智能立體車庫光纖安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳仁峰，張嘉琦，范學(xué)忠，亓莉莉，劉 彬，韓勝利

（1.山東愛普電氣設(shè)備有限公司 濟(jì)南高新分公司，山東 濟(jì)南；2.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南；3.國網(wǎng)山東濟(jì)南市歷城區(qū)供電公司，山東 濟(jì)南；4.山東愛普電氣設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南）

引言

2021 年，國家發(fā)展改革委等部門發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)城市停車設(shè)施發(fā)展的意見》指出：要充分利用地上地下空間建設(shè)車庫等大型停車設(shè)施來解決“停車難”的問題[1]。然而，大型車庫長期運(yùn)營過程中，由于自然環(huán)境因素和鋼結(jié)構(gòu)材料屈服強(qiáng)度變化的影響，會(huì)直接導(dǎo)致智能立體車庫整體結(jié)構(gòu)性能劣化與使用壽命折減，甚至引發(fā)安全事故，威脅人身財(cái)產(chǎn)安全。目前，工程上對于立體車庫安全檢測大多采用人工巡檢的方式，且依賴檢測人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，時(shí)間長、人力成本高、自動(dòng)化水平低。因此，亟需研究出一套能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測立體車庫安全狀態(tài)的系統(tǒng)。

1 光纖光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)

光纖光柵傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、全融于光纖等優(yōu)點(diǎn)，而且光纖光柵傳感器是對波長編碼進(jìn)行測量，因此受光強(qiáng)波動(dòng)以及光的偏振態(tài)影響較小，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。憑借光纖光柵在傳感領(lǐng)域獨(dú)特的性能優(yōu)勢，各種參數(shù)的光纖光柵傳感器不斷涌現(xiàn)并在橋隧工程、航空航天、電力系統(tǒng)等相關(guān)行業(yè)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[2-3]。

本文采用了一種用于測量結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變的表面粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器，其測量范圍可達(dá)-2 000 με～2 000 με，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。此傳感器可直接粘貼在立體車庫關(guān)鍵點(diǎn)位置用于應(yīng)變測量。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

2 安全監(jiān)測平臺(tái)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)利用光纖傳感、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，通過3G/4G 無線模塊結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)送、發(fā)布和異常數(shù)據(jù)報(bào)警，采用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和處理，采用SQLite數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行本地化保存和管理，同時(shí)可向MySQL 中心數(shù)據(jù)庫定時(shí)報(bào)送數(shù)據(jù)[4]。該系統(tǒng)由無線光纖光柵解調(diào)儀硬件設(shè)備、2G/3G/4G 通信服務(wù)和無線監(jiān)測子系統(tǒng)三部分組成，其架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 解調(diào)系統(tǒng)參數(shù)

本系統(tǒng)采用蘇州南智生產(chǎn)的無線光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行監(jiān)測。該解調(diào)儀可以通過監(jiān)測立體車庫關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)的應(yīng)變等傳感器的光纖光柵中心波長變化，實(shí)現(xiàn)立體車庫的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測，具體性能參數(shù)見表1。

表1 采集系統(tǒng)參數(shù)

2.3 基礎(chǔ)設(shè)置界面

基礎(chǔ)設(shè)置界面使用選項(xiàng)欄切換各個(gè)主界面（見圖3），包括監(jiān)測視圖、數(shù)據(jù)分析、波長測量和基礎(chǔ)設(shè)置，具體功能如下。

圖3 系統(tǒng)主界面

監(jiān)測視圖可表示傳感器所在工程項(xiàng)目中的具體物理位置，并且顯示物理測量值。數(shù)據(jù)分析針對不同監(jiān)測內(nèi)容，測點(diǎn)、測線、模型數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和分析。波長測量則直接顯示添加的設(shè)備及各通道的測量波長值。

