桥梁在线健康监测系统及其监测方法与流程

本发明涉及非专用于特定变量的测量领域，特别是涉及一种桥梁在线健康监测系统及其监测方法。

背景技术：

现有的桥梁在服役期间材料与结构的自然老化、交通量的不断增大、超重车辆造成的不可恢复损伤，以及不可预测的自然环境灾害的影响，严重影响了桥梁的正常工作状态，桥梁的使用寿命受到了严峻威胁，在用桥梁安全问题令人担忧。而以前对于桥梁传统的定期检查方式，检查时间间隔较长，无法做到对桥梁结构健康状况的实时监测，不能在桥梁发生异常情况时及时提供预警。目前各地频繁出现桥梁安全事故，也为桥梁建设者和运营管理者敲响了警钟。

基于以上情况，随着现代信息化社会发展的今天，实时在线安全监测已然成为桥梁的安全监测的主要研究和发展方向。在现有技术中出现了如“基于传感器的路桥状态监测方法及系统”(公开号cn107389124a)的在线监测技术，通过在桥梁上设置各种传感器采集桥梁的各种结构数据，并将采集的结构数据汇聚传输给数据中心进行分析，实时得出桥梁的健康监测数据。

现有的监测系统都需要在桥上布置多种不同种类和型号的传感器，这些传感器由于生产厂家不同、类型不同，传感器的通信协议、数据协议也不同，所以采集系统需要同时运行不同的采集程序来进行数据采集，降低了监测系统的稳定性和兼容性。另外，现有的大多数监测系统都是实时上传所有的传感器采集的数据，上传的数据量大，需要较大的带宽才能满足数据上传，而大部分桥梁都是位于野外，网络环境容易受到影响，很难满足系统的需求。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明提供一种桥梁在线健康监测系统及其监测方法，通过分时配置不同的数据采集模式采集不同的监测节点采集的监测数据，满足不同传感器的数据采集。并且定时向数据中心询问存储情况，根据数据中心的存储情况分时进行数据传输，减少每次上传的数据量，减小外部环境因素对系统的影响。

技术方案如下：

一种桥梁在线健康监测系统，设置有多个用于监测桥梁不同的结构数据的监测节点，以及用于采集监测节点的监测数据的汇聚单元，该汇聚单元根据时间配置相应的通信协议和数据长度参数来进行数据采集和存储，并定时根据监测数据的采集情况向数据中心发送上传请求。

所述数据中心根据上传请求检测数据库的数据情况，并根据数据情况向汇聚单元发送上传指令，所述汇聚单元根据上传指令调取相应的监测数据进行聚集化处理，并将处理后的数据上传数据中心，所述数据中心将汇聚单元上传的数据存储到数据库中，并实时调取存储的数据进行数据分析，得出桥梁健康情况监测信息。

汇聚单元根据时间配置相应的通信协议和数据长度参数来进行数据采集和存储，在固定的时间，采用相应的采集方式，采集固定的监测节点的监测数据，提高了系统的稳定性和兼容性。

数据中心根据自身的数据情况和汇聚单元的采集情况生成上传指令，减少了不必要的数据上传，如过时的数据，并且汇聚单元在上传数据前对数据进行聚集化处理，减少了数据上传量。而采用定时上传的方式上传数据，弱化了外部网络环境对系统的影响。

更进一步的，所述汇聚单元设置有供电系统、汇聚终端、交换机、串口服务器和lora网关，该lora网关经串口服务器连接交换机，交换机连接汇聚终端，所述汇聚终端通过交换机、串口服务器和lora网关分别与对应的监测节点进行数据交互，所述交换机还连接有路由器，所述汇聚终端通过路由器与数据中心进行数据交互，所述汇聚终端、交换机、串口服务器、lora网关和路由器均由供电系统供电。

