应用于悬索桥三位一体监测系统的悬索桥监测方法及装置与流程

本公开涉及悬索桥安全检测技术领域，特别涉及一种应用于悬索桥三位一体监测系统的悬索桥监测方法及装置。

背景技术：

悬索桥在长期使用过程中，由于环境侵蚀、材料老化、交通流量加重、超重车辆增多，导致悬索桥结构损伤和功能退化。为保障悬索桥结构在营运期间的承载能力、耐久性和安全性，对悬索桥进行安全状况的检测显得非常必要。

悬索桥结构在移动的车辆、人群、风力和地震等动力荷载作用下会产生振动。在车辆动载和个别情况下人群动荷载、风力和地震地面运动作用下，悬索桥结构产生的振动会增大按静力计算的内力和可能引起结构局部疲劳损伤，或会形成影响桥上汽车的舒适与安全的振动变形和加速度，甚至使悬索桥完全破坏，也就是说，悬索桥结构的振动是影响悬索桥使用与安全的重要因素之一。

目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，大多围绕悬索桥振动频率开展单一物理量监测，而针对悬索桥的振动位移以及受力状态的监测则不多见。虽然振动频率是反映悬索桥安全状态的重要指标，但该指标并不能完全反映悬索桥在复杂外力作用下的健康状态，由于除了振动引起的疲劳损伤，过大的振动位移也可能造成悬索桥结构产生塑性变形，因此，目前的悬索桥结构的安全状态监测系统对悬索桥的监测预警结果的可靠性和可信度不佳。

技术实现要素：

为了解决目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题，本公开提供一种应用于悬索桥三位一体监测系统的悬索桥监测方法及装置。所述技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种悬索桥三位一体监测系统，所述系统包括：监测点、数据采集发射系统、远程监控中心；

所述监测点设置在悬索桥上；

所述监测点与所述数据采集发射系统建立无线连接；

所述数据采集发射系统通过北斗通信卫星与所述远程监控中心建立连接；

其中，所述监测点用于采集悬索桥的监测数据，所述监测数据至少包括振动位移，所述数据采集发射系统用于对所述监测数据进行预处理，所述远程监控中心用于对所述处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种悬索桥监测方法，所述方法应用于所述悬索桥三位一体监测系统中，所述方法包括：

所述监测点采集悬索桥的监测数据，将所述监测数据发送至所述数据采集发射系统，所述监测数据至少包括振动位移；

所述数据采集发射系统对所述监测数据进行预处理，并将处理后的数据发送至所述远程监控中心；

所述远程监控中心对所述处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种悬索桥监测装置，所述装置应用于所述悬索桥三位一体监测系统中，所述方法包括：

采集模块，用于控制所述监测点采集悬索桥的监测数据，将所述监测数据发送至所述数据采集发射系统；

预处理模块，用于控制所述数据采集发射系统对所述监测数据进行预处理，并将处理后的数据发送至所述远程监控中心；

分析模块，用于控制所述远程监控中心对所述处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过将用于采集悬索桥的监测数据的监测点设置在悬索桥上，利用监测点采集悬索桥的振动位移等信息，再通过数据采集发射系统用于对监测数据进行预处理，最后通过远程监控中心用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况，由于悬索桥的监测数据中至少包括该悬索桥的振动位移；解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并于说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥三位一体监测系统的系统示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥三位一体监测系统的连接示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥监测方法的流程图；

图4是根据另一示例性实施例示出的一种悬索桥监测方法的流程图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥监测装置的框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥三位一体监测系统的系统示意图，该悬索桥三位一体监测系统可以包括但不限于：监测点110、数据采集发射系统120、远程监控中心130。

如图1所示，监测点110设置在悬索桥100上，监测点110与数据采集发射系统120建立无线连接，数据采集发射系统120通过北斗通信卫星140与远程监控中心120建立连接，其中，监测点110用于采集悬索桥100的监测数据，监测数据至少包括振动位移，数据采集发射系统120用于对监测数据进行预处理，远程监控中心120用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下悬索桥100的安全状况。

