基于物联网的桥梁实时监测系统的研究与设计

苏 远，唐振宇，马理镜

（江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013）

桥梁作为一种必不可少的基础设施遍布世界各地，我国的桥梁分布十分广泛，由于受到环境和超载车辆的影响，每年都会有大量的桥梁坍塌事故发生，据统计平均不到两个月就会有一起桥梁坍塌事故发生，并且桥梁事故逐年增长，因而，对桥梁进行安全监测具有重要意义[1]。

物联网（Internet of Things）是通过互联网将用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，然后进行信息交换和通信的一种网络概念[2]。其中无线传感器网络（WSN）技术是一种由大量传感器节点组织而成的自适应性无线网络，是目前兴起的一种全新的网络化信息采集传输和处理技术，由于其具有低功耗、自组织网等特性，无需布线，实施方便，特别适用于工业级的数据监测应用[3]，同时传感器节点成本低廉，可以实现对桥梁大范围部署，保证数据采集的广度和精度，为桥梁安全监测和预警提供可靠的数据基础[4-5]。

针对目前桥梁安全监测的应用需求，提出以物联网技术为基础构建无线监测网络。在感知节点和汇聚节点上安装特殊的传感器元件，用于提取外界的物理信息。传感器采集的数据以多跳的方式传送到汇聚节点，汇聚节点再发送到桥梁基站中。基站服务器对获取的数据进行分析处理，以可视化的方式展示给用户，实现桥梁的远程实时监控和预警。

1 桥梁监测因素及传感器布点

本节首先给出桥梁监测系统的传感器布点模型，然后描述了监测中涉及到的具体内容。图1为桥梁监测传感器布点图，一般包含过载监测、环境监测、索力监测、应力应变监测、变形监测以及振动监测六项内容[6-7]。

图1 桥梁传感器布点图Fig.1 Location of the sensors on the bridge

表1中给出了桥梁的具体监测项和对应的监测仪器。桥梁损坏的一个重要原因是行驶车辆超载，如哈尔滨阳明滩大桥坍塌事故。因而，监测桥梁过载车辆，可有效避免危险事故的发生。环境监测主要用于跟踪桥梁周围的风速、水位、温度等信息，温度还可用于应力应变的温补计算。桥梁的吊杆作为局部受力构件，可以采用磁通量法和振动法综合进行监测[8]。应力监测用于测量承力构件的受力状态，并及时诊断桥梁的病害，对桥梁结构进行疲劳分析。桥梁变形监测主要包括基础沉降、桥梁挠度等，通过该监测项可以从整体上把握桥梁健康和安全状态。振动监测用于得出桥梁的阶频，其是反映桥梁动力特性的直接参数，通过研究这些参数可以确定桥梁的整体结构特征，为桥梁日常维护提供依据。

表1 桥梁监测内容及布点Tab.1 Monitoring content and location on the bridge

2 桥梁监测系统架构

如图2所示，整个桥梁监控系统包含数据采集、数据分析和数据展示3个部分。数据采集层是由一个自适应自组织的无线传感器网络组成，该传感器网络中包含多种带ZigBee无线通信功能的传感器节点和少数汇聚节点，无线传感器节点依靠电池和太阳能板供电，将采集的数据通过无线多跳的方式发生到汇聚节点，汇聚节点再通过有线方式将数据转发到桥梁的基站。

数据分析层包含多台服务器，文件存储服务器上运行着一套数据采集程序，用于从集线器获取所有原始数据。SQL数据库服务器上运行着一套数据分析程序，数据分析软件对原始数据进行分析计算，并将结果转存到SQLServer数据库中。

数据展示层主要用于向工作人员展示桥梁的状态信息，基站的web服务器上部署了一套桥梁监测网站，其调用SQL数据库的数据接口，并向外提供web服务。用户可以通过电脑或者移动终端来浏览查询桥梁健康数据，当桥梁存在安全异常时，系统会通过短信模块发送预警信息给工作人员。