界面展示欄用于顯示界面，可點(diǎn)擊界面選項(xiàng)欄切換界面并查看該欄具體內(nèi)容。狀態(tài)欄用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)，包含數(shù)據(jù)消息、傳感器實(shí)時(shí)報(bào)警、模型實(shí)時(shí)報(bào)警和系統(tǒng)菜單。其中數(shù)據(jù)消息：當(dāng)云端或者設(shè)備中數(shù)據(jù)與本地?cái)?shù)據(jù)不同步時(shí)，提醒本地進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。傳感器實(shí)時(shí)報(bào)警：當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測并計(jì)算得到的傳感器物理量不在傳感閾值范圍內(nèi)，會(huì)通過此消息進(jìn)行提示，并通過單擊該按鈕，彈出報(bào)警傳感器詳細(xì)界面。

系統(tǒng)菜單包括關(guān)閉系統(tǒng)、隱藏系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)置分為重啟設(shè)置、MySQL 設(shè)置、保存頻率設(shè)置。重啟設(shè)置用于軟件重啟任務(wù)名稱、重啟時(shí)間、電腦的用戶名和密碼等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)重新啟動(dòng)軟件。MySQL 監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅可以保存在本地，還可以保存到MySQL 服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和二次開發(fā)等功能。保存頻率可以設(shè)置數(shù)據(jù)保存的時(shí)間間隔，如5 s 保存一次數(shù)據(jù)，分為本地和MySQL 兩種。

本系統(tǒng)還具有閾值設(shè)置和調(diào)試光譜功能，用于過濾不必要的底噪以及調(diào)試光纖傳感器性能。調(diào)試光譜欄包含選擇通道、下載光譜和保存光譜，主要用來獲取和保存設(shè)備對應(yīng)通道的光譜圖形。調(diào)試光譜通過觀察傳感器光譜確認(rèn)傳感器可以投入使用，且傳感器光譜的峰值與底部均值之差應(yīng)大于30 db。在選擇通道下拉列表中選擇在測量設(shè)備的通道編號，點(diǎn)擊下載光譜按鈕可繪圖區(qū)顯示當(dāng)前通道的光譜曲線，如圖4 所示。

圖4 光譜曲線

2.4 監(jiān)測視圖界面

該界面用于顯示傳感器的位置信息和傳感器的測量值，分為左右兩個(gè)區(qū)域（見圖5）。左區(qū)域顯示項(xiàng)目布置情況，移動(dòng)鼠標(biāo)到已經(jīng)布置的傳感器示意點(diǎn)上可以查看該傳感器當(dāng)前的數(shù)值與狀態(tài)，若傳感器發(fā)生報(bào)警，傳感器示意點(diǎn)將成紅色。右區(qū)域顯示已經(jīng)放置的所有傳感器，顯示報(bào)警數(shù)值、時(shí)間和狀態(tài)等信息。

圖5 監(jiān)測視圖界面

2.5 數(shù)據(jù)分析界面

數(shù)據(jù)分析界面總體可分為項(xiàng)目選擇欄和數(shù)據(jù)分析欄，主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如圖6 所示。項(xiàng)目選擇欄區(qū)域用于不同監(jiān)測項(xiàng)目之間的切換，切換后將改變數(shù)據(jù)分析欄的內(nèi)容。數(shù)據(jù)分析欄區(qū)域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，呈現(xiàn)監(jiān)測項(xiàng)目需要呈現(xiàn)的內(nèi)容，主要包含測線分析、測點(diǎn)分析和模型分析。

圖6 數(shù)據(jù)分析界面

測點(diǎn)分析建立傳感器測量物理量與時(shí)間關(guān)系的坐標(biāo)系，分析傳感器隨時(shí)間變化的物理量變化。模型分析在測線分析的基礎(chǔ)上再進(jìn)行分析，因此在設(shè)置的時(shí)候需要選擇特定的一根或多根測線，模型分析研究了傳感器物理位置與測量物理量關(guān)系坐標(biāo)和總體趨勢坐標(biāo)。

結(jié)束語

本文基于智能立體車庫光纖監(jiān)測硬件系統(tǒng)，開發(fā)了一套用于立體車庫安全監(jiān)測的軟件平臺(tái)。該系統(tǒng)以采集處理立體車庫關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)顯示為核心，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集處理、實(shí)時(shí)曲線顯示、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，傳感器報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)了立體車庫接駁件溫度和應(yīng)變等安全參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測，為構(gòu)建充電式立體車庫智慧化安全監(jiān)控軟件平臺(tái)提供了研究基礎(chǔ)與支撐。