基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化道路橋梁監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)研究

劉海斌

摘要 物聯(lián)網(wǎng)和智能化道路橋梁監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)的融合是我國路橋管理工作的又一發(fā)展目標(biāo)，徹底實(shí)現(xiàn)全智能化管理可以降本增效，減少安全隱患升級(jí)。文章分析了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)，研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橋梁基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測、橋梁安全狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化道路橋梁監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和各模塊單元的實(shí)現(xiàn)路徑。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；智能化；道路橋梁；監(jiān)測維護(hù)

中圖分類號(hào) F270.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0017-03

0 引言

近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，其在越來越多的領(lǐng)域中有著關(guān)鍵性應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)“萬物融合”的重要載體，通過該技術(shù)對(duì)生活和工作等進(jìn)行管理可以獲得較大的便利性[1]。目前我國道路交通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)智能化管理，管理體系正在不斷完善。在道路橋梁領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化維護(hù)管理方法，減少人力資源投入，實(shí)現(xiàn)高效管理目標(biāo)。由于路橋工程越來越復(fù)雜，管理和維護(hù)的難度變大，因此通過傳統(tǒng)的管理方法無法滿足路橋管理的需求，通過信息化管理系統(tǒng)進(jìn)行管理是解決這一問題的關(guān)鍵一環(huán)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能化監(jiān)測與管理系統(tǒng)的融合非常關(guān)鍵。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)層級(jí)

1.1 感知層

感知層屬于物聯(lián)網(wǎng)的核心層級(jí)，主要作用是處理數(shù)據(jù)信息。感知層涉及傳感器、RFID、監(jiān)控設(shè)備、代碼識(shí)別、ZigBee等設(shè)備與技術(shù)層面的應(yīng)用，傳感器獲取橋梁受力結(jié)構(gòu)壓力、溫度、應(yīng)力分布、交通流量等數(shù)據(jù)，通過ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后由網(wǎng)絡(luò)層處理數(shù)據(jù)[2]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要用于系統(tǒng)通信，將感知層獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后傳輸給應(yīng)用層。該層主要應(yīng)用的技術(shù)包括4/5G技術(shù)、IP承載技術(shù)、WiFi通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)等。這些技術(shù)主要以提供網(wǎng)路服務(wù)為主，能夠通過不同的通信形式獲取控制中心需要的數(shù)據(jù)，從而輔助系統(tǒng)進(jìn)行管理。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層屬物聯(lián)網(wǎng)最頂端層級(jí)，主要作用是為用戶提供信息服務(wù)。在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中，需要根據(jù)橋梁狀態(tài)調(diào)整管理和維護(hù)方案，而調(diào)整指令主要通過應(yīng)用層進(jìn)行發(fā)送，如通過SMP管理協(xié)議將特定的信號(hào)傳輸至控制中心，其可以對(duì)橋梁功能進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化道路橋梁監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)功能

2.1 橋梁基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測

基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測主要依靠傳感器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)特征不同可以將監(jiān)測對(duì)象主要分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)。Ⅰ級(jí)監(jiān)測對(duì)象包括水位、負(fù)載和風(fēng)力等，這些屬于外部因素對(duì)橋梁產(chǎn)生的直接影響，傳感器之間通過有線方式連接；Ⅱ級(jí)監(jiān)測對(duì)象包括索力、應(yīng)力，是外力因素作用在路橋后引起的形變力；Ⅲ級(jí)主要為變形情況；Ⅳ級(jí)為震動(dòng)情況。當(dāng)傳感器監(jiān)測到危險(xiǎn)預(yù)警因素后，將會(huì)進(jìn)行預(yù)警，并將危險(xiǎn)隱患所在位置信息和負(fù)載情況進(jìn)行說明。如表1所示為各級(jí)傳感器的預(yù)警信息。

系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器收集的信息，計(jì)算相關(guān)對(duì)象是否處于預(yù)警范圍。以負(fù)載預(yù)警計(jì)算為例，t時(shí)刻橋梁的負(fù)載值為Vimt，t0時(shí)刻負(fù)載值為Vimt0，可以根據(jù)式（1）計(jì)算出負(fù)載值Vimt-t0：

Vimt-t0=+Vimt0 （1）

將計(jì)算出的Vimt-t0與Wim進(jìn)行比較，如果Vimt-t0＞W(wǎng)im，系統(tǒng)機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)進(jìn)行預(yù)警。除進(jìn)行預(yù)警外，系統(tǒng)還需要對(duì)預(yù)警的確切情況進(jìn)行計(jì)算和分析，從而給管理人員更多參考。假設(shè)傳感器的預(yù)警比例為A、傳感器數(shù)量為n、觸發(fā)預(yù)警為B1、未觸發(fā)預(yù)警為B2，根據(jù)式（2）和式（3）可計(jì)算預(yù)警比例：

