桥梁结构健康监测系统及方法

本发明公涉及工程结构健康监测(shm)领域，具体涉及一种桥梁结构健康监测系统及方法。

背景技术：

1、随着全球经济的不断发展，大跨、超限结构的出现，以及既有结构物的老化，过载引起的损伤，结构的健康状况日益引起大家的关注。另外，地震、风暴等自然灾害也可能对结构性能造成破坏，这些问题都会导致结构物强度下降，甚至突然坍塌，造成重大安全事故。

2、为保障基础设施的正常运营，结构健康监测受到了国内外研究人员广泛关注。结构健康监测是指对建筑物的各种性能参数进行实时的采集和分析，并对结构的健康状况进行评估，根据评估结果指导优化建筑结构的维修和改造方案，还能提前发现结构的问题，预防结构的突然倒塌，从而确保公共安全。

3、目前，桥梁结构安全健康监测一般依赖于各种监测硬件，利用传输线将传感器信号传导中心存储单位，这种有线的连接方式安装成本高。无线传感器采集结构的健康状况信息，通过无线传输到客户端或云平台上进行分析和处理，便能够实现对结构健康状况的实时监测，但是无线传输过程中及采集过程中的噪声污染都会干扰结构分析，导致监测精度下降。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种桥梁结构健康监测系统及方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种桥梁结构健康监测系统，包括主控模块、加速度传感器模块、通信模块、供电模块；所述主控模块分别与加速度传感器模块、通信模块通信连接；所述供电模块分别与所述主控模块、通信模块、供电模块和加速度传感器电连接，以为上述各模块供电；所述加速度传感器模块将测得的数据发送至主控模块，所述主控模块通过所述通信模块实时将监测数据上传至云服务器，所述云服务器与上位机通信连接，所述上位机用于对所述监测数据进行分析和处理，并将监测结果进行输出。本发明通过通信模块将信息传输到云平服务器，然后利用上位机进行分析和处理，便能够实现对结构健康状况的实时监测，该监测系统能够实现在线监测，并且具有实时性、可扩展性的特点。

4、在上述方案中，所述通讯模组采用lte-cat1通信模组。采用该通信模组可以无缝接入现有的let网络当中，无需针对基站进行软硬件升级，使用便捷，网络覆盖成本很低，并且集成度高、外围硬件成本低。

5、在上述方案中，每个所述通讯模组均包含有一sim卡以建立与网络基站的连接，如此设计可以保证数据传输速率和传输稳定性。

6、在上述方案中，所述加速度传感器模块采用基于mems技术的电容式传感器，所述供电模块包括可充电电池以及为所述电池充电功能的太阳能板，电池中储存的电能能够保证阴雨天传感器的正常工作。

7、本发明还提供一种利用上述桥梁结构检测系统进行桥梁结构健康监测的方法，该方法包括：传感器模组将测量的结构振动加速度通过通信模块发送至云服务器；将云服务器内的监测数据下载至上位机；上位机对监测数据进行分析和处理，并将检测结果进行输出。

8、在上述方案中，上位机对监测数据进行分析的步骤为：

9、s1：对原始数据进行滤波去噪；

10、s2：计算结构基本频率；

11、s3：计算结构阻尼；

12、s4：识别结构振型；

13、s5：将计算步骤s4得到的计算结果与相应规范值或既有结构资料对比分析，判断结构的安全性能。

14、在步骤s1中，使用小波技术对原始数据进行滤波，其具体步骤是：小波基函数的选取：选取sym4小波，sym4小波紧支和正交等优点，并且在重构信号时速度较快，精度较高；

15、分解层数的确定：分解层数为3层,去噪效果好，并且信号不会过度被滤除，导致信号失真，并且运算速度快；

16、阈值函数的选取：阈值函数设置为软阈值函数；

17、阈值函数为

18、其中，其中sign(.)为符号函数，为经过软阈值函数处理后的小波系数，为去噪前的小波系数，该阈值函数对大于阈值的系数进行了平滑调整，这意味着软阈值函数在处理信号时会更加光滑，具有更好的连续性。

19、在步骤s3中，利用公式计算结构阻尼，其中ωi为特征频率，对应的幅值为a1，特征频率ωi前后幅值所对应的频率分别为ωa和ωb，称为半功率点，ωa和ωb的功率为峰值功率的一半。