更进一步的，所述供电系统设置有短信远程控制器和降压模块，该短信远程控制器设置有第一路干接点输出接口和第二路干接点输出接口，第一路干接点输出接口的公共端连接有外接电源，常闭端连接所述路由器和交换机的电源端，第二路干接点输出接口的公共端经电源管理模块连接有蓄电池，常闭端连接汇聚终端和lora网关的电源端，所述外接电源经降压模块分别给串口服务器和短信远程控制器供电。

一种桥梁在线健康监测系统的监测方法，包括：

汇聚单元定时选择配置信息配置采集模式采集监测数据，该配置信息包括通信协议和数据长度参数；

汇聚单元定时与数据中心建立通信连接，并在建立通信连接后根据数据中心发送的上传指令上传数据，数据中心根据数据库的数据的存储情况，结合汇聚单元的存储情况生成上传指令；

数据中心根据汇聚单元上传的数据生成桥梁健康情况监测信息。

更进一步的，所述汇聚单元采用以下方法采集监测数据：

步骤3-1、采用配置的采集模式向监测节点发送采集指令；

步骤3-2、获取监测节点发送的监测数据；

步骤3-3、判定发送的监测数据的数据长度是否符合配置的数据长度参数；

若不符合，则不接收该条监测数据，并返回步骤3-2；

若符合，则进入步骤3-4；

步骤3-4、验证该条监测数据是否与系统内部的数据协议相符；

若符合，则进入步骤3-5；

若不符合，则将监测数据转换成与系统内部的数据协议相符的监测数据，并进入步骤3-5；

步骤3-5、存储监测数据。

更进一步的，包括汇聚单元对监测数据进行滤波处理的步骤，所述汇聚单元根据发出的采集指令配置相应的数字滤波算法对监测数据进行滤波处理。

更进一步的，当只发出的1条采集指令时，汇聚单元对监测数据进行限幅滤波处理后存储；

当发出超过1条的采集指令时，汇聚单元获取到监测数据后对监测数据进行中值滤波或者均值滤波，并在存储监测数据前对监测数据进行限幅滤波处理；

当发出的采集指令是采集特殊数据时，汇聚单元不进行滤波处理；

当发出的采集指令是采集第三方提供的监测数据时，汇聚单元对监测数据先进行聚集化处理，然后再限幅滤波后存储。

更进一步的，所述汇聚单元采用以下方法与数据中心进行数据上传：

步骤4-1、汇聚单元定时与数据中心建立通信连接；

步骤4-2、汇聚单元根据数据采集情况生成对应的上传请求，并将上传请求发送数据中心，该上传请求包括项目信息、监测节点以及采集时间。

步骤4-3、数据中心获取上传请求后，自动检测各个项目信息对应的各个监测节点的数据的上传时间，得出数据库的数据情况；

步骤4-4、数据中心根据数据情况生成上传指令，并将上传指令发送汇聚单元，该上传指令包括监测节点信息；

步骤4-5、汇聚单元根据上传指令调取对应的监测节点的监测数据进行聚集化处理，并将聚集化处理后的数据上传数据中心。

步骤4-6、数据中心获取汇聚单元上传的数据，记录上传时间，并将数据和上传时间存储到数据库中。

更进一步的，步骤4-5还包括采用压缩算法对数据进行压缩处理，并将压缩处理后的数据上传数据中心。

更进一步的，所述汇聚单元采用udp模式向数据中心上传数据。

有益效果：采用本发明的桥梁在线健康监测系统及其监测方法，能实时对桥梁的各个结构数据进行监测，能实现不同类型的传感器的监测数据采集，提供了各种信息接口，方便不同的监测仪器和传感器将监测数据发送给汇聚终端，兼容性强，扩展性高，适用范围广，减少布线总量，布线方便，能进行远程电源控制，在电力故障时能自动控制汇聚终端关机，方便对系统进行控制和维护。并且根据数据中心的存储情况分时上传数据，减少每次上传数据的数据量，减小了外部通信环境对系统的影响，应用区域广。减少了监测系统的建设费用低。