综上所述，本公开实施例中提供的悬索桥三位一体监测系统，通过将用于采集悬索桥的监测数据的监测点设置在悬索桥上，利用监测点采集悬索桥的振动位移等信息，再通过数据采集发射系统用于对监测数据进行预处理，最后通过远程监控中心用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况，由于悬索桥的监测数据中至少包括该悬索桥的振动位移；解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

仍参见图1，该监测点110包括定位接收机110a、谐振加速度计110b和振弦式应变计110c。

可选的，定位接收机为全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)接收机，设置在悬索桥的桥面上，用于测量悬索桥的振动位移。

由于目前的gps接收机的采样率已达到10-20hz，定位精度可达毫米级，因此，gps接收机具有精度高、定位速度快、全天候、自动化、便于实施的特点，在岩土、石油、水利、公路、桥梁等工程测量领域得到广泛应用。

gps接收机是接收全球定位系统卫星信号并确定地面空间位置的仪器，用户利用gps接收机可以接收到卫星发射的测距码(c/a码和p码)、载波信号(l1和l2)和数据码(d码)等信号。其中，数据码用于计算卫星坐标，测距码和载波用于建立星地距离观测方程，得到悬索桥的卫星坐标和星地距离观测方程后，利用空间距离后方交会原理即可测得悬索桥的三维坐标，在外力所用下至少获取两次悬索桥上同一位置的三维坐标即可得到所述悬索桥的振动位移。

谐振加速度计是一种典型的微机械惯性器件，设置在所述悬索桥的桥梁上。谐振加速度计包括谐振器(即谐振梁)、激振单元、检测单元等部件。谐振加速度计的工作原理是将输入加速度转换为质量块的位移，从而引起振动梁上的轴向应力或弯曲应力发生改变，即谐振频率发生变化，通过检测差分谐振频率之差即可获得输入加速度的大小。谐振加速度计的输出频率信号为一种准数字信号，由于谐振加速度计不易受到环境噪声的干扰，因此谐振加速度计属于高性能器件。

振弦式应变计是目前国内外广泛应用的一种非电量电测的传感器，该振弦式应变计由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。其中，钢弦的自振频率与张紧力的大小有关，在钢弦的几何尺寸确定之后，钢弦的振动频率的变化量，可表征受力的大小。由于振弦式应变计具有独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此，与传统的电阻式应变计相比，振弦式应变计具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。

由于振弦式应变计能直接以频率信号输出，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，因此将设置在悬索桥的悬索上实现对悬索桥高精度的自动测试。

仍参见图1，该数据采集发射系统120包括终端节点120a、路由节点120b、中心协调器120c、下位机120d以及遥测终端机120e。

请参见图2，图2是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥三位一体监测系统的连接示意图。终端节点120a通过输入/输出端口(input/output，i/o)端口分别与监测点110中的定位接收机110a、谐振加速度计110b和振弦式应变计110c连接。

可选的，该悬索桥三位一体监测系统还包括电缆接线盒140，该电缆接线盒140的一端分别与监测点110中的定位接收机110a、谐振加速度计110b和振弦式应变计110c连接，该电缆接线盒140的另一端通过i/o端口与终端节点120a连接。

可选的，终端节点120a在悬索桥100的桥梁上呈线性分布。

仍参见图2，路由节点分别与终端节点和中心协调器建立无线连接，下位机通过rs485端口分别与中心协调器和遥测终端机连接。

可选的，终端节点为紫蜂协议(zigbee)终端节点，路由节点为zigbee路由节点、中心协调器为zigbee中心协调器。zigbee终端节点、zigbee路由节点和zigbee中心协调器通过各自的pcb天线组成zigbee无线网络。

