決了傳統(tǒng)監(jiān)測和健康評估過程耗時(shí)的問題。最終實(shí)驗(yàn)證明，軟件控制界面友好、易操作、功能完善，具有參數(shù)獲取難度低、精度高、健康評估準(zhǔn)確的優(yōu)勢，解決了長期存在于老舊橋梁監(jiān)測中周期長、效率低、健康評估難的問題，為橋梁的維修人員提供了參考的價(jià)值，具有實(shí)際意義。