研究背景

早期大型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的弊端

設(shè)備安裝部署復(fù)雜

多采用數(shù)據(jù)集中采集，傳感器與采集儀之間需要布設(shè)大量數(shù)據(jù)線纜，現(xiàn)場(chǎng)往往需要部署工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集并設(shè)計(jì)通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。

交互及集成性差

通過(guò)桌面端設(shè)備訪問(wèn)系統(tǒng)服務(wù)器獲取相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而由于網(wǎng)絡(luò)的制約和信息共享渠道的閉塞，當(dāng)大批量的橋梁部署自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)信息的交互和集成性比較差。

系統(tǒng)運(yùn)行依賴外部供電環(huán)境

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備正常運(yùn)營(yíng)大部分依賴外部供電環(huán)境，對(duì)于各種項(xiàng)目的復(fù)雜情況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大批量部署變的困難。

維護(hù)成本高

當(dāng)部署大量的橋梁監(jiān)測(cè)設(shè)備后，后期的設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高昂。



利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能解決上述難題：

解決傳感器集中式采集收項(xiàng)目實(shí)際復(fù)雜環(huán)境影響設(shè)備部署困難的問(wèn)題，需要擺脫供電限制，盡可能少的布設(shè)線纜，提高設(shè)備部署效率。

解決大量已經(jīng)部署到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理及數(shù)據(jù)解析轉(zhuǎn)發(fā)的困難。

針對(duì)大量中小型橋梁希望實(shí)現(xiàn)個(gè)別變形參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，解決結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)軟件需要分項(xiàng)目部署，不利于快速應(yīng)用的問(wèn)題。

橋梁養(yǎng)護(hù)平臺(tái)簡(jiǎn)介

以橋梁BIM模型作為內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，集成橋梁竣工、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)信息及圖文數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)橋梁基本數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢和統(tǒng)計(jì)，以及橋梁技術(shù)狀況、病害數(shù)據(jù)的可視化以及安全預(yù)警等功能。



產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

使用自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備部署監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器的分布式數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通訊，擺脫監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要現(xiàn)場(chǎng)供電的要求，減少對(duì)于供電和數(shù)據(jù)傳輸線纜的依賴，提高監(jiān)測(cè)設(shè)備部署效率。

研發(fā)基于云端的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理和數(shù)據(jù)解析和分發(fā)的系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大批量監(jiān)測(cè)設(shè)備云端的集中統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一解析和統(tǒng)一分發(fā)，降低后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

開(kāi)發(fā)適用于小型化結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)需求的云端系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)信息的網(wǎng)頁(yè)端和手機(jī)端的實(shí)時(shí)查看。



平臺(tái)主要技術(shù)內(nèi)容

項(xiàng)目研究基礎(chǔ)

具有多年在橋梁檢測(cè)評(píng)估技術(shù)上積累的豐富經(jīng)驗(yàn)。

成功開(kāi)發(fā)并應(yīng)用易檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋梁常規(guī)檢測(cè)工作的數(shù)字化和自動(dòng)化，在信息化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面有前期的研究和積累。

具有橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

產(chǎn)品主要的技術(shù)特點(diǎn)

能夠兼容主流的測(cè)量結(jié)構(gòu)變形的數(shù)字式傳感器和振弦式傳感器的物聯(lián)網(wǎng)模塊，并使用低功耗技術(shù)降低物聯(lián)設(shè)備的整體功耗。

實(shí)現(xiàn)云端設(shè)備的統(tǒng)一管理和解析分發(fā)。

開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單易用的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。

解決數(shù)據(jù)圖表化顯示的問(wèn)題，并可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者手機(jī)端實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)。

LoRa無(wú)線技術(shù)應(yīng)用

什么是LoRa

LoRa是semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3-5倍。

LoRa的特性

傳輸距離：城鎮(zhèn)可達(dá)2-5 Km ， 郊區(qū)可達(dá)15 Km 。

工作頻率：ISM 頻段包括433、868、915 MH等。

標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4g。

調(diào)制方式：基于擴(kuò)頻技術(shù)，線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力，semtech公司私有專利技術(shù)。