为了弥补有线网络系统需要进行大量布线、成本高、难以适应恶劣环境等缺点，本实施例可采用面向近距离且符合低功耗、低成本、双向无线通信要求的zigbee技术构建了监测网络。

zigbee是一种基于ieee802.15.4协议标准研发的短距离无线网络技术。由于zigbee以2.4ghz为主要频段，采用直接序列扩频技术(directsequencespreadspectrum，dsss)，可嵌入各种设备，同时支持地理定位功能，能够很好地满足工业控制的需要，因此zigbee被广泛应用于基于无线网络的远程监控系统。

仍参见图1，该远程监控中心130包括地面基站130a、卫星调制解调器130b以及上位机130c。

参见图2，地面基站通过北斗通信卫星与遥测终端机建立连接，卫星调制解调器的一端通过rs485端口与地面基站连接，另一端通过lan端口与上位机连接。

北斗通信卫星是中国自主研制的全球卫星导航系统，由空间端、地面端和用户端3部分组成，具有快速定位、双向通信和精密授时三大功能。北斗通信卫星可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度的定位、导航和授时服务，并具备短报文通信能力，数据通信实时性强，传输快捷，一次数据发送时间大约为1s。由于北斗通信卫星导航系统安全可靠，覆盖范围大，无通信盲区，具备独立的组网能力，不需要任何其他系统支持，架设与维护简便，是野外数据传输的理想通信系统，因此，本实施例中通过北斗通信卫星建立地面基站130a与遥测终端机之间的连接。

可选的，该悬索桥三位一体监测系统还包括：至少两个显示器，一个显示器通过视频传输标准(videographicsarray，vga)端与下位机连接，另一个显示器通过vga端与上位机连接。

综上所述，本公开实施例中提供的悬索桥三位一体监测系统，通过将用于采集悬索桥的监测数据的监测点设置在悬索桥上，利用监测点采集悬索桥的振动位移等信息，再通过数据采集发射系统用于对监测数据进行预处理，最后通过远程监控中心用于对处理后的数据进行分析，判定外力作用下所述悬索桥的安全状况，由于悬索桥的监测数据中至少包括该悬索桥的振动位移；解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

本实施例中，zigbee是一种近距离、低功耗、双向无线通信技术，可将悬索桥长距离范围内的多个监测点构成测量网络，而卫星通信技术面向的是远距离通信，两者能够优势互补，通过zigbee网络中心节点以卫星通信方式与监控中心进行数据传输，实现对悬索桥的在线实时监测预警。

本实施例中，本监测系统结构简捷可靠、安装灵活、操作使用方便、维护保养简单，使悬索桥监测预警工作的针对性、有效性、实用性增高，可广泛用铁路、大坝、长输管线、高压输电线等工程结构的监测预警。

图3是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥监测方法的流程图，如图3所示，该悬索桥监测方法用于如图1所示的悬索桥三位一体监测系统中，包括以下步骤。

步骤201，监测点采集悬索桥的监测数据，将监测数据发送至数据采集发射系统。

其中，监测数据包括振动位移、振动加速度和振动应变。步骤201可包括下述步骤：

(1)定位接收机测量悬索桥的振动位移，将振动位移发送至下位机。

(2)谐振加速度计测量悬索桥的振动加速度，将振动加速度发送至下位机。

(3)振弦式应变计测量悬索桥的振动应变，将振动应变发送至下位机。

振弦式应变计工作原理：将一根金属丝(钢弦)两端固定后张拉，钢弦内部将产生一定的振动应力,此时钢弦的固有振动频率与振动应力具有一定的定量关系，根据动力学原理可以得到钢弦振动公式为：

公式1中，f0为钢弦的初始振动频率，l为钢弦的有效长度，σ0为钢弦的初始应力，ρ为钢弦的材料密度。

当外力未施加时，钢弦按初始应力σ0作稳幅振动，输出初始频率f0；当施加外力(即振动应力)时，形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少δσ，这时初始频率也随之增加或减少δf。因此，只要测得振弦频率值f，即可得到相应被测的振动应力和振动应变。

