無人值守橋梁監測系統設計

張 勇 劉國清 王景濤

1.陸軍軍事交通學院學員五大隊研究生隊，天津 300161；2.陸軍軍事交通學院聯合投送系，天津 300161

無人值守橋梁監測系統，可實時監測橋梁結構情況，及時評估橋梁健康狀況，提前預警報警，實現橋梁故障診斷和維護的實時性和智能性，對加強橋梁的信息化管理以及減少事故的發生具有重要作用。

橋梁是國家基礎設施建設的重要組成部分，對保證道路交通系統的暢通發揮著不可替代的作用。近年來，由于橋梁結構設計和材料的缺陷、自然環境的侵害、長期超負荷運營以及橋齡的增長，導致橋梁坍塌事故逐年增加，這些事故給國民經濟持續穩定發展帶來巨大損失，產生了社會負面影響。

傳統橋梁監測系統采用布設線路的方式，接線復雜、工程造價高，達不到對橋梁檢測的實時性、準確性及可靠性的要求。對橋梁巡檢采用人工巡檢方式，不能對橋梁狀態做到實時監測，不能及時發現隱蔽病害，耗費大量人力、物力、財力，效率低下。為了減少橋梁事故的發生、改進傳統巡檢方式以及加強重點目標橋梁的集中統一管理，設計無人值守橋梁監測系統顯得尤為重要。本文基于物聯網框架體系從整體上構建橋梁監測系統，達到無人值守的目的。

1 橋梁監測系統總體技術方案

1.1 橋梁監測系統的體系架構

橋梁監測系統采用4層體系架構，自下而上分別為智能感知層、網絡傳輸層、數據支撐層和應用服務層，各層具有各自的功能和特點。智能感知層由各種傳感設備采用ZigBee技術形成自組織多條的無線傳感器網絡，實時采集物理環境下的橋梁結構參數以及執行遠程監測中心的控制命令。網絡傳輸層主要由ZigBee近距離無線通信和GPRS遠距離無線通信融合組網，主要是用來傳輸底層的感知信息、應用層的控制信息。數據支撐層主要為應用層提供數據服務，保存采集的橋梁監測數據。應用服務層主要包括服務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、遠程監測、人機交互等各類業務功能和操控界面[1]。

1.2 橋梁監測系統硬件設計

無人值守橋梁監測系統由數據采集終端、GPRS遠距離數據傳輸系統及監測中心三部分組成。其工作流程為：通過在橋梁上布設一系列傳感器節點以建立狀態監測點，前端傳感器節點自組織形成無線傳感器網絡將采集的橋梁狀態參數實時發送至ZigBee協調器節點，通過GPRS公用網絡和Internet網將數據發送至遠程監測中心的數據中心。監測系統客戶端可以對數據實時觀察、分析處理，同時還可以發送命令設置無線傳感器節點參數[2]。

1.2.1 數據采集終端

數據采集終端是完成對橋梁狀態數據的實時采集，由終端傳感器、無線傳感器網絡及協調器節點三部分組成。

（1）終端傳感器節點。終端傳感器采集橋梁所處工作環境的信息，如橋址四周風速風向及環境溫度、橋上車輛荷載及視頻；實時監測橋梁整體結構性能，如橋梁的結構變形、振動等物理量；重點監測橋梁關鍵斷面應力，如靜應變和動應變等參數。數據采集終端每隔固定時間采集傳感器數據，并將采集的數據通過ZigBee通信模塊傳給匯聚節點協調器[3]。

對于具體的橋梁，重點分析橋梁四周的環境狀況，比如，橋梁本身的結構、內部應力分布情況及橋梁四周的環境，合理布置傳感器，確定理想的監測方案。針對不同的橋梁，應用有限元模型分析橋梁的薄弱處，依據總體分析模型來優化傳感器的最佳安裝位置。

（2）協調器節點。協調器節點以ARM微處理器為核心，其主要作用是接收、分析和預處理終端傳感器節點傳來的狀態數據，自組織建立傳感器網絡，并進行數據協議轉換，與SIM900A通過串口進行數據通訊，通過GPRS模塊將各類狀態參數傳輸至數據中心。

（3）ZigBee近距離無線傳感器網絡。由協調器自動建立無線網絡，各類終端采集節點自動加入無線網絡并周期性地采集各類橋梁狀態數據，經無線傳感器網絡各類狀態信息發送給ZigBee協調器節點，經協議轉換后，利用GPRS傳輸模塊通過Internet網將數據傳輸到遠程監測中心。