图2 桥梁监测系统架构图Fig.2 Architecture diagram of bridge monitoring system

3 桥梁监测系统软件设计

3.1 用户侧系统功能设计

基于物联网的桥梁监测系统用户侧功能如图3所示，监测数据展示与分析主要用于展示实时数据，并提供数据关联和对比功能。数据告警管理包含告警阈值配置、告警展示处理以及短信预警功能，其用于通知工作人员桥梁的危险状态。系统智能评分主要用于展示各监测项的评分以及桥梁整体评分，数据报表功能为日常的运营维护提供存档和依据，系统设备管理还可跟踪各个传感器的工作状态，便于及时发现损坏的设备。

图3 桥梁监测系统功能模块Fig.3 Function modules of bridge monitoring system

3.2 监测系统软件框架和流程

桥梁监测系统软件框架如图4所示，包含数据采集模块、预处理模块、数据分析模块、以及用户侧模块。其采用C#开发实现，数据库采用SQLServer，软件运行在桥梁监测基站服务器上。

图4 桥梁监测系统软件框架Fig.4 Software framework of bridge monitoring system

图5 为软件处理流程，软件启动后先初始化采集层的采集仪器和数据接收进程，然后发送采集命令，采集仪通过汇聚节点以ZigBee通信方式转发命令给传感器节点，传感器节点开始工作。系统通过TCP/IP的方式接收采集层的数据，通信过程中加入心跳机制，便于及时判断节点是否死亡。数据接收采用异步通信加线程池的方式管理，异步接收线程将获取的数据包存放到开辟的队列中，预处理线程按照通信协议循环对队列进行数据转换、去噪和修正，并将修正结果转存到数据库，然后以消息方式通知分析进程。分析进程根据消息类型，启动相应的方式分析数据库中的预处理数据，并将结果存入数据库。系统中设置一个定时器用以判断数据库中是否存在新接收的预处理数据，以验证数据接收线程是否发生异常。在数据库中，每个监测项都设定相应的预警阈值，通过触发器的方式实现预警，数据库中的结果采用webapi和SignalR技术向前端推送数据，以保证数据的实时性。

图5 软件处理流程Fig.5 Flow chart of software processing

软件设计以插件的方式实现，其包含了各类监测项的数据分析方法，便于系统的扩展和维护，这里给出振动处理类的部分实现代码如下：

4 实验结果和分析

为了验证本文中桥梁监测系统的实时性和可靠性，对一桥梁进行了系统的实施部署，用以监测整个桥梁的环境和自身结构状态，系统运行拓扑图如6所示。拓扑图采用svg矢量图的方式实现，桥梁模型图上标记了各个传感器的类型和布点位置，鼠标停留会自动展示出该测点的数据信息。

图6 桥梁监测系统运行效果Fig.6 Running effect of the bridge monitoring system

工作人员可以查看各个监测项的历史数据信息，图7为桥梁周围的温湿度监测结果，其表明周围的温湿度随着昼夜的变化而改变，系统有效跟踪展示了环境监测因素。

图7 温湿度监测结果Fig.7 Monitoring results of temperature and humidity

如图8所示，应力应变测量结果展示桥梁构件的受力随时间变化趋势，其表明随着时间和车流量的改变，该构件的应力应变呈现出周期性变化，但其始终处于安全状态，也表明了桥梁的安全性。经过初步运行试验，本系统运行稳定，数据持续可靠。

图8 应力应变监测结果Fig.8 Monitoring results of stress and strain

5 结 论

文中研究设计了一种基于物联网的桥梁监测系统，使用物联网技术取代了现有的各种有线传感器。首先给出了桥梁的监测因素和传感器布点，然后详细阐述了系统的整体架构和软件框架设计。该系统具有部署迅速、自动监测、成本低廉等显著优点，初步试验表明，系统已达到预期效果，具有较高的应用价值和实际意义。

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