一种桥梁结构地震实时响应监测平台

本发明涉及桥梁监测，尤其是涉及一种桥梁结构地震实时响应监测平台。

背景技术：

1、我国在桥梁建设方面取得诸多成就，桥梁基数大、种类繁多，同时我国处于地震多发地带，中西部地区地震灾害频发，由地震导致的桥梁结构发生破坏的案例已屡见不鲜。现有地震下桥梁结构监测系统多依靠传感器进行结构动态监测，但在地震作用下可能发生传感器破坏或失灵的情况，同时仅能对特定位置进行监测，且检测位置单一。地震时应急响应缺少，现有无人机检测系统大多为日常巡检，缺少地震作用下实测的结构响应数据，基于理论计算模型和有限元仿真分析的桥梁结构研究缺少有力依据。

2、专利cn202310000042.4公开了一种基于地震荷载监测的桥梁在线实时仿真计算系统，依据桥梁结构建立桥梁在线仿真分析模型，并依据桥梁健康监测中获得的桥梁结构响应对所述仿真分析模型进行修正、动态更新；通过三向地震仪获取由地震触发的桥梁实时监测加速度时程曲线数据，由实测地震动时程数据、人工输入数据以及台站数据做为输入荷载进行桥梁动力时程分析，掌握桥梁结构地震反应特性，对桥梁结构地震反应进行评估并判断是否发生损伤。所述桥梁在线仿真实时计算系统可以实现针对桥梁在地震荷载下的响应的在线分析计算，可以对桥梁结构响应进行实时分析、快速评估、直观展示，便于桥梁管理部门快速做出决策。但是其在线仿真实时计算系统所基于的数据仍然是单一位置数据，使得实时监测分析不准确。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种桥梁结构地震实时响应监测平台，将多源异构数据融合技术融入到桥梁地震响应实时监测系统中，通过实时监测系统、数据传输系统、数据分析系统能实现实时响应与监测，提供桥梁结构地震的响应数据采集与分析；既保障安全，又能多方位监测；操作简单，采用智能路线规划与自主避障，实现全自动化应急响应与监测。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明可在地震发生时实现对桥梁结构的实时监测，并及时将数据传回进行快速处理分析与灾害评估，从而为桥梁地震损伤修复以及后续研究提供依据。

4、本发明提供一种桥梁结构地震实时响应监测平台，包括：实时监测系统、数据传输系统、数据分析系统；

5、实时监测系统包括：无人机模块、数据采集模块、前处理模块，数据采集模块、前处理模块设于无人机模块上；前处理模块用于对传感器所采集的数据进行初步降噪并降低采样频率，以此对数据进行筛选同时降低数据量，以此便于无线数据传输；

6、数据传输系统用于传输系统控制信号，以及将数据采集模块所采集的多源异构数据，通过无线传输的方式，实时传输到数据分析系统；

7、数据分析系统用于监控无人机飞行状况，根据传回的数据，进行多源异构的数据融合分析与数据存储。

8、实时监测系统、数据传输系统、数据分析系统相互配合实现对桥梁结构地震的实时响应监测。基于所建立的桥梁结构地震损伤等级以及性能水平体系，给出初步的桥梁损伤评估结果，为震后修复策略的制定提供参考。

9、进一步的，数据采集模块包括激光测振仪、双目摄像头和gps定位单元。进一步的，双目摄像头为高清摄像头。

10、进一步的，激光测振仪用于扫描桥梁的振动和位移等数据，用于一维数据分析。

11、进一步的，双目摄像头用于采集桥梁三维图像，用于分析桥梁结构的振动、位移以及表观损伤情况，如开裂、表层剥落、锈蚀等。

12、进一步的，gps定位单元用于无人机定位。

13、进一步的，无人机模块为六翼无人机，六翼无人机上设有激光雷达、飞控控制器、云台、第一天线。飞控控制器中设有飞控程序，无人机模块通过数据采集模块的双目摄像头、激光测振仪采集的桥梁现场数据经数据传输系统发送至数据分析系统；

14、进一步的，数据传输系统包括数据转换模块、数据发射模块、数据接收模块和信号降噪模块。数据传输系统设于无人机模块上，数据转换模块和数据发射模块相连接，数据发射模块和第一天线连接。数据转换模块用于对数据在发送端进行降低采样、信号降噪和频域转换，降低采样率主要目的是降低数据量从而提高数据传输效率，信号降噪主要提高数据的信噪比从而保证数据可靠度，频域转换则会在一定程度上保证数据在传输中的抗干扰能力；数据发射模块用于对数据通过多种传输协议将其发送至数据分析系统，为保证数据传输的可靠度，主要通过卫星、5g、wifi等多种方式进行数据传输，在地震中如果出现某一途径断联，可通过其他途径确保数据传输完成，同时根据不同传输形式的带宽，通过数据转换模块有针对性地对数据进行选择性传输，确保数据传输时效性；数据接收模块用于对所采集数据进行接收和存储，采用高速缓存和存储设备，对所接收数据进行实时存储；信号降噪模块用于对传输过程中造成的数据干扰进行二次优化。数据转换模块、数据发射模块、数据接收模块和信号降噪模块均为常用微控制器单元(mcu)。其中，数据转换模块基于