B=B1（Vimt-t0＞W(wǎng)im）/B2（Vimt-t0＜Wim） （2）

A（Vimt-t0＞W(wǎng)im）= （3）

2.2 橋梁安全狀態(tài)監(jiān)測

安全狀態(tài)是判斷橋梁安全性的關(guān)鍵指標(biāo)，通過傳感器獲取各監(jiān)測對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，可計(jì)算出安全狀態(tài)等級(jí)[3]。安全狀態(tài)等級(jí)主要分為高、中和低3個(gè)級(jí)別，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果顯示危險(xiǎn)因素達(dá)到規(guī)定的預(yù)警值時(shí)，可根據(jù)安全等級(jí)計(jì)算方法進(jìn)行判斷。由于傳感器工作受多種因素影響，惡劣氣候下溫度傳感器的溫感金屬元件的靈敏度降低，無法準(zhǔn)確識(shí)別溫度變化。因此，需要使用多組傳感器獲取監(jiān)測對(duì)象數(shù)據(jù)信息，方能保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。如表2所示為各級(jí)安裝狀態(tài)監(jiān)測判斷參數(shù)。

其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示監(jiān)測等級(jí)，A（Vimt-t0-Wim）為監(jiān)測等級(jí)對(duì)應(yīng)的傳感器預(yù)警數(shù)量。以ⅠA（Vimt-t0-Wim）的判定為例，如果（Vimt-t0-Wim）的值小于或等于0，說明監(jiān)測值并未達(dá)到預(yù)警值、無傳感器進(jìn)行預(yù)警，此時(shí)系統(tǒng)安全狀態(tài)為高等級(jí)；如果計(jì)算ⅠA（Vimt-t0-Wim）的值為1，則說明有1個(gè)傳感器報(bào)警，此時(shí)安全等級(jí)則下降一個(gè)級(jí)別，以此進(jìn)行類推，當(dāng)ⅠA（Vimt-t0-Wim）超過1時(shí)，安全等級(jí)繼續(xù)下降一級(jí)，進(jìn)入最低級(jí)別。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化道路橋梁監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)研究

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的主要功能是分析和處理數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)判斷橋梁運(yùn)行狀態(tài)，可借助于異常數(shù)據(jù)分析安全因素，進(jìn)而提前進(jìn)行維護(hù)和檢修[4]。整個(gè)道路橋梁監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通信結(jié)構(gòu)和管理頁面組成，見圖1所示。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集器和處理系統(tǒng)構(gòu)成，傳感器獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，能耗大約為130～150mW，網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)能源主要以太陽能板為主，可以供ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不間斷的運(yùn)行。獲取數(shù)據(jù)后通過無線多跳的方式進(jìn)行傳輸，匯聚節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)后通過有線傳輸至附近的數(shù)據(jù)處理基站?；驹O(shè)有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)主要由硬盤陣列保存，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至通信網(wǎng)絡(luò)顯示層，展示在Web網(wǎng)站，便于管理用戶通過終端獲取監(jiān)測情況。此外，系統(tǒng)還具備短信通知功能，當(dāng)監(jiān)測到危險(xiǎn)因素或?qū)ο髷?shù)據(jù)異常就會(huì)通過短信、郵件或網(wǎng)絡(luò)通知等形式直接發(fā)送警報(bào)內(nèi)容。

3.2 監(jiān)測設(shè)備

監(jiān)測設(shè)備種類有很多，如有GPRS、MICAZ、MICA2、IRIS，雖然結(jié)構(gòu)存在差異，但功能相差不大。以GPRS為例，這是一種多接口的無限測量節(jié)點(diǎn)，具有ISM波段兼容性和抗RF干擾的特點(diǎn)，能夠與MICAZ、MICA2、IRIS等節(jié)點(diǎn)組合使用。監(jiān)測目的在于采集數(shù)據(jù)，而采集數(shù)據(jù)則需要合理運(yùn)用傳感器板，要求其能夠在大溫差環(huán)境下均保持穩(wěn)定。以MTS310為例，結(jié)構(gòu)為雙軸加速和磁強(qiáng)設(shè)計(jì)，獲取后的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D處理后進(jìn)入基站。以下為處理代碼：

XMTS310M.XCommand->XCommandC；

XMTS310M.XEECommand-> XCommandC；

XMTS310M.RouteControl->MULTIHOPROUTER；

XMTS310M.Send->MULTIHOPROUTER.MhopSedn[AM-XMULTIHOP-MSG]；

MULTIHOPROUTER.ReceiveMsg[AM-XMULTIHOP-

MSG]->Comm.ReceiveMsg[AM-XMULTIHOP-MSG]；

XMTS310M.HealthMsgGet->MULTIHOPROUTER；

XMTS310M.Health_ packet->MULTIHOPROUTER。

MTS310發(fā)布獲取信息數(shù)據(jù)的指令后，接收器隨即進(jìn)行指令識(shí)別，指令匹配正確后對(duì)需要的指令進(jìn)行打包處理，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，附近的服務(wù)器會(huì)對(duì)相關(guān)指令進(jìn)行再次判斷。如果判斷結(jié)果符合要求，則將信息傳輸至顯示層，顯示層會(huì)將調(diào)取的數(shù)據(jù)信息通過圖表或文字的方式進(jìn)行展示，便于管理人員根據(jù)展示的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 監(jiān)測指標(biāo)

