基于物联网的智能化道路桥梁监测与维护系统研究

刘海斌

摘要 物联网和智能化道路桥梁监测与维护系统的融合是我国路桥管理工作的又一发展目标，彻底实现全智能化管理可以降本增效，减少安全隐患升级。文章分析了物联网系统层级结构，研究了物联网技术在桥梁基础状态监测、桥梁安全状态监测中的应用，提出了基于物联网的智能化道路桥梁监测与维护系统的主要结构和各模块单元的实现路径。

关键词 物联网；智能化；道路桥梁；监测维护

中图分类号 F270.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0017-03

0 引言

近年来物联网技术发展迅速，其在越来越多的领域中有着关键性应用。物联网是实现“万物融合”的重要载体，通过该技术对生活和工作等进行管理可以获得较大的便利性[1]。目前我国道路交通网络已经基本实现智能化管理，管理体系正在不断完善。在道路桥梁領域，物联网技术的应用可以优化维护管理方法，减少人力资源投入，实现高效管理目标。由于路桥工程越来越复杂，管理和维护的难度变大，因此通过传统的管理方法无法满足路桥管理的需求，通过信息化管理系统进行管理是解决这一问题的关键一环，而物联网技术和智能化监测与管理系统的融合非常关键。

1 物联网系统层级

1.1 感知层

感知层属于物联网的核心层级，主要作用是处理数据信息。感知层涉及传感器、RFID、监控设备、代码识别、ZigBee等设备与技术层面的应用，传感器获取桥梁受力结构压力、温度、应力分布、交通流量等数据，通过ZigBee进行数据传输，然后由网络层处理数据[2]。

1.2 网络层

网络层主要用于系统通信，将感知层获取的数据经过处理后传输给应用层。该层主要应用的技术包括4/5G技术、IP承载技术、WiFi通信技术以及网络融合技术等。这些技术主要以提供网路服务为主，能够通过不同的通信形式获取控制中心需要的数据，从而辅助系统进行管理。

1.3 应用层

应用层属物联网最顶端层级，主要作用是为用户提供信息服务。在桥梁监测系统中，需要根据桥梁状态调整管理和维护方案，而调整指令主要通过应用层进行发送，如通过SMP管理协议将特定的信号传输至控制中心，其可以对桥梁功能进行调整，以应对复杂的运行环境。

2 基于物联网的智能化道路桥梁监测与维护系统功能

2.1 桥梁基础状态监测

基础状态监测主要依靠传感器实现，根据监测目标特征不同可以将监测对象主要分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级。Ⅰ级监测对象包括水位、负载和风力等，这些属于外部因素对桥梁产生的直接影响，传感器之间通过有线方式连接；Ⅱ级监测对象包括索力、应力，是外力因素作用在路桥后引起的形变力；Ⅲ级主要为变形情况；Ⅳ级为震动情况。当传感器监测到危险预警因素后，将会进行预警，并将危险隐患所在位置信息和负载情况进行说明。如表1所示为各级传感器的预警信息。

系统可以根据传感器收集的信息，计算相关对象是否处于预警范围。以负载预警计算为例，t时刻桥梁的负载值为Vimt，t0时刻负载值为Vimt0，可以根据式（1）计算出负载值Vimt-t0：

Vimt-t0=+Vimt0 （1）

将计算出的Vimt-t0与Wim进行比较，如果Vimt-t0＞Wim，系统机会发出警报进行预警。除进行预警外，系统还需要对预警的确切情况进行计算和分析，从而给管理人员更多参考。假设传感器的预警比例为A、传感器数量为n、触发预警为B1、未触发预警为B2，根据式（2）和式（3）可计算预警比例：

