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基于无线物联网的城市中小桥桥梁群在线监测方案

更新时间:2016-08-14 21:18:28点击次数:3944次字号:T|T

基于无线物联网的
城市中小桥桥梁群在线监测方案

一、方案背景

以中小跨度桥梁为代表的桥梁网络,面临来自交通负荷、运营环境等复杂条件的作用,存在材料劣化、地基沉降等因素造成的渐变型风险,以及来自车辆(船舶)撞击、车辆超荷、危险品泄漏、自然和地质灾害等突发事件的风险。一方面,桥梁建设年代早,经过多年运营,可能或已经出现结构局部破损、锈蚀、桥面渗水、橡胶支座老化等病害;另一方面,交通负荷逐年增大,重载交通多,超载车辆对桥梁产生严重超负荷工作,缩短了桥梁寿命,使得桥梁存在一定的安全隐患。同时,大量中小桥梁养护经费通常不充裕,检测养护频度不高,但承载的交通任务依然繁重,服役年数久远,其潜在的安全隐患必须得以重视。

现有管养体系主要以人工定期巡检为主,一来缺乏与运营安全相关指标的实时监测;二来由于结构体量大、桥位环境复杂,使得大量桥梁巡检可达性较差,人员安全风险高。加之恶劣环境等因素影响,难以保持高频度巡检,这使得运营管理工作对网络化、区域化、实时性监管技术的需求日趋迫切。

传统结构监测系统主要为大型桥梁设计,其结构体系复杂,体量大。一方面,在系统建设时,包含的传感器设备数量众多,许多设备和采集指标并非与结构安全直接相关,从而造成大量的设备和数据冗余,为后期系统养护和数据存储、解释带来负担。另一方面,由于传统结构监测系统多为独立项目,业主常需要提供专门的人力物力和办公场所来设置监控中心,在后期的设备维护上容易遇到资金、人力成本和技术成本上的困难。同时,传统大型结构监测系统初期投资巨大,性价比有限,影响业主的实施积极性,也不利于在中小桥梁管养的市政领域应用。

目前基于无线物联网的在线监测方案可以有效解决传统方案碰到的问题,从技术分析看,比较适合城市的中小桥梁群监测。

二、技术方案

2.1 方案简介

针对广大桥梁的运营需求,采用基于云平台的物联网系统,通过小型化的无线传感系统,利用现有的运营商无线通信手段,在云平台的强大运算、存储和兼容能力支撑下,实现网络化、集约化管理。

在中小桥梁结构关键位置,针对与结构安全直接相关的主要指标,部署相关传感器,通过已有的工业级的无线低功耗传感器或分布式无线低功耗的采集仪来实现数据的采集,并通过现有成熟的运营商网络(2G/3G/4G)实现数据上传至在线监测系统,实现无人值守的安全监管。

2.2 系统架构

通过技术调研和分析,无线物联网监测整个系统架构主要分为三层:

1. 多种类型无线传感节点构成的监测网络

多种类型的工业级的无线智能传感器或是可外接传统类型传感器的分布式无线采集仪,形成无线物联网监测系统的采集节点。

2. 数据传输网络

可以通过无线方式灵活组建网络,将现场采集到的数据汇集到无线汇集网关,再通过运营商网络(2G/3G/4G)将数据上传至在线监测云平台,实现数据的实时传输。

3. 监测云平台系统

对采集的数据存储监测数据,并提供数据统计、分析、绘图、报表汇总以及自动预警等服务,并可通过计算机浏览器与移动端App访问使用。

2.3 无线物联网方案优势

采用无线传感网的监测方案,能满足快速部署需求、减少专业的网络配置工作(自动组网),同时满足远程配置和分析(可自定义的采集、获取和分析数据)。还具有以下优势:

Ø  方案简捷易行,实用性强;

Ø  与传统方案相比,可显著减少滤波器、线缆等中间设备采购;

Ø  可随时随地随需增减测点、调整测点类型,支持由小到大平滑扩建;

Ø  支持移动智能终端APP,有利于应急监测的快速实施和进行;

Ø  无线测点自带电源市场上有可坚持3年以上,无需供电及防雷等保护;

Ø  方案分布式特点,数据集中接入在线系统,适合大规模部署;

Ø  一年可完成300个桥梁的方案施工;

2.4 在线监测系统特点

使用在线监测系统,按需付费的在线监测系统云系统,因购买服务方式能有效降低系统使用门槛。通过在线监测系统,能实时数据查看、健康评估、阈值预警、时间序列分析等。系统应具有以下特点:

Ø  提供直观明了的图表,分析方便快捷;

Ø  可将多种相关因素共同绘图,快捷、直观地查看趋势及关联变化;

Ø  图表数据量可简可繁可定制,可直接用于多种工作报告;

Ø  提供时均值、日均值、变化速率等统计值的实时计算和更新;