15、进一步的，数据分析系统包括数据分析模块，数据分析模块包括一维数据模块、图像数据模块、数据融合模块、损伤评估模块。所述数据分析系统用于对所述双目摄像头采集的图像数据及所述激光扫描仪采集的一维振动数据进行多源异构的数据融合分析与数据存储。一维数据模块、图像数据模块、数据融合模块、损伤评估模块均为常用微控制器单元mcu。

16、进一步的，一维数据模块、图像数据模块、数据融合模块、损伤评估模块设于主机内，数据分析系统还包括用于接收无人机信号的第二天线、用于数据存储的存储模块、供电模块。

17、进一步的，一维数据模块用于对桥梁结构地震非线性振动响应进行分析，针对一维数据主要采用自适应小波变换和多重解析模态分解理论，对桥梁结构地震非线性振动响应进行分析，对结构损伤状态进行判断，可以得出结构的刚度、阻尼比和地震后的残余变形等数据信息；图像数据模块对图像进行处理，结合正常使用状态下的图像，追踪结构表面的位移、变形、损伤，分析桥梁的应变和应力状态；数据融合模块用于对一维数据和图像数据基于机器学习算法进行综合分析，可实现对裂缝、锈蚀、外层剥落等病害的分析；损伤评估模块用于针对融合后的数据分析结果，基于所建立的桥梁结构地震损伤等级以及性能水平体系，给出初步的桥梁损伤评估结果。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

19、(1)本发明将多源异构数据融合技术融入到桥梁地震响应实时监测系统中，通过实时监测系统、数据传输系统、数据分析系统能实现实时响应与监测，提供桥梁结构地震的响应数据采集与分析。

20、(2)无人机较为灵活，可以完成人工无法完成的监测活动，既保障安全，又能多方位监测。

21、(3)本平台使用无线传输方式，克服了有线传输的距离限制。

22、(4)本平台操作简单，采用智能路线规划与自主避障，实现全自动化应急响应与监测。

技术特征：

1.一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，包括：实时监测系统、数据传输系统、数据分析系统；

2.根据权利要求1所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述数据采集模块包括激光测振仪(5)、双目摄像头和gps定位单元(6)。

3.根据权利要求2所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述激光测振仪(5)用于扫描桥梁的振动和位移数据，用于一维数据分析。

4.根据权利要求2所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述双目摄像头用于采集桥梁三维图像，用于分析桥梁结构的振动、位移以及表观损伤情况。

5.根据权利要求2所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述gps定位单元(6)用于无人机定位。

6.根据权利要求1所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述无人机模块为六翼无人机，所述六翼无人机上设有激光雷达、飞控控制器、云台(2)、第一天线(8)。

7.根据权利要求1所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述数据传输系统包括数据转换模块、数据发射模块、数据接收模块和信号降噪模块，数据传输系统设于所述无人机模块上，所述数据转换模块和数据发射模块相连接，所述数据发射模块和第一天线(8)连接。

8.根据权利要求1所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述数据分析系统包括数据分析模块，所述数据分析模块包括一维数据模块、图像数据模块、数据融合模块、损伤评估模块。

9.根据权利要求8所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述数据分析系统还包括用于接收无人机信号的第二天线(10)、用于数据存储的存储模块(11)、供电模块(12)、主机(9)，所述一维数据模块、图像数据模块、数据融合模块、损伤评估模块均设于所述主机(9)内。

10.根据权利要求8所述的一种桥梁结构地震实时响应监测平台，其特征在于，所述一维数据模块用于对桥梁结构地震非线性振动响应进行分析，对结构损伤状态进行判断；所述图像数据模块用于追踪结构表面的位移、变形、损伤，分析桥梁的应变和应力状态；所述数据融合模块用于对一维数据和图像数据基于机器学习算法进行综合分析；所述损伤评估模块用于针对融合后的数据分析结果，基于所建立的桥梁结构地震损伤等级以及性能水平体系，给出初步的桥梁损伤评估结果。

技术总结
本发明涉及一种桥梁结构地震实时响应监测平台，包括：实时监测系统、数据传输系统、数据分析系统；实时监测系统包括：无人机模块、数据采集模块、前处理模块，数据采集模块、前处理模块设于无人机模块上；数据传输系统用于传输系统控制信号，以及将数据采集模块所采集的多源异构数据，实时传输到数据分析系统；数据分析系统用于监控无人机飞行状况，根据传回的数据，进行多源异构的数据融合分析与数据存储。与现有技术相比，本发明将多源异构数据融合技术融入到桥梁地震响应实时监测系统中，通过实时监测系统、数据传输系统、数据分析系统能实现实时响应与监测，提供桥梁结构地震的响应数据采集与分析；既保障安全，又能多方位监测。

技术研发人员：屈宏雅,朱思蓉
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24