橋梁健康狀態在線監測預警系統的設計的探討

文/陳潔 安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 安徽合肥 230000

近年來城市化與交通運輸事業發展促使路橋工程建設規模日漸擴大，橋梁的質量問題對于施工階段與后續使用階段具有關鍵影響。通常橋梁基礎、橋墩、支座等部位的受力與變形情況較為復雜，因此需在施工階段完善健康監測系統的布設，在線獲取健康狀態數據發揮預警功能、實現及時運維，保障橋梁質量安全。

1、系統設計方案

1.1 節點架構設計

基于多節點形式進行橋梁監測系統結構設計，綜合考慮橋梁在使用過程中存在的受力、變形、振動、應變等具體狀態，由各節點獨立承擔獲取監測數據的功能，借助GPRS 與云服務器實現采集數據的上傳，并利用遠程計算機、移動端APP 訪問云服務器，將獲取到的監測數據與標準數據值進行對比分析，以此評判橋梁的健康狀態，并在出現質量安全問題時做到及時預警。采用 軟件平臺進行遠程計算機監測系統設計，基于Ubuntu 系統、Python 語言與PYQT 框架完成QY 監測軟件的建構，形成計算機系統的監測模塊。

基于節點劃分原則將橋梁監測預警系統劃分為三部分：其一是信息采集模塊，由ADXL345加速度傳感器、應力傳感器、DHT-11 溫濕度傳感器、WFS-1 風速傳感器4 個節點組成；其二是信號傳輸與網絡傳輸模塊，由ATMega2560微處理芯片、GPRS/GPS模塊2 個節點組成；其三是云服務與數據處理模塊，由 云平臺、手機APP、遠程監測計算機3 個節點組成，其中遠程監測計算機包含本地數據庫、神經網絡數據分析、數據可視化顯示模塊[1]。

1.2 功能模塊規劃

在功能模塊設計方面，信號采集模塊依靠四項傳感器采集橋梁運行狀態下的加速度、應力、溫濕度與風速數據；信號處理與網絡傳輸模塊利用主控板實現數據處理功能的集成，針對采集到的原始數據進行處理，定位節點獲取到精確的 時間，并將數據傳輸至云服務器端，起到遠程監測功能；云服務與數據處理模塊主要利用計算機或移動智能設備獲取下載監測數據，借助神經網絡模型、算法進行數據分析，將分析結果進行可視化呈現、提供預警服務，并存儲至數據庫中供相關人員進行查詢。

2、橋梁健康狀態在線監測預警系統的具體設計探討

2.1 系統硬件設計

2.1.1 主控模塊

主控模塊用于實現監測預警系統模塊架構的整體搭建，主要包含以下三要素：其一是單片機，基于Mega2560 開發板、USB 接口完成 Mega2560 單片機與核心電路板的開發設計，用于控制信號采集模塊的四種傳感器，采集橋梁健康狀態數據，并利用遠程計算機、云服務器完成數據分析處理、存儲與顯示；其二是復位電路，利用復位功能實現對單片機運行過程的保護作用，既能夠用于實現系統初始化，同時還能夠在系統程序運行錯誤時實現單片機的復位；其三是晶振電路，為單片機提供時鐘信號，供其執行軟件程序操作，保障單片機時序電路的正常運轉。

2.1.2 GPRS 通信電路

選取 GPRS 模塊將采集到的傳感器數據進行上傳，將其工作電壓設為 ，將 接口與 接口與主控單元對應接口相連，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，實現與主控單元間的數據傳輸，完成GPRS 通信電路設計。

2.1.3 傳感器模塊

選用 加速度傳感器、應力傳感器、溫濕度傳感器與 風速傳感器完成傳感器模塊的設計，分別用于測量橋梁的振動、應變、溫濕度、風速等參數。其中 加速度傳感器是一款超低功耗、3 軸加速度計，在測量狀態下的功耗為 、待機狀態下功耗僅為 ，采用數字型輸出模式與 位二進制補碼，可利用 通信接口或 數字接口實現數據訪問，具有體積小、質地輕薄特點； 應力傳感器為電阻式壓力傳感器，基于感測區域接收到的壓力值，將其轉化為電阻值形式，進而由此生成測量信息，具有敏感度高、抗干擾性能強、可實現動態檢測、成本低等性能優勢； 溫濕度傳感器采用數字型輸出口，基于數字采集、溫濕度傳感技術輸出 位數字信號，并選取電容式感濕元件與 型測溫元件完成硬件部分設計，實現與單片機的直接通信； 風速傳感器選取 、兩種供電方式，可實現脈沖、模擬電流、模擬電壓、數字傳輸等多種輸出方式，具有檢測精確、抗氧化、抗電磁干擾等性能優勢[2]。

2.1.4 系統電源電路

該系統采用 單片機與USB 接口直接供電方式，利用電源適配器可將其與計算機、220V 市電間進行直接連接，選取DC 插頭與主控電路 插座進行直接連接，完成系統電源電路的設計。

2.2 系統運行測試

采用 編輯器進行橋梁監測預警系統的測試，用戶可直接利用開發的QY 監測軟件訪問云服務器，獲取控制單元檢測到的傳感器數據，實時掌握橋梁的健康狀態信息。在啟動QY 監測軟件后，將呈現出直觀的傳感器節點列表，供用戶點擊任意節點、跳轉到相應的傳感器節點界面，并顯示出橋梁的撓度、振動、風速參數，實現對橋梁運行狀態的實時監測。同時，該軟件將獲取到的傳感器參數數據進行算法分析，利用折線圖控件展現出傳感器數據的歷史變化趨勢；當用戶切換至地圖界面時，軟件將為用戶提供任一節點所處的地理位置區域，供用戶定位橋梁節點所處定位；當用戶切換至橋梁運行狀態界面時，可通過觀察餅狀圖掌握橋梁的運行狀態，分別表現為“正常狀態”、“待維修”與“危險”三種類型；在用戶退出軟件后，該程序在后臺仍與 服務器間建立通信傳輸關系，用于實現橋梁運行狀態的實時更新，當檢測到狀態數據超出設定閾值時，即會自動觸發報警裝置，基于 機制通知用戶出現異常狀態信息，以此發揮在線監測與有效預警功能。

結論：

本文基于物聯網技術進行了橋梁健康狀態在線監測預警系統的設計，選取傳感器布設在相應節點實現狀態數據的有效采集，配合無線通信技術完成組網與上傳，通過訪問云服務端掌握橋梁健康狀態的實時數據，并基于標準值偏差觸發報警功能，實現橋梁質量安全問題的有效預警，進一步提升橋梁維護效率。