桥墩冲刷全过程演化动态监测系统及监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种桥墩冲刷监测系统及监测方法，属于测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 传统的桥梁冲刷深度测量主要依靠人工检测，但水上作业严重威胁着检测人员的 生命安全，且测量的准确性通常依赖检测人员的操作经验。近二十年以来，桥梁冲刷监测逐 渐受到国内外研究人员和学者的重视，目前正在使用和逐渐发展的冲刷监测方法主要有声 呐、雷达、超声波等检测方法，及电磁波时域反射（Time Domain Reflectometry，TDR)、光纤 光栅等在线监测方法。声呐、雷达可确定泥沙淤积和冲刷的深度，探测装置较易安装，一般 用于洪水过后的冲刷检查，不能实现冲刷全过程演化动态监测，并且声呐和雷达的信号质 量非常容易受泥沙颗粒或者水草等物的影响，在洪水期间，水流中含有大量泥沙和其他悬 浊物时，监测的信号严重衰减，对于超声波存在同样的缺点；另一方面，因声呐和雷达信号 的测试、编译非常复杂，需要熟练的专业操作人员。TDR应用于桥梁冲刷监测时，通过冲刷导 致相应部位的电缆变形甚至破坏，从而感知冲刷，但不能实现冲刷全过程演化动态监测，且 容易造成信号失真，影响测量结果。光纤光栅测量法是将光纤光栅与特定的悬臂梁或其他 杆件组合，布置在桥墩附近的河床，虽然直接或者间接地感知泥沙冲刷引起的土压力变化， 但这种方法难以在恶劣服役环境下操作，并在定量方面存在困难。水下浮标和磁性定位环 等作为一种冲刷监测技术，由于其监测到相应位置的冲刷后即告失效，缺乏一个长期有效、 主动的服役周期，更无法实现桥墩冲刷全过程演化动态监测。
[0003] 桥梁冲刷的机理十分复杂，随着水文现象的变化，其对桥梁的破坏呈现突发性和 偶然性，极易造成危及生命财产的破坏，桥梁服役期间的冲刷分析需要依靠测试手段，但目 前还没有可靠的桥墩冲刷全过程演化动态监测方法。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种桥墩冲刷全过程演化动 态监测系统，能够可靠地对桥墩冲刷全过程演化进行动态监测。
[0005] 与其相应，本发明另一个要解决的技术问题是应用上述监测系统进行精准测量、 监测桥墩冲刷的方法。
[0006] 就监测系统而言，包括冲刷传感石块、参考浮标和数据处理系统，其中：所述冲刷 传感石块位于桥墩周围的河床表面并在冲刷坑内运动，包括混凝土外壳和位于混凝土外壳 内的四个RFID标签，所述四个RFID标签分别位于正四面体的四个顶点；所述参考浮标，位 于桥墩附近的水面，包括外壳和位于外壳内的RFID阅读器、GPS和无线通讯模块。
[0007] 射频识别，RFID (Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别，是 一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定 目标之间建立机械或光学接触。射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、 雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况 下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维 修跟踪等交互式业务。射频识别包括射频识别标签和射频识别阅读器。射频标签：每个标 签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，按照预设的规则周期性的进行信号 发射。阅读器是对标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两 部分，当射频识别标签的信号进入阅读器的作用区域，阅读器获取到标签发射出来的信息， 即完成了对标签的识别过程。
[0008] 本发明通过参考浮标内的RFID阅读器接收四个RFID标签的信号并转化成距离， 通过GPS测得参考浮标位置坐标，无线通讯模块将GPS数据和RFID阅读器的数据传输至数 据处理系统，通过四个RFID标签与RFID阅读器之间的距离，计算出冲刷传感石块的实时坐 标，通过冲刷传感器石块在每一时刻的三维位置建立运动轨迹，构建桥墩冲刷的全过程演 化。通过冲刷传感器石块实时坐标的变化，计算冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离 变化即冲刷深度和冲刷传感石块的三维转动角度。通过桥墩在每一时刻的冲刷深度计算其 屈曲稳定承载力，并与极限承载力比较从而对桥墩安全进行预警。通过冲刷传感石块的三 维转动角度预测其运动趋势，进一步可预测桥墩冲刷的扩展。
[0009] 因此，针对桥梁冲刷所处的复杂水环境和冲刷监测、防护的重大需求及RFID的测 试优点，本发明采用RFID、GPS、终端系统等构造一种桥墩冲刷监测系统，解决了复杂水环境 下桥墩冲刷全过程演化动态监测和预警问题，可在桥梁正常运营的情况下进行桥墩冲刷全 过程演化的动态监测并对桥墩安全预警，不影响交通，并具有操作简单、性能稳定等突出优 点。
[0010] 进一步地，所述参考浮标还包括位于外壳中心处的陀螺仪，所述RFID阅读器、GPS 和无线通讯模块封装在一起后位于陀螺仪的中心。
[0011] 由于陀螺仪的定向作用，当参考浮标漂浮在水面上滚动或晃动时，RFID阅读器和 GPS只发生平动而不发生旋转。
