物联网系列产品 | 桥梁结构健康监测系统

ONE

产品背景

1. 研究背景

河源市紫金桥垮塌事件：2019年6月14号凌晨2点12分，河源的紫金桥突然坍塌，两辆正在过桥的车辆落水。

2019年10月10日傍晚18时许，江苏省无锡市锡山区312国道上跨锡港路高架桥发生桥面侧翻垮塌，导致桥上桥下8辆汽车受灾，造成3人死亡2人受伤。

结构自动化监测首先在桥梁结构上得以应用。我国自90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥，内地的上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。

2. 现存监测系统的普遍问题

早期大型桥梁结构监测系统的弊端

①设备安装部署复杂

多采用数据集中采集，传感器与采集仪之间需要布设大量数据线缆，现场往往需要部署工控机进行数据汇集并设计通讯协议转换程序。

②交互及集成性差

通过桌面端设备访问系统服务器获取相关监测数据，而由于网络的制约和信息共享渠道的闭塞，当大批量的桥梁部署自动化监测系统后，数据信息的交互和集成性比较差。

③系统运行依赖外部供电环境

监测系统各项设备正常运营大部分依赖外部供电环境，对于各种项目的复杂情况，监测系统的大批量部署变的困难。

④维护成本高

当部署大量的桥梁监测设备后，后期的设备的运营维护成本高昂。

3. 项目研究背景

物联产品可以解决的问题

①解决传感器集中式采集收项目实际复杂环境影响设备部署困难的问题，需要摆脱供电限制，尽可能少的布设线缆，提高设备部署效率。

②解决大量已经部署到现场设备的管理及数据解析转发的困难。

③针对大量中小型桥梁希望实现个别变形参数自动监测的需求，解决结构变形监测软件需要分项目部署，不利于快速应用的问题。

TWO

产品优势

物联产品的主要优势

①使用自主研发的物联网监测设备部署监测系统，实现传感器的分布式数据采集和无线通讯，摆脱监测点需要现场供电的要求，减少对于供电和数据传输线缆的依赖，提高监测设备部署效率。

②研发基于云端的物联网设备管理和数据解析和分发的系统平台，实现大批量监测设备云端的集中统一管理和数据的统一解析和统一分发，降低后期运营维护成本。

③开发适用于小型化结构变形监测需求的云端系统软件，实现监测数据和监测信息的网页端和手机端的实时查看。

THREE

产品主要的技术内容

1. 项目研究基础

①具有多年在桥梁检测评估技术上积累的丰富经验

②成功开发并应用易检系统实现了桥梁常规检测工作的数字化和自动化，在信息化系统开发及物联网技术方面有前期的研究和积累。

③具有桥梁健康监测系统应用技术的开发和实践经验

2. 产品主要的技术特点

①能够兼容主流的测量结构变形的数字式传感器和振弦式传感器的物联网模块，并使用低功耗技术降低物联设备的整体功耗。

②实现云端设备的统一管理和解析分发。

③开发简单易用的结构变形监测系统软件。

④解决数据图表化显示的问题，并可通过网页或者手机端实时查看监测数据和设备状态。

3. LoRa无线技术介绍

什么是LoRa

LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，低功耗一般很难覆盖远距离，远距离一般功耗高，要想马儿不吃草还要跑得远，好像难以办到。LoRa的名字就是远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

LoRa的特性

①传输距离：城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km 。

②工作频率：ISM 频段 包括433、868、915 MH等。

③标准：IEEE 802.15.4g。

④调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，semtech公司私有专利技术。

⑤容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。

⑥电池寿命：长达10年。

⑦安全：AES128加密。

⑧传输速率：几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长，这很像一个人挑东西，挑的多走不太远，少了可以走远。

基于LoRaWAN标准的物联网监测系统架构图

FOUR

产品的主要性能

1.硬件系统——传感器系统

（1）静力水准传感器

采用静力水准传感器（连通管原理）进行测量，当梁体产生竖向挠曲变形或者柱体产生不均匀沉降时，连通管内各测点的液压也相应地发生变化，通过测量液压的变化量可进一步求得桥梁关键部位的挠度或沉降值。

序号	名称	参数
1	量程	0~700mm/0~1000mm/0~1500mm
2	精度	0.1%F.S（数字输出型）
3	使用环境温度	-20℃～70℃
4	温度测量范围	-20℃～110℃
5	温度灵敏度	0.1℃
6	温度精度	±0.5℃

（2）位移计

位移计可用于监测结构重点部位（如节点位置）变形，适配的传感器包括LVDT式和振弦式。

序号	名称	参数
1	量程	2.5, 5, 10, 15, 25, 50, 100mm量程
2	精度	0.1%F.S（数字输出型）
3	使用环境温度	-25℃ ~ +85℃
4	供电电源	9 ~28V DC

位移计实物图

（3）倾角计

倾角计可用于测量柱体/桥墩/梁体的倾斜。倾斜监测使用数字式倾角传感器，可精确测量倾斜角度的变化。

序号	名称	参数
1	量程	-2゜~2゜/-5゜~5゜/-10゜~10゜
2	精度	0.02%F.S（数字输出型）
3	使用环境温度	-25℃ ~ +85℃
4	供电电源	9 ~26V DC

倾角计实物图

（4）应力/应变计

应力/应变计测量结构局部应变（应力），采用振弦式应变传感器，其最大的优点是传感器结构简单，工作可靠，输出信号为标准的频率信号，非常方便计算机处理或代手段的电路调理。

序号	名称	参数
1	量程	400~1200Hz
2	精度	0.1Hz
3	使用环境温度	-20℃ ~ +85℃
4	供电电源	5V DC

振弦式应变传感器

2. 硬件系统——物联网设备

物联网模块是整套物联监测系统能够运转的核心部件，物联网设备包含振弦物联模块、串口物联模块和物联网网关三部分，其中物联模块负责传感器数据的采集和数据发送，物联网网关负责数据的汇集和云端的数据同步。

（1）物联模块

物联模块

物联串口模块和振弦模块

（2）环境温湿度传感器

物联环境温湿度传感器

（3）物联网关

物联网关

（4）受电箱

物联受电箱

（5）光伏市电互补供电单元

3. 软件系统

（1）物联设备管理和数据分发平台

软件系统为物联设备统一管理和数据解析分发平台，该平台部署于阿里云，可为部署于现场的物联设备提供登记、管理、数据解析（通讯协议转换等）和数据多平台同步分发服务，方便后期设备的维护和管理。

（2）物联结构变形监测系统软件

数据应用平台为监测项目数据处理平台，平台功能包括监测项目管理、用户管理、监测数据接收处理、监测数据分析处理、监测数据展示，用户既可以在电脑端打开网页进行数据查看跟踪，也可以通过移动端应用查看。该平台部署于阿里云，通过MQTT（消息队列）主题订阅的方式对接物联设备管理和数据分发平台的监测数据并进行后续的分析、处理和可视化展示。

物联结构变形监测系统

4. 物联网监测系统优势

 相比较人工监测和传统的自动化监测，通过引入物联网技术和云技术的物联监测系统具有安装部署快捷、施工成本低、供电要求低、系统稳定性高以及后期运维成本低等特点。

5.系统整体架构示意图

物联结构变形监测系统

FIVE

健康监测系统软件

1. 主要技术方案：

①架构：基于B/S架构，前后端分离技术，.net core架构技术。

②数据库：基于Redies、MangoDB及MySQL数据库技术。

2. 数据分析

①主要由两个频率的信号组成

②两个频段对应的信号周期为24小时和12小时

③快速傅里叶变换看不到这两种信号随时间的变化