1.2.2 GPRS遠距離網絡數據傳輸系統

GPRS（通用無線分組交換技術）為移動客戶與網絡之間的連接提供了方便。由于橋梁監測節點眾多，信息收發頻繁，考慮傳輸效率和應用服務成本，采用GPRS無線傳輸技術傳輸感知數據。GPRS網絡經過GI接口直接連接互聯網Internet，把監測中心通過互聯網與數據采集終端相聯。監測中心設置可固定一個IP地址，GPRS網絡通過運用IP數據包的形式與監測中心進行數據傳輸。

1.2.3 遠程監測中心

遠程監測中心主要為橋梁管理部門提供各類網上服務功能，負責發送控制指令、采集實時數據、分析處理故障信息等任務。按云架構組建數據中心，實時保存橋梁數據，提供橋梁現場視頻的實時瀏覽、歷史視頻監控信息的調閱與播放功能。

2 橋梁監測系統軟件功能設計

橋梁監測系統功能主要包括系統登錄、基本信息管理、遠程控制、實時監測、預警報警、健康評估和養護決策七大功能，所設計的終端軟件具有良好的人機交互界面。橋梁監測系統軟件工作流程為：客戶端利用瀏覽器向Web服務器發送信息請求，Web服務器接收到請求后，連接數據庫服務器并對數據進行處理，再將數據交給Web服務器的應用程序，最后以HTML形式返回給客戶端查看[3]。

遠程監測中心軟件采用B/S模式，利用PHP語言、Web技術、SQL Server數據庫、AJAX等技術開發簡便、高效、友善的人機交互軟件界面，用戶通過瀏覽器Wed頁面遠程訪問監測中心服務器，及時獲取橋梁現場的數據和運行信息并實現遠程監控，同時可考慮開發移動客戶端程序，將監測系統同步于手機端，方便橋梁維修人員隨時查看當前橋梁的結構狀態。

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

（2）系統管理。該功能主要是對橋梁和用戶的一些基本信息進行維護和管理。橋梁基本信息管理包括橋梁的基礎數據，比如，橋梁建設年份、橋梁類型、橋長、橋寬、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）遠程控制。遠程控制主要是遠程管理各類終端傳感器節點。通過服務器客戶端遠程設置終端傳感器的采樣方式，根據不同需求及狀況選擇實時監控、定時間采集、特殊狀況觸發采集等采集方式[3]。

（4）實時監測。該功能包括數據獲取、數據顯示、視頻監控、歷史信息查詢。數據獲取主要是實時收集采集現場信息，并將這些數據信息備份保存至數據庫中，當遠程登錄訪問時，可及時調用相關信息。數據顯示功能主要是對橋梁的狀態參數形象直觀表達；視頻監控是指將高清紅外球形攝像儀采集的視頻數據采用流媒體技術，動態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的信息。通過管理人員預設的查詢條件，查詢服務器數據庫中的數據，返回符合條件的橋梁節點數據，并支持歷史數據報表打印。

（5）預警報警。該系統能實時監測橋梁在極端天氣時橋梁運營不正常的狀況。在系統中預先設置橋梁結構狀態參數的一個或者多個閾值，當橋梁結構存在安全隱患時，系統提前預警，自動報警，自動定位故障節點，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行實時評估、狀態分析，用于判斷橋梁的使用狀況和使用壽命，預測橋梁狀態發展。引進新的橋梁評估技術，數據中心提供云服務，對橋梁進行云診斷，自動診斷故障，并生成橋梁健康評估報告，為橋梁養護和管理提供依據和指導。

（7）養護決策。針對橋梁常出現的一些問題，建立專家系統，提供切實可行的現場解決方案，為橋梁的養護決策提供理論和技術支持。根據統計分析結果可自動生成維護和搶修方案，并支持方案的導出功能。

3 結語

本文在運用物聯網技術和移動通訊技術的基礎上，構建了橋梁監測系統體系架構，重點分析了橋梁監測系統硬件技術方案以及軟件功能，對橋梁的養護與管理具有一定的應用與參考價值。首先，無人值守橋梁監測系統能夠實時掌控橋梁交通狀況，有利于橋梁管理部門在緊急情況下進行有序的交通管制；其次，系統不受時間、空間位置的限制，可以隨時掌握橋梁的健康狀態，及時作出判斷，以減輕檢修人員的工作強度、節約人力、提高工作效率。同時，隨著云技術的發展，可考慮在遠程監測中心建立云數據平臺，對橋梁群運行健康狀況進行在線、實時、連續的監測，運用云診斷技術提前發現橋梁病害并采取相應的措施，避免事故的發生，提高對橋梁的信息化、可視化、智能化的管理，為橋梁的養護提供及時、準確、科學的指導依據。最后，對于橋梁設計單位，監測系統收集的歷史數據能真實反映橋梁的工作環境和狀態信息，可通過對現有橋梁日常運行情況的數據進行分析，為今后橋梁結構設計改進提供更多的理論依據。