Ø  提供多级阈值预警设置及对应报警,快速的风险等级评估;

Ø  提供数据导出,以便用户采用第三方软件进行分析;

Ø  自带数据加密等安全机制,防止非法接入和使用;

Ø  提供AndroidIOS APP

参考以下在线系统截图:

直观的应变数据图示

直观的振动数据图示

振动数据时域图

振动数据频谱图

索力数据时域图

索力分析用瀑布图

三、传感器及实施调研

能实现获取更多数据,辅助指导养护。当日常检测发现桥梁出现隐患,有不能确认是否需要进行大修时,可以临时安装相关的监控设备,短时间连续观察隐患是否会有恶化,通过在线监测系统获取数据并进行分析,能有效指导养护工作。

能实现及时预警。桥梁在运营中若某种响应超过预警值,要及时发出警报,提示出现非正常荷载或大桥某部位性能退化,以便加强桥梁检查或加固维修。

以下为监测项目及对应的无线测点设备:

序号

监测项目

无线测点设备

1

倾斜

无线智能倾角计

2

应变

分布式无线振弦采集仪+振弦式应变计

3

位移

分布式无线振弦采集仪+振弦式位移计

4

裂缝

分布式无线振弦采集仪+振弦式裂缝计

4

振动加速度

无线智能加速度计

5

索力

无线智能索力计

6

温湿度

无线智能温湿度计

7

沉降

智能静力水准计

基于无线物联网的在线监测方案,最大的好处还可方便灵活的组合所需的监测项目,这是传统监测方案所不具备的。


3.1 倾斜监测

采用无线智能倾角计来监测倾斜,要求无线智能倾角计灵敏度可达0.0003度,满足实际工作的精度测量需求。建议主要功能特点:

Ø  无需额外配备数据采集仪、滤波器,无需连接模拟信号线缆;

Ø  自动完成无线自组网,无需专业的网络工程师配置;

Ø  无需额外电源,自带电池工作寿命希望可达6-8年,最次不低于3年;

Ø  无线传输数据半径建议支持400米,实际工作不得低于200米。

Ø  无线信号强弱不影响数据精准性,支持数据续传和内置存储;

Ø  体积小巧,安装方便,可支持拆卸多次利用;

Ø  数据能无线关联到汇集网关,实现传感数据上传;

3.2 应变、位移、裂缝监测

在实际调查中发现,采用振弦类传感器进行较长时间的监测具有较高的稳定性,温漂小。通过振弦类传感器和分布式无线采集仪的配合使用,满足实际工作的快速应变、位移、裂缝的安装和数据采集。建议主要功能特点:

Ø  采用高质量的振弦类应变、位移、裂缝传感器;

Ø  配套分布式无线采集仪,支持所有振弦类传感器的数据采集;

Ø  采集仪支持室外工作环境,防护等级高;

Ø  采集仪自动完成无线自组网,无需专业的网络工程师配置;

Ø  采集仪无需额外电源,自带电池工作希望可达6-8年,最次不低于3年;

Ø  无线传输数据半径建议支持400米,实际工作不得低于200米。

Ø  无线信号强弱不影响数据精准性,支持数据续传;

Ø  体积小巧,安装方便,可支持拆卸多次利用;

Ø  采集仪建议支持1个通道和3个通道,适合分布式且性价比高

Ø  采集仪数据能无线关联到汇集网关,实现传感数据上传。

振弦类应变传感器技术参数建议如下:

标准量程

3000με

非线性度

直线:≤1%FS 多项式:≤0.1%FS

1με

温度范围

-20+80

150mm

安装方式

表面安装

振弦类位移传感器技术参数建议如下:

标准量程

12.52550100150200250300mm

0.025%FS

±0.1%FS

线

0.5%FS

温度范围

-20+80

振弦类裂缝传感器技术参数建议如下:

标准量程

12.52550100150200250mm

非线性度

直线:≤0.5%FS 多项式:≤0.1%FS

0.025%FS

温度范围

-20+80

可按客户要求定制耐0.52MPa或其它水压

依量程而定

12mm(柱身)/25mm(线圈)

3.3 振动监测

采用无线智能振动计来监测振动,要求无线智能振动计实时传感,但是传输支持多种方式,如定时传输,触发传输等满足实际工作的监测需求。建议主要功能特点:

Ø  无需额外配备数据采集仪、滤波器,无需连接模拟信号线缆;

Ø  自动完成无线自组网,无需专业的网络工程师配置;

Ø  无需额外电源,在触发传输方式情况下,自带电池工作寿命希望可达6-8年,最次不低于3年;

Ø  无线传输数据半径建议支持400米,实际工作不得低于200米。

Ø  无线信号强弱不影响数据精准性,支持数据续传和内置存储;

Ø  体积小巧,安装方便,可支持拆卸多次利用;

Ø  数据能无线关联到汇集网关,实现传感数据上传;