步骤202，数据采集发射系统对监测数据进行预处理，并将处理后的数据发送至远程监控中心。

下位机根据接收到的振动位移、振动加速度和振动应变，分别计算出悬索桥的振动频率和悬索应力，将悬索桥的振动频率和悬索应力发送至遥测终端机。

其中，悬索桥的振动频率的计算过程如下：

在风荷载、载重汽车等外力作用下，悬索桥做振幅为a、角频率为ω的简谐振动，悬索桥的振动位移x(t)可用公式2来表示：

公式2中，t为时间，为常数，角频率ω。其中角频率ω表达式可用公式3来表示：

ω＝2πf公式3

公式3中，f为悬索桥的振动频率。

对公式2进行二阶求导，得到悬索桥的振动加速度x″(t)，x″(t)可用公式4来表示：

联合公式2至公式4，可得公式5：

由公式5可知，通过定位接收机测得悬索桥的振动位移x(t)、通过谐振加速度计测得悬索桥的振动加速度x″(t)，可求得悬索桥的振动频率f。

其中，悬索桥的悬索应力的计算过程如下：

当悬索桥在风荷载、载重汽车等外力作用下发生振动时，悬索桥的悬索随之产生悬索应力，根据胡克定律可得到如下公式6和公式7：

公式6和公式7中，σ0为钢弦应力，σ为悬索应力，ε0为钢弦应变，ε为悬索应变，e0为钢弦弹性模量，e为悬索弹性模量，δt为温度变化值，α为钢弦材料的热膨胀系数，β为悬索材料的热膨胀系数。

根据应变测量的基本原理，钢弦与悬索保持同步变形，即ε0＝ε，联合公式6、公式6以及公式7，可计算得到悬索桥的悬索应力σ。其中，悬索桥的悬索应力σ的计算公式如下：

当遥测终端机接收到下位机发送的悬索桥的振动频率和悬索应力后，通过北斗通信卫星将悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力发送至地面基站。

步骤203，远程监控中心对处理后的数据进行分析，判定外力作用下悬索桥的安全状况。

地面基站通过卫星调制解调器，将接收到的悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力发送至上位机。上位机根据接收到的悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力，综合判断外力作用下悬索桥的安全状况。

具体的，上位机在接收数据后，首先将数据进行分类，调用labview自编程序对悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力进行分析处理并输入显示器，由显示器动态显示振动位移、振动频率和悬索应力分别对应的图形曲线，并将振动位移、振动频率和悬索应力分别对应的图形曲线与定位接收机测量的悬索桥的振动位移相结合，分别判定悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力是否超过对应的预设阈值，若悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力中至少一项超过对应的预设阈值，则进行预警提示。

需要说明的是，图4是根据另一示例性实施例示出的一种悬索桥监测方法的流程图，步骤201至步骤203的详细流程可以由图4体现。

综上所述，本公开实施例中提供的悬索桥监测方法，通过监测点采集悬索桥的监测数据，将监测数据发送至数据采集发射系统，数据采集发射系统对监测数据进行预处理，并将处理后的数据发送至远程监控中心，由远程监控中心对处理后的数据进行分析，判定外力作用下悬索桥的安全状况，由于悬索桥的监测数据中至少包括该悬索桥的振动位移；解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

本实施例中，针对悬索桥目前监测手段和监测目标较为单一的状况，首次提出基于悬索应力、振动位移、振动频率三种物理量进行三位一体联合监测的方法，揭示了振动位移、振动加速度与振动频率之间的关联特征，用多指标综合判断风力荷载、载重汽车等外力作用下悬索桥的安全状态。

在实际应用中，采用本实施里所涉及的悬索桥三位一体监测系统在湖北巴东县野三关镇的四渡河悬索桥进行了试验，该四渡河悬索桥大桥全长1365m，由长1105m的大桥和长228.9m的路基组成，大桥主跨为900m，桥面宽24.5m。其中，悬索桥三位一体监测系统中各个部件的具体为：