附图说明

图1为本发明的汇聚单元的系统框图；

图2为汇聚单元的电源系统的系统框图；

图3为监测流程图；

图4为汇聚单元采集数据的流程图；

图5为汇聚单元上传数据的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的桥梁在线健康监测系统，设置有多个用于监测桥梁不同的结构数据的监测节点，以及用于采集监测节点的监测数据的汇聚单元，该汇聚单元根据时间配置相应的通信协议和数据长度参数来进行数据采集和存储，并定时统计监测数据的采集情况，如采集的监测数据对应的监测节点、采集时间以及数据量。

所述汇聚单元根据采集情况向数据中心发送上传请求，数据中心根据上传请求检测数据库的数据情况，并根据数据情况向汇聚单元发送上传指令。该上传指令包括节点信息和采集时间。

所述汇聚单元根据上传指令调取相应的监测数据进行聚集化处理，并将处理后的数据上传数据中心，所述数据中心将汇聚单元上传的数据存储到数据库中，并实时调取存储的数据进行数据分析，得出桥梁健康情况监测信息。

由于各个监测节点的数据接口不同，所以所述汇聚单元设置有汇聚终端、交换机、串口服务器和lora网关，该lora网关经串口服务器连接交换机，交换机连接汇聚终端，所述汇聚终端通过交换机、串口服务器和lora网关分别与对应的监测节点进行数据交互，所述交换机还连接有路由器，汇聚终端为cubetruckpluscb5的ct电脑，路由器为宏电7920的无线路由器，汇聚终端通过路由器与数据中心进行信息交互。

所述串口服务器为两串口的串口服务器，其型号为np802，该串口服务器的其中一个串口用作传感器接口用于连接安装在桥上的传感器，由于一根串口线可以连接多个设备，所以只要采用rs485通信协议的监测仪器都可以通过一根串口线与串口服务器连接，减少布线数量和布线难度。

该串口服务器的另一个串口连接lora网关，在本实施例中，lora网关采用sx1278-lora扩频网关，距离汇聚单元较远的监测仪器可以通过双云300m无线网桥将数据发送给lora网关，减少远距离布线。

所述串口服务器的以太网接口通过网线与交换机连接，该交换机为8接口的moxaeds208a交换机，该交换机通过网线连接路由器和汇聚终端，交换机剩余的以太网接口可以用于连接需要通过网线传输的监测仪器，如摄像机，从而增强汇聚单元的兼容性，扩展监测系统的监测功能。

为了给不同的汇聚单元中各个设备供电，在本实施中，采用如图2所示的供电系统给整个汇聚单元供电，该供电系统设置有型号为st125-tds的短信远程控制器，以及220v转12v的降压模块，该降压模块的电源输入端连接电源开关的一端，该电源开关的另一端经浪涌保护器连接市电，降压模块输出端连接短信远程控制器和串口服务器的电源端，分别给短信远程控制器和串口服务器供电。

该短信远程控制器设置有第一路干接点输出接口和第二路干接点输出接口，其中第一路干接点输出接口的公共端连接降压模块和电源开关的共同端，常闭端接接线端子。该接线端子连接交换机、路由器、排风扇等额定电压为220v的设备，通过用户终端通过短信远程控制器能实现远程控制这些设备的开关重启。

所述短信远程控制器的第二路干接点输出接口的公共端依次经电源管理模块和12v转5v的电压转换模块连接有型号为光合硅能12v/10ah的蓄电池。第二路干接点输出接口的常闭端连接汇聚终端和lora网关的电源端，蓄电池通过短信远程控制器给汇聚终端和lora网关供电，通过短信远程控制器能实现ct电脑的远程重启。

所述电源管理模块选用stc12c5a60s2系列中lqfp44型的单片机，该单片机的电源接口连接由电压转换模块供电，所述单片机的串口数据端组连接有485接口，所述单片机经485接口连接汇聚终端。所述单片机的i/o接口连接有电源监测电路，该电源监测电路为现有的电源监测电路，所述单片机通过电源监测电路监测所述降压模块是否有电输出。