B=B1（Vimt-t0＞Wim）/B2（Vimt-t0＜Wim） （2）

A（Vimt-t0＞Wim）= （3）

2.2 桥梁安全状态监测

安全状态是判断桥梁安全性的关键指标，通过传感器获取各监测对象的数据信息，可计算出安全状态等级[3]。安全状态等级主要分为高、中和低3个级别，当监测结果显示危险因素达到规定的预警值时，可根据安全等级计算方法进行判断。由于传感器工作受多种因素影响，恶劣气候下温度传感器的温感金属元件的灵敏度降低，无法准确识别温度变化。因此，需要使用多组传感器获取监测对象数据信息，方能保证监测结果的准确性。如表2所示为各级安装状态监测判断参数。

其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示监测等级，A（Vimt-t0-Wim）为监测等级对应的传感器预警数量。以ⅠA（Vimt-t0-Wim）的判定为例，如果（Vimt-t0-Wim）的值小于或等于0，说明监测值并未达到预警值、无传感器进行预警，此时系统安全状态为高等级；如果计算ⅠA（Vimt-t0-Wim）的值为1，则说明有1个传感器报警，此时安全等级则下降一个级别，以此进行类推，当ⅠA（Vimt-t0-Wim）超过1时，安全等级继续下降一级，进入最低级别。

3 基于物联网的智能化道路桥梁监测与维护系统研究

3.1 系统架构

系统的主要功能是分析和处理数据，通过数据判断桥梁运行状态，可借助于异常数据分析安全因素，进而提前进行维护和检修[4]。整个道路桥梁监测与维护系统主要由数据结构、通信结构和管理页面组成，见图1所示。

数据结构主要由数据采集器和处理系统构成，传感器获取的数据经过ZigBee网络节点进行传输，能耗大约为130～150mW，网络传输节点能源主要以太阳能板为主，可以供ZigBee网络节点不间断的运行。获取数据后通过无线多跳的方式进行传输，汇聚节点获取数据后通过有线传输至附近的数据处理基站。基站设有数据处理系统，数据主要由硬盘阵列保存，处理后的数据发送至通信网络显示层，展示在Web网站，便于管理用户通过终端获取监测情况。此外，系统还具备短信通知功能，当监测到危险因素或对象数据异常就会通过短信、邮件或网络通知等形式直接发送警报内容。

3.2 监测设备

监测设备种类有很多，如有GPRS、MICAZ、MICA2、IRIS，虽然结构存在差异，但功能相差不大。以GPRS为例，这是一种多接口的无限测量节点，具有ISM波段兼容性和抗RF干扰的特点，能够与MICAZ、MICA2、IRIS等节点组合使用。监测目的在于采集数据，而采集数据则需要合理运用传感器板，要求其能够在大温差环境下均保持稳定。以MTS310为例，结构为双轴加速和磁强设计，获取后的数据经过A/D处理后进入基站。以下为处理代码：

XMTS310M.XCommand->XCommandC；

XMTS310M.XEECommand-> XCommandC；

XMTS310M.RouteControl->MULTIHOPROUTER；

XMTS310M.Send->MULTIHOPROUTER.MhopSedn[AM-XMULTIHOP-MSG]；

MULTIHOPROUTER.ReceiveMsg[AM-XMULTIHOP-

MSG]->Comm.ReceiveMsg[AM-XMULTIHOP-MSG]；

XMTS310M.HealthMsgGet->MULTIHOPROUTER；

XMTS310M.Health_ packet->MULTIHOPROUTER。

MTS310发布获取信息数据的指令后，接收器随即进行指令识别，指令匹配正确后对需要的指令进行打包处理，并通过ZigBee无线网络进行传输，附近的服务器会对相关指令进行再次判断。如果判断结果符合要求，则将信息传输至显示层，显示层会将调取的数据信息通过图表或文字的方式进行展示，便于管理人员根据展示的数据进行调整。