容量：一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)。

電池壽命：長(zhǎng)達(dá)10年。

安全：AES128加密。

傳輸速率：幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長(zhǎng)。



基于LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

平臺(tái)主要性能

硬件系統(tǒng)——傳感器系統(tǒng)

靜力水準(zhǔn)傳感器

采用靜力水準(zhǔn)傳感器（連通管原理）進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)梁體產(chǎn)生豎向撓曲變形或者柱體產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，連通管內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的液壓也相應(yīng)地發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量液壓的變化量可進(jìn)一步求得橋梁關(guān)鍵部位的撓度或沉降值。



位移計(jì)可用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位（如節(jié)點(diǎn)位置）變形，適配的傳感器包括LVDT式和振弦式。

位移計(jì)實(shí)物圖

傾角計(jì)

傾角計(jì)可用于測(cè)量柱體/橋墩/梁體的傾斜。傾斜監(jiān)測(cè)使用數(shù)字式傾角傳感器，可精確測(cè)量?jī)A斜角度的變化。





傾角計(jì)實(shí)物圖

應(yīng)力/應(yīng)變計(jì)

應(yīng)力/應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變（應(yīng)力），采用振弦式應(yīng)變傳感器，其最大的優(yōu)點(diǎn)是傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的頻率信號(hào)，非常方便計(jì)算機(jī)處理或代手段的電路調(diào)理。





振弦式應(yīng)變傳感器

硬件系統(tǒng)——物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

物聯(lián)網(wǎng)模塊是整套物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部件，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包含振弦物聯(lián)模塊、串口物聯(lián)模塊和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)三部分，其中物聯(lián)模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯集和云端的數(shù)據(jù)同步。

物聯(lián)模塊



物聯(lián)模塊



物聯(lián)串口模塊和振弦模塊



環(huán)境溫濕度傳感器



物聯(lián)環(huán)境溫濕度傳感器

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)



物聯(lián)網(wǎng)關(guān)



受電箱



物聯(lián)受電箱



光伏市電互補(bǔ)供電單元



軟件系統(tǒng)

物聯(lián)設(shè)備管理和數(shù)據(jù)分發(fā)平臺(tái)

軟件系統(tǒng)為物聯(lián)設(shè)備統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)解析分發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)部署于阿里云，可為部署于現(xiàn)場(chǎng)的物聯(lián)設(shè)備提供登記、管理、數(shù)據(jù)解析（通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換等）和數(shù)據(jù)多平臺(tái)同步分發(fā)服務(wù)，方便后期設(shè)備的維護(hù)和管理。






物聯(lián)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，平臺(tái)功能包括監(jiān)測(cè)項(xiàng)目管理、用戶管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收處理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示，用戶既可以在電腦端打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看跟蹤，也可以通過(guò)移動(dòng)端應(yīng)用查看。該平臺(tái)部署于阿里云，通過(guò)MQTT（消息隊(duì)列）主題訂閱的方式對(duì)接物聯(lián)設(shè)備管理和數(shù)據(jù)分發(fā)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)的分析、處理和可視化展示。

物聯(lián)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

相比較人工監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，通過(guò)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)的物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安裝部署快捷、施工成本低、供電要求低、系統(tǒng)穩(wěn)定性高以及后期運(yùn)維成本低等特點(diǎn)。



系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖



物聯(lián)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

本項(xiàng)目以海南瓊海市心怡路橋作為示范項(xiàng)目進(jìn)行了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署，隨后在花都區(qū)東風(fēng)大橋、廣州市客村立交、天河立交、花都引水橋、黃村立交、珠海市省糧庫(kù)橋、河源市迎客大橋等多座橋梁進(jìn)行推廣應(yīng)用。

平臺(tái)系統(tǒng)軟件

主要技術(shù)方案

架構(gòu)：基于B/S架構(gòu)，前后端分離技術(shù)，.net core架構(gòu)技術(shù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)：基于Redies、MangoDB及MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。













數(shù)據(jù)分析



主要由兩個(gè)頻率的信號(hào)組成

兩個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的信號(hào)周期為24小時(shí)和12小時(shí)

快速傅里葉變換看不到這兩種信號(hào)隨時(shí)間的變化