20、在步骤s4中，识别结构振型的具体步骤为：首先对toeplitz矩阵ti可以分解为可观测矩阵oi和可控性矩阵γi的乘积：ti＝oiγi，对ti进行奇异值分解：ti＝usvt，其中s为具有对角值的奇异矩阵，u、v为正交矩阵；对状态矩阵a进行特征值分解，其中，λk为离散时间系统的特征值，ψk为特征向量；自振圆频率阻尼比和模态形状其中，λck为连续时间系统中的特征值：其中，δt为时间间隔。该算法只需测量时域振动响应数据，无需测量输入的激励，测量数据来自实际运行条件，识别结果更符合边界条件和实际情况，并且可利用实时响应数据识别模态参数，可直接应用于结构的在线健康监测和故障诊断。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明桥梁结构健康监测系统采用通过通信协议将信息传输到云服务器，通过上位机对数据进行分析和处理，便能够实现对结构健康状况的实时监测，每个通讯模组均包含有一sim卡以建立与网络基站的连接，可以保证数据传输的稳定性，减少传输过程中噪声污染。

23、本发明桥梁结构健康监测方法能够将采集的原始数据进行滤波去噪，减小噪声污染对结构分析的影响，提高提高了监测的精度；本发明使用小波去噪技术原始数据进行滤波，选取sym4小波，并且分解层数确定为3层，滤波精度高，去噪效果好；本发明对被测结构进行模态参数识别，只需测量时域振动响应数据，无需测量输入的激励，运行速度快，并且测量数据来自实际运行条件，识别结果更符合边界条件和实际情况。

技术特征：

1.一种桥梁结构健康监测系统，其特征在于，包括主控模块、加速度传感器模块、通信模块、供电模块；

2.根据权利要求1所述桥梁结构健康监测系统，其特征在于，所述通讯模组采用lte-cat1通信模组。

3.根据权利要求2所述桥梁结构健康监测系统，其特征在于，每个所述通讯模组均包含有一sim卡以建立与网络基站的连接。

4.根据权利要求1所述的桥梁结构健康监测系统，其特征在于，所述加速度传感器模块采用基于mems技术的电容式传感器，所述供电模块包括可充电电池以及为所述电池充电功能的太阳能板。

5.一种利用权利要求1所述系统进行桥梁结构健康监测的方法，其特征在于，所述方法包括：传感器模组将测量的结构振动加速度通过通信模块发送至云服务器；将云服务器内的监测数据下载至上位机；上位机对监测数据进行分析和处理，并将检测结果进行输出。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，上位机对监测数据进行分析的步骤为：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤s1中，使用小波技术对原始数据进行滤波，其具体步骤是：

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤s3中，利用公式计算结构阻尼，其中ωi为特征频率，对应的幅值为a1，特征频率ωi前后幅值所对应的频率分别为ωa和ωb，称为半功率点，ωa和ωb的功率为峰值功率的一半。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤s4中，识别结构振型的具体步骤为：首先对toeplitz矩阵ti可以分解为可观测矩阵oi和可控性矩阵γi的乘积：ti＝oiγi，对ti进行奇异值分解：ti＝usvt，其中s为具有对角值的奇异矩阵，u、v为正交矩阵；对状态矩阵a进行特征值分解，其中，λk为离散时间系统的特征值，ψk为特征向量；自振圆频率阻尼比和模态形状其中，λck为连续时间系统中的特征值：其中，δt为时间间隔。

技术总结
本发明公开了一种桥梁结构健康监测系统及方法，所述系统包括主控模块、加速度传感器模块和通信模块，所述加速度传感器模块将测得的数据发送至主控模块，所述主控模块通过所述通信模块实时将监测数据上传至云服务器，所述云服务器与上位机程序通信连接，上位机程序能够对原始数据进行滤波去噪处理，从而提取有效数据，不仅可以降低数据分析的工作量，也避免了无效数据对结构分析的影响，提高监测精度，上位机用于对所述监测数据进行分析和处理，并将检测结果进行输出。采用该桥梁结构健康监测系统进行桥梁健康监测，被测结构模态参数识别误差小，监测结果准确。

技术研发人员：吴泽玉,胡士杰,杨士科,韩家奇,骆拴青
受保护的技术使用者：华北水利水电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15