Ø  要求传感器一直在采集振动数据,只是处于低功耗工作方式不将数据传输出去,按相关传输方式传出,实现更低功耗的长期工作。

3.4 索力监测

采用无线智能索力计对缆索支承型桥梁的索力进行测量,测量原理为频率法,能适用于绝大多数类型的斜拉索、悬索桥的索力监测。建议主要功能特点:

Ø  无需额外配备数据采集仪、滤波器,无需连接模拟信号线缆;

Ø  自动完成无线自组网,无需专业的网络工程师配置;

Ø  可自动根据被测索的振动情况选择合适的量程;

Ø  可智能频谱提取,提取拉索频率特性,误差 ≤ 1%FS,最优为0.1%FS

Ø  可定义切换到实时振动采样,并支持触发传输和定时传输方式;

Ø  无需额外电源,在智能频谱提取或触发传输方式情况下,自带电池工作寿命希望可达6-8年,最次不低于3年;

Ø  无线传输数据半径建议支持400米,实际工作不得低于200米。

Ø  无线信号强弱不影响数据精准性,支持数据续传和内置存储;

Ø  体积小巧,安装方便,可支持拆卸多次利用;

Ø  数据能无线关联到汇集网关,实现传感数据上传;

3.5 温湿度监测

采用无线智能温湿度计对结构表面的温度、湿度进行测量,可用于温湿度的长期监测。建议主要功能特点:

Ø  无需额外配备数据采集仪、滤波器,无需连接模拟信号线缆;

Ø  自动完成无线自组网,无需专业的网络工程师配置;

Ø  无需额外电源,自带电池工作寿命希望可达6-8年,最次不低于3年;

Ø  无线传输数据半径建议支持400米,实际工作不得低于200米。

Ø  无线信号强弱不影响数据精准性,支持数据续传和内置存储;

Ø  体积小巧,安装方便,可支持拆卸多次利用;

Ø  数据能无线关联到汇集网关,实现传感数据上传;

Ø  温度量程:-40 ~ 80摄氏度,湿度量程:0 ~ 100%RH

3.6 沉降监测

经调研,采用静力水准计是桥梁沉降监测最稳定可靠,精度高的一种方式方法。静力水准仪是一款基于连通器原理的差压式传感器,利用各监测点之间的压力值的变化计算出沉降量,专用于垂直位移测量的感测装置,是测量两点或多点间相对高度变化的精密仪器,广泛应用于大型储罐、大坝、桥梁、建筑物、基坑、隧道、地铁等垂直位移监测。主要功能特点:

Ø  系统由基点、储液罐、连通管、传感器组成,区别于传统的沉降监测系统;

Ø  储液仓采用有机玻璃,透明度好,便于观察仓内液体位置以及有无气泡;

Ø  传感器顶部设计有弹压自锁排气装置,便于排除储液仓内的气体;

Ø  支持单个设备采集和广播采集两种采集方式;

Ø  需配套专业采集仪,支持无线关联到汇集网关,实现传感数据上传;

Ø  传感器通过串联方式连接电缆及连通管,安装较为复杂;

四、预期效益

(一)显著降低开发和集成成本

通过在线监测,可以一改过去“一个项目一次开发”、“项目数据无法互通互用”、“一种应用一套系统”等不利情况,快速、简捷、可规模化地将不同通讯协议、不同数据类型和处理方式、不同地域的传感系统都整合汇聚起来,实现数据的快速采集和快速使用,实现应用的高度集成和有序管理,避免重复的系统开发和系统互兼容开发的成本,大幅缩短投入应用的时间。

(二)实现快速、低成本的评估

通过数据积累和统计识别,基于内置的无模型分析机制,在线监测能够根据监测数据快速形成日、三日、周、月、年的分析评估结论,帮助用户及时掌握监测对象的状态、周期性特征和趋势演变情况,避免了人工检查、经验判断的局限性,提升了分析评估在时间上的分辨率,能够满足常时监测评估的需要,并且无需大量增加专家/专业机构评估次数及费用。此外,随着数据积累量的增多,评估结论的准确性会相应提升。以该方式为辅助,原有的强制性结构检测还可获得更多有价值的历史参考数据,实现更精准的检测评估。

(三)以大数据实现效益更高的管养

在线监测能够通过简明易用的大数据分析向用户展示监测对象的状态及其结论,帮助用户发现管养的关键点,并可有助用户更为量化、精准地指导养护措施,从而减少甚至避免过度养护、盲目养护所带来的成本,以及养护不足所引发的额外成本。

基于在线监测所提供的监测结果分析、多种风险评估、监测参数趋势图,用户可更为精准地定位病害位置及类型,从整体上考虑养护的办法和优先顺序;可通过对比养护前后的数据变化来核实养护措施的效果及其可持续性,从而实现管养效益最大化。


文章来自于公众号:结构安全监测