所述单片机的信号输出端连接有开关电路，该开关电路设置有三极管，三极管的基极经电阻连接单片机的信号输出端，发射极连接所述变压器的输出端，所述三极管的集电极连接继电器线圈的一端，继电器线圈的另一端接地，所述继电器的常开开关串接在所述短信远程控制器的第二路干接点输出接口的公共端与电压转换模块之间。

所述汇聚终端定时向单片机询问降压模块的供电情况，如果降压模块供电正常，则汇聚终端保持工作状态继续工作。若降压模块供电异常，则汇聚终端关闭系统，防止汇聚终端在其他设备断电情况下继续工作，做无用功的同时，耗费蓄电池的电量。

并且，单片机在时间达到设定时间时，信号输出端停止输出信号，第二继电器的常开开关断开，使汇聚终端断电，避免过度消耗蓄电池的电量。当降压模块恢复供电后，单片机的输出端输出信号，恢复汇聚终端供电，触发汇聚终端重启。

所述蓄电池的充电端依次经型号为phcos-ca06-2.2的蓄电池充电器，以及220v转12v的变压器连接所述接线端子。在市电正常供应时，蓄电池充电器给蓄电池充电。

如图3所示的桥梁在线健康监测系统的监测方法，包括：

首先，汇聚单元定时选择配置信息配置采集模式采集监测数据，该配置信息包括通信协议和数据长度参数。

具体而言，汇聚单元从预设在存储器中的配置信息集合中，选择当前时间所对应的配置信息，该配置信息包括通信协议、数据长度参数。存储的配置信息集合包括所监测的桥梁上安装的所有监测节点所使用的通信协议，以及监测节点生成的监测数据的数据长度。

以tcp和udp两种通信协议举例说明。在汇聚单元的配置信息集合中存储有2份配置信息，其中一份配置信息对应上午9点，通信协议为tcp通信协议，数据长度参数为20个字节。另一份对应下午6点，通信协议为udp通信协议，数据长度参数为30个字节。

当时间为上午9点时，汇聚单元采用tcp通信协议，向所有监测节点发送的连接请求，采用tcp通信协议的监测节点在接收到连接请求后，向汇聚单元回应，汇聚单元在接收到监测节点的回应后就与监测节点建立通信连接。然后向建立通信连接的监测节点发送采集指令，然后再获取监测节点发送的监测数据，并验证获取到的监测数据的数据长度是否达到20个字节，若没有达到，则不接收该条监测数据，重新获取。如果达到，汇聚单元就对该条监测数据进行处理并存储。

当时间为下午6点时，汇聚单元采用udp通信协议，向所有监测节点发送采集指令，然后获取同样使用udp通信协议进行数据传输的监测节点发送的监测数据，并验证获取到的监测数据的数据长度是否达到30个字节，若没有达到，则不接收该条监测数据，重新获取。如果达到，汇聚单元就对该条监测数据进行处理并存储。

然后，汇聚单元定时与数据中心建立通信连接，并在建立通信连接后根据数据中心发送的上传指令上传数据；

最后，数据中心采用现有的桥梁健康情况分析方法对数据进行分析，得出桥梁健康情况监测信息。

在汇聚单元采集监测数据阶段，汇聚单元采用如如图4所示的步骤采集各个监测节点的监测数据：

步骤3-1、采用配置的采集模式向监测节点发送采集指令；

步骤3-2、获取监测节点发送的监测数据；

步骤3-3、判定发送的监测数据的数据长度是否符合配置的数据长度参数；

若不符合，则不接收该条监测数据，并返回步骤3-2；

若符合，则进入步骤3-4；

步骤3-4、验证该条监测数据是否与系统内部的数据协议相符；

若符合，则进入步骤3-5；

若不符合，则将监测数据转换成与系统内部的数据协议相符的监测数据，并进入步骤3-5；

步骤3-5、存储监测数据。

在汇聚单元采集监测数据的过程中，汇聚单元会根据发出的采集指令对获取到的监测数据进行滤波处理。

当只发出1条采集指令时，汇聚单元只对监测数据进行限幅滤波处理后存储；

当发出超过1条的采集指令时，即汇聚单元连续发出多条采集指令，汇聚单元在获取到监测数据后，首先对监测数据进行中值滤波或者均值滤波，并在存储监测数据前对监测数据进行限幅滤波处理，最后才将监测数据进行存储。