監(jiān)測指標(biāo)是對(duì)監(jiān)測對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行描述的一種方法，其涉及的內(nèi)容較多，具體可見表3所示。例如風(fēng)速風(fēng)強(qiáng)的測量，由于橋體中間部位和兩端所處地理位置存在很大不同，一般情況下兩端更靠近山體，受到自然風(fēng)的作用比中間弱，而兩端所處環(huán)境往往存在差異，因此需要在橋體兩端與中間位置設(shè)置傳感器，對(duì)三個(gè)區(qū)域的風(fēng)力強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測。由于橋體中間受力較大，傳感器可能會(huì)出現(xiàn)故障，因此采用了2個(gè)備用傳感器。此外，值得一提的是，在所有傳感器中應(yīng)力傳感器扮演重要角色，其可以通過橋體承重結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化情況分析和診斷沉降、形變以及開裂等問題，通過計(jì)算階頻獲得橋梁動(dòng)力情況。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件為管理和維護(hù)工作人員提供了基礎(chǔ)參照，包括的功能如下：數(shù)據(jù)分析、報(bào)警管理、設(shè)備管理、監(jiān)測評(píng)分以及數(shù)據(jù)管理等。數(shù)據(jù)分析主要為獲取和處理監(jiān)測的數(shù)值，并將處理后的數(shù)據(jù)展示在服務(wù)頁面，供管理人員查看；報(bào)警管理主要包括報(bào)警信息發(fā)送、報(bào)警信息處理以及短信通知等；設(shè)備管理主要針對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷；監(jiān)測評(píng)分主要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備功能進(jìn)行打分；數(shù)據(jù)管理主要對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理。在架構(gòu)選擇方面，以WebApi為主，采集的數(shù)據(jù)通過SQLSERVER數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，系統(tǒng)中的DotNet可以在DataModel實(shí)體層中對(duì)管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，然后經(jīng)過業(yè)務(wù)邏輯層處理數(shù)據(jù)，最終由WebApi和Linq前端數(shù)據(jù)接口獲取，以Ajax方式呈現(xiàn)路橋監(jiān)測的數(shù)據(jù)，便于用戶通過折線圖和柱狀圖進(jìn)行了解。如圖2所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和處理流程。

3.5 智能管理

智能管理是路橋監(jiān)測系統(tǒng)重要功能之一，通過智能化系統(tǒng)對(duì)路況進(jìn)行監(jiān)測，能夠?yàn)楣芾砣藛T提供更多的管理依據(jù)[5]。在路橋路況監(jiān)測指標(biāo)中，車流量監(jiān)測與管理最為關(guān)鍵，車流量較大會(huì)增加路橋的負(fù)載，從而引起不安全事件發(fā)生，通過安裝在各路段的傳感器能夠?qū)嚵髁繑?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，從而對(duì)交通進(jìn)行管理。以某對(duì)向4車道的監(jiān)測系統(tǒng)為例，系統(tǒng)監(jiān)測到周一至周三的早高峰進(jìn)入車輛數(shù)量分別為186輛、221輛和168輛，而晚高峰的駛?cè)肓糠謩e為72輛、82輛和72輛。系統(tǒng)分析后可以對(duì)交通燈進(jìn)行調(diào)控，增加早高峰的通行時(shí)間、減少晚高峰的通行時(shí)間，通過這種調(diào)控與管理能夠有效改善通行情況。此外，在智能化管理過程中系統(tǒng)還能夠?qū)︵徑范蔚那闆r進(jìn)行分析，根據(jù)車輛通行規(guī)律判斷某一個(gè)路橋網(wǎng)絡(luò)的通行情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)沿途的交通燈進(jìn)行管理，或?yàn)榻煌ň煜逻_(dá)管理指令，增加交通管理人員[6]。

4 結(jié)束語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)在智能化道路橋梁監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠幫助路橋管理人員對(duì)路橋運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行指令調(diào)整路橋網(wǎng)絡(luò)的管理方案，避免路橋出現(xiàn)負(fù)載過大的問題。同時(shí)通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也能進(jìn)行安全預(yù)警，系統(tǒng)獲取異常數(shù)據(jù)信息后可以及時(shí)進(jìn)行反饋，管理人員則根據(jù)反饋信息了解危險(xiǎn)因素，從而進(jìn)一步做出調(diào)整。

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