定位接收机为trimble5800双频接收机，谐振加速度计为表面硅微单轴mems加速度计；振弦式应变计为vk-4100/4150点焊型应变计；终端节点为sz06-2k-(01)无线数据采集模块；路由节点和中心协调器均包括sz05-adv无线串口模块；遥测终端机为h5110标准型遥测终端机。

经现场试验，本例提出的悬索桥三位一体监测系统以及悬索桥监测方法，通过对悬索桥开展振动位移、振动频率和悬索应力三种物理量的联合监测，可以综合反映悬索桥的健康状况，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度，同时采用zigbee技术构建的无线网络系统，易于悬索桥三位一体监测数据的实时采集和近距离无线通信。

下述为本公开装置实施例，可以用于执行本公开方法实施例。对于本公开装置实施例中未披露的细节，请参照本公开方法实施例。

图5是根据一示例性实施例示出的一种悬索桥监测装置的框图，如图5所示，该悬索桥监测装置包括但不限于：采集模块301、预处理模块302和分析模块303。

采集模块301，用于控制监测点采集悬索桥的监测数据，将监测数据发送至数据采集发射系统，监测数据至少包括振动位移；

预处理模块302，用于控制数据采集发射系统对监测数据进行预处理，并将处理后的数据发送至远程监控中心；

分析模块303，用于控制远程监控中心对处理后的数据进行分析，判定外力作用下悬索桥的安全状况。

在一种可能的实现方式中，监测数据还包括振动加速度和振动应变，该采集模块301，包括：第一测量单元、第二测量单元和第三测量单元。

第一测量单元，用于控制定位接收机测量悬索桥的振动位移，将振动位移发送至下位机；

第二测量单元，用于控制谐振加速度计测量悬索桥的振动加速度，将振动加速度发送至下位机；

第三测量单元，用于控制振弦式应变计测量悬索桥的振动应变，将振动应变发送至下位机。

在一种可能的实现方式中，该预处理模块302，包括：计算单元和第一发送单元。

计算单元，用于控制下位机根据接收到的振动位移、振动加速度和振动应变，分别计算出悬索桥的振动频率和悬索应力，将悬索桥的振动频率和悬索应力发送至遥测终端机；

第一发送单元，用于控制遥测终端机通过北斗通信卫星将悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力发送至地面基站。

在一种可能的实现方式中，该分析模块303，包括：第二发送单元、判定单元和提示单元。

第二发送单元，用于控制地面基站通过卫星调制解调器，将接收到的悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力发送至上位机；

判定单元，用于控制上位机根据接收到的悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力，分别判定悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力是否超过对应的预设阈值；

提示单元，用于控制若悬索桥的振动位移、振动频率和悬索应力中至少一项超过对应的预设阈值，则进行预警提示。

综上所述，本公开实施例中提供的悬索桥监测装置，通过监测点采集悬索桥的监测数据，将监测数据发送至数据采集发射系统，数据采集发射系统对监测数据进行预处理，并将处理后的数据发送至远程监控中心，由远程监控中心对处理后的数据进行分析，判定外力作用下悬索桥的安全状况，由于悬索桥的监测数据中至少包括该悬索桥的振动位移；解决了目前针对悬索桥结构的安全状态监测系统，未考虑悬索桥的振动位移，导致监测预警结果的可靠性和可信度不佳的问题；达到了对悬索桥结构开展多物理量的联合监测，能有效提高监测预警结果的可靠性和可信度的效果。

本实施例中，针对悬索桥目前监测手段和监测目标较为单一的状况，首次提出基于悬索应力、振动位移、振动频率三种物理量进行三位一体联合监测的方法，揭示了振动位移、振动加速度与振动频率之间的关联特征，用多指标综合判断风力荷载、载重汽车等外力作用下悬索桥的安全状态。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。