3.3 监测指标

监测指标是对监测对象的状态进行描述的一种方法，其涉及的内容较多，具体可见表3所示。例如风速风强的测量，由于桥体中间部位和两端所处地理位置存在很大不同，一般情况下两端更靠近山体，受到自然风的作用比中间弱，而两端所处环境往往存在差异，因此需要在桥体两端与中间位置设置传感器，对三个区域的风力强度进行监测。由于桥体中间受力较大，传感器可能会出现故障，因此采用了2个备用传感器。此外，值得一提的是，在所有传感器中应力传感器扮演重要角色，其可以通过桥体承重结构应力的变化情况分析和诊断沉降、形变以及开裂等问题，通过计算阶频获得桥梁动力情况。

3.4 软件设计

软件为管理和维护工作人员提供了基础参照，包括的功能如下：数据分析、报警管理、设备管理、监测评分以及数据管理等。数据分析主要为获取和处理监测的数值，并将处理后的数据展示在服务页面，供管理人员查看；报警管理主要包括报警信息发送、报警信息处理以及短信通知等；设备管理主要针对设备进行远程控制，对设备故障进行诊断；监测评分主要对实时数据和设备功能進行打分；数据管理主要对获取的数据进行集中管理。在架构选择方面，以WebApi为主，采集的数据通过SQLSERVER数据库进行存储和管理，系统中的DotNet可以在DataModel实体层中对管理的数据进行映射，然后经过业务逻辑层处理数据，最终由WebApi和Linq前端数据接口获取，以Ajax方式呈现路桥监测的数据，便于用户通过折线图和柱状图进行了解。如图2所示为系统结构和处理流程。

3.5 智能管理

智能管理是路桥监测系统重要功能之一，通过智能化系统对路况进行监测，能够为管理人员提供更多的管理依据[5]。在路桥路况监测指标中，车流量监测与管理最为关键，车流量较大会增加路桥的负载，从而引起不安全事件发生，通过安装在各路段的传感器能够对车流量数据进行动态分析，从而对交通进行管理。以某对向4车道的监测系统为例，系统监测到周一至周三的早高峰进入车辆数量分别为186辆、221辆和168辆，而晚高峰的驶入量分别为72辆、82辆和72辆。系统分析后可以对交通灯进行调控，增加早高峰的通行时间、减少晚高峰的通行时间，通过这种调控与管理能够有效改善通行情况。此外，在智能化管理过程中系统还能够对邻近路段的情况进行分析，根据车辆通行规律判断某一个路桥网络的通行情况，在此基础上对沿途的交通灯进行管理，或为交通警察下达管理指令，增加交通管理人员[6]。

4 结束语

综上所述，物联网在智能化道路桥梁监测与维护系统中的应用，能够帮助路桥管理人员对路桥运行状态进行实时监测。在监测过程中，系统可以根据运行指令调整路桥网络的管理方案，避免路桥出现负载过大的问题。同时通过物联网系统也能进行安全预警，系统获取异常数据信息后可以及时进行反馈，管理人员则根据反馈信息了解危险因素，从而进一步做出调整。

参考文献

[1]李玉环， 胡翠云. 基于5G多网络协同的路桥管养关键技术[J]. 中国交通信息化， 2023（S1）： 57-59.

[2]邵继有. 物联网大数据背景下的企业信息化建设——北京建工路桥集团信息化建设及探索[J]. 中国建设信息化， 2020（2）： 26-29.

[3]伍其和. 路桥工程中卫星定位数据的滤波算法研究与应用[D]. 成都：电子科技大学， 2018： 35+41.

[4]陈钰龙. 路桥工程施工智慧型监控与质量管理系统的研发及应用[R]. 广东省， 广东惠利普路桥信息工程有限公司， 2017-04-01.

[5]朱仙芝， 高倩， 邱彦章. 基于互联网思维的公路桥梁变形监测物联网技术系统[J]. 筑路机械与施工机械化， 2014（8）： 83-85.

[6]石岩. 基于路桥动态响应的过载实时监测系统研制[D]. 大连：大连理工大学， 2011： 26-27.