当发出的采集指令是采集特殊数据时，特殊数据是指不具有数学意义或者分析意义的数据，汇聚单元对这些数据不进行滤波处理，直接存储。

为了兼容其他已有的第三方监测系统，汇聚单元会与第三方监测系统提供的接口连接，采集第三方监测系统的监测数据。当汇聚单元发出的采集指令是采集第三方提供的监测数据时，汇聚单元在对监测数据进行存储前，先对监测数据进行聚集化处理，再进行限幅滤波后存储。

数据上传阶段采用如图5所示的上传流程上传数据，包括：

步骤4-1、汇聚单元根据数据上传时间信息定时与数据中心建立通信连接；如果建立起通信连接，所述数据中心与汇聚单元进行数据上传。如果到了约定的数据上传时间，汇聚单元未与数据中心建立通信连接，所述数据中心生成报警提示信息发送给用户终端，提示用户终端相应的工程项目出现故障，以便维护人员对系统进行维护。在通信连接未恢复期间，汇聚单元会继续进行数据采集，并在通信恢复后向数据中心上传，所以，并不会造成数据遗漏，减弱了外部环境对整个系统的影响。

步骤4-2、汇聚单元统计监测数据的采集情况，并生成对应的上传请求，并将上传请求发送数据中心，该上传请求包括项目信息、监测节点、采集时间和数据总量。

具体而言，汇聚单元统计存储器中采集到的监测数据对应的监测节点、采集时间和数据量，并根据这些采集情况生成上传请求发送给数据中心。

步骤4-3、数据中心获取上传请求，并根据上传请求检测数据库的数据情况；

具体而言，数据中心在接收到上传请求后，根据上传请求中监测节点信息检查数据中相应的监测节点的数据上传时间和数据量。

步骤4-4、数据中心根据存储情况生成上传指令，并将上传指令发送汇聚单元，该上传指令包括监测节点信息和采集时间。

具体而言，数据中心自动判定相应的监测节点的数据上传时间和所述采集时间之间的时间间隔是否超过设定的阈值；

如果没有超过，则该监测节点对应的监测数据还不需要上传，数据中心就不会生成与该监测节点相对应的上传指令；

如果超过，则该监测节点对应的监测数据需要上传，数据中心就会生成与该监测节点相对应的上传指令。

在判断采集时间和上传时间之间的时间间隔时，数据中心还会根据相应的监测节点在数据库中的数据量生成上传指令，如果数据中心存储的相应监测节点的数据量低于阈值，则生成与监测节点相应的上传指令，反之不生成相应的上传指令。

因此，能合理分配每次上传数据时的数据量，减少不必要的数据传输。

步骤4-5、汇聚单元根据上传指令调取对应监测节点在相应采集时间内的监测数据进行聚集化处理，并采用udp通信协议将聚集化处理后的数据进行压缩处理后上传数据中心。

步骤4-6、数据中心获取汇聚单元上传的数据，记录上传时间，将上传的数据和上传时间存储到数据库中监测节点对应的存储位置处。

聚集化处理后的数据包括对应监测节点在规定的时间段内的监测数据的最大值、最小值、平均值和瞬时值，瞬时值为规定时间段内最临近时间段结尾时间的测量值。进一步减少上传数据的数据量，方便网络传输，也能减少网络费用。

汇聚单元采用zip算法对数据进行压缩，但是，由于经过聚集化处理后减少了数据量，有可能出现压缩后的压缩数据的数据量比没压缩前的原始数据大。所以，汇聚单元在进行数据上传时会首先将压缩数据与原始数据进行比较，如果压缩数据比原始数据的数据量小，则上传压缩数据。反之，则上传原始数据。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。