[0012] 进一步地，所述RFID标签为有源RFID标签，所述冲刷传感石块还包括位于四个有 源RFID标签中心处的晃动式充电电池。
[0013] 晃动式充电电池可以依靠水流不间断的冲击为电池本身进行充电，特别是在参考 浮标在水面上始终处于晃动或者滚动状态，可以对晃动式充电电池进行充电，通过晃动式 充电电池对RFID标签进行供电，使有源RFID标签使用周期更长。
[0014] 就监测方法而言，包括如下步骤：
[0015] S1)测量参考浮标中心的位置：在i时亥I」，在GPS基站处设置固定坐标系oxyz，通 过参考浮标中的GPS测量得到参考浮标的中心R的瞬时三维位置（xQl，yQl，zQl);
[0016] S2)计算冲刷传感石块重心的坐标：通过冲刷传感石块中的四个有源RFID标签发 射信号，参考浮标中的有源RFID阅读器读取信号后，得到冲刷传感石块中第j个有源RFID 标签至参考浮标的距离为rij，（j = A，B，C，D):
[0017] 通过几何计算和坐标转换，及冲刷传感石块中4个有源RFID标签至参考浮标的距 离rlS，可求得有源RFID标签的三维位置为（Xlj，yij， Zlj)，（j = A，B，C，D)，
[0018] 冲刷传感石块的重心T的三维坐标为
[0020] S3)根据正四面体的性质和几何计算，得到冲刷传感石块的冲刷深度和三维旋转 角：
[0021] 任何i时刻冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离为h = z fZw
[0022] 在初始位置时，冲刷传感石块与参考浮标之间的垂直距离为hQ = Z o_zoo，
[0023] 桥墩的冲刷深度为hscl = h「h。，
[0024] 对于S1)中的固定坐标系oxyz，由冲刷传感石块中4个RFID标签的三维位置（Xlj， zd，计算出冲刷传感石块分别绕X，y，z轴的三维旋转角度（Θ xi，Θ yi，Θ zi)。
[0025] 本发明的监测方法通过无线通讯模块将GPS数据和RFID阅读器的数据传输至数 据处理系统。通过冲刷传感器石块在每一时刻的三维位置建立运动轨迹，构建桥墩冲刷的 全过程演化。通过冲刷传感石块的三维转动角度预测其运动趋势，进一步可预测桥墩冲刷 的扩展。基于桥墩在每一时刻的冲刷深度计算其屈曲稳定承载力，并与极限承载力比 较从而对桥墩安全进行预警，是一种可靠的桥墩冲刷全过程演化动态监测方法。
[0026] 进一步地，冲刷传感石块直径的确定方法：以桥墩为中心建立柱坐标系οπρζ，分 别取Φ为0度、15度、90度、180度、270度、345度，得到桥墩四周360范围内三维冲刷坑的 6个竖向截面，将冲刷传感石块置于6个截面与冲刷坑相交的位置，考虑冲刷传感石块的浮 容重、拖拽力、升力、漩涡作用等，根据河床泥沙的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和洪 水行进流速、水深，及冲刷传感石块的容重，计算冲刷传感石块在冲刷坑内的运动和受力特 征，得到在每个截面处冲刷传感石块沿着冲刷坑冲朝下运动时的直径与墩前行进流速的关 系，取最大的洪水行进流速和水深，得到冲刷传感石块在每个截面处沿着冲刷坑朝下运动 时的最小直径，对于6个截面，可得到6个冲刷传感石块的最小直径，取6个直径中的最大 值，即为冲刷传感石块的直径。
[0027] 如果冲刷传感石块的直径太大，则其重量太重，就不能在冲刷坑里运动，不能随着 冲刷坑的深度变化而运动，那么就不能实现冲刷全过程演化的动态监测；如果冲刷传感石 块的直径太小，也就是重量太小，那么冲刷传感石块将会被水冲跑，无法完成冲刷全过程演 化的动态监测。采用上述方法确定冲刷传感石块的直径，使得冲刷传感石块的重量最佳，始 终在冲刷坑内且朝下运动，实时反映冲刷的全过程演化，能够满足冲刷全过程演化的动态 监测的要求。
[0028] 综上，针对桥梁冲刷所处的复杂水环境和冲刷监测、防护的重大需求及RFID的测 试优点，本发明采用RFID、数据无线传输、终端系统等构造一种桥墩冲刷监测系统，并提出 相应的监测方法，可靠地对桥墩冲刷全过程演化实施动态监测。
【附图说明】
[0029] 附图1是本发明的桥墩冲刷全过程演化动态监测系统的结构框图；
[0030] 附图2是桥墩冲刷坑的6个计算截面的柱坐标示意图；
[0031] 附图3是本发明的冲刷传感石块的结构框图；
[0032] 附图4是本发明的参考浮标的结构框图；
[0033] 附图5是冲刷传感器石块中的4个RFID标签的空间布置的示意图；
[0034] 附图6是冲刷传感器石块的3个旋转角的示意图；
[0035] 附图7是冲刷传感器石块的4个RFID标签与参考浮标的中心之间的几何空间关 系的不意图；
[0036] 图8为本发明的监测原理图；
[0037] 图中：1_桥墩；2-河床；3-冲刷坑；4-桥梁上部结构；5-冲刷传感石块；6-参考浮 标、7-震动式充电电池；8-RFID标签；9-工程塑料；10-混凝土外壳、11-GPS ; 12-RFID阅读 器；13-无线通讯模块；14-陀螺仪；15-工程塑料外壳、16-数据处理系统。
【具体实施方式】
[0038] 实施例1
[0039] 本实施例为一种桥墩冲刷全过程演化动态监测系统，如图8所示，包括冲刷传感 石块5、参考浮标6和数据处理系统16。
[0040] 如图1和3所示，冲刷传感石块5位于桥墩周围的河床表面并在冲刷坑内运动，包 括混凝土外壳10和位于混凝土外壳内的四个RFID标签8,所述四个RFID标签8分别位于 正四面体的四个顶点，所述RFID标签8为有源RFID标签，所述冲刷传感石块5还包括位于 四个有源RFID标签