基于物联网的桥梁状态感知预警系统

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1、 基于物联网的桥梁状态感知预警基于物联网的桥梁状态感知预警系统系统 (Based on the Internet of things Bridge Warning Analysis System) BWAS V2.0 北京中交华联科技发展有限公司北京中交华联科技发展有限公司 Beijing ZhongJiaoHuaLian Technology Development Co.Ltd. 目目 录录 一、系统简介 - 1 - 二、系统结构 - 1 - 2.1 桥梁状态感知指标体系 - 1 - 2.2 桥梁状态感知预警系统结构 - 2 - 三、系统功能 - 3 - 3.1 桥梁状态感知系统 - 3

2、- 3.2 数据远程传输系统 - 6 - 3.3 桥梁安全预警系统 - 6 - 四、系统应用 - 9 - 4.1 运营期系统预警服务 . - 9 - 4.2 监测数据分析服务 . - 9 - 五、应用实例 - 12 - - 1 - 一、系统简介一、系统简介 物 联 网 技 术 能 够 通 过 网 络 将 物 联 网 内 的 所 有 物 体 实 现 消 息 的 及 时 上 传、查询、使用等功能。基于物联网的桥梁状态感知预警系统运用专业传 感器，对桥梁的挠度变形、振动响应 、应力变化、裂缝变化、位移变化、 倾斜程度、荷载以及环境影响等数据进行实时感知，通过无线网络将感知 数据传输至服务器上，运用专

3、业软件对数据进行分析，随时反映桥梁的安 全运行状况。 基于物联网的桥梁状态感知预警系统具有如下特点： 1、桥梁感知设备体积小、精度高、安装方便、测量准确； 2、实现长期、全天候、实时监测； 3、采用无线网络技术，实现远程监控与管理； 4、实现对桥梁安全状态评价与预警，确保桥梁安全。 二、系统结构二、系统结构 2.1 桥梁状态感知指标体系桥梁状态感知指标体系 对公路常用桥梁的结构类型、受力形式进行分类梳理，分层建立桥梁 状态感知预警指标体系，主要包括环境、荷载、结构变形、结构受力四大 类，分类确定监测指标体系。 基于物联网的桥梁状态感知指标体系 环境指标荷载指标变形指标结构指标 挠 度 应 力

4、车 辆 总 重 倾 斜 车 辆 轴 重 裂 缝 振 动 风 速 温 度 湿 度 风 荷 载 图 2-1 感知指标体系图 - 2 - 2.2 桥梁状态感知预警系统结构桥梁状态感知预警系统结构 桥梁状态感知预警系统由集成数据感知子系统、网络数据传输子系统 和数据分析预警子系统构成。数据感知系统依据感知指标体系实时感知桥 梁状态数并进行数据采集；数据传输系统负责将采集的数据传输到中心服 务器数据库中；数据分析系统负责对数据库中的各类数据进行处理、分析 和评价，并对影响结构正常运营的事件进行预警。 网络传输层网络传输层 桥梁核心数据层桥梁核心数据层 业务应用层业务应用层 信信 息息 安安 全全 支支

5、撑撑 系系 统统 桥桥 梁梁 管管 理理 及及 数数 据据 标标 准准 规规 范范 公路属性数据库公路属性数据库桥梁健康监测桥梁健康监测 数据库数据库 公路地理信息公路地理信息 数据库数据库 桥梁在线分析桥梁在线分析 数据库数据库 广域网广域网政府物联专网政府物联专网无线网络无线网络 系统支持层系统支持层 数据交换数据交换 中间件中间件 流程与事务流程与事务 管理中间件管理中间件 数据分析数据分析 管理软件管理软件 GIS地理信息地理信息 管理软件管理软件 多媒体管理多媒体管理 中间件中间件 物理感知层物理感知层 温湿度温湿度 传感器传感器 表面应表面应 力计力计 速度传速度传 感器感器 数据

6、采数据采 集仪集仪 其它监其它监 测仪测仪 变形测量变形测量 传感器传感器 位移计位移计 固定测固定测 斜仪斜仪 桥梁桥梁状态感知预警状态感知预警系统系统 桥梁定桥梁定 位导航位导航 桥梁监测桥梁监测 数据显示数据显示 监测数监测数 据分析据分析 安全预安全预 报警报警 系统自系统自 诊断诊断 监测监测 报表报表 桥梁监测桥梁监测 系统管理系统管理 数据库数据库 管理管理 图 2-2 系统总架构图 图 2-3 系统网络结构图 - 3 - 三、系统功能三、系统功能 3.1 桥梁状态感知系统桥梁状态感知系统 桥梁状态感知系统的传感器设计、选择及布置均根据具体桥梁的结构 类型和受力特点选用。传感器可

7、实现实时感知对桥梁重点位置的挠度、应 变、振动频率、桥墩倾斜、位移、裂缝变化、环境温湿度、环境风速等指 标，通过无线网络将监测数据回传至服务器端。 感知设备的主要技术指标如下表： 表 3-1 感知设备主要技术指标 序号 仪器名称 仪器型号 感知指标 技术参数 仪器图片示例 1 温湿度计 HB-TH110 温湿度 供电电压：DC12VDC24V; 温 度 范 围 ： -40-80 / 0-50 /-20-60/其他 (可选); 测量精度：温度精度：0.5 湿度精度：3RH; 信 号 输 出 ： 4-20ma/0-10ma/ 0-20ma/0-5V/0-10V/ RS485/ RS232 2 风速

8、 风向仪 FC-5SX 风速风向 风速测量范围：0 60M/S; 风向测量范围：32 方向,16 方向 (05V、420 毫安); 测量精度： 3%; 响应时间：1S; 3 高速动态 称重系统 SQ-WIM- SI2110 车辆轴重 工作电压：AC220V/50HZ; 重量检测误差：5%; 额定载荷：30T; 过载能力：200%FS; 响应时间：2ms; 电阻值（25)：10k 4 智能交通 高清网络 摄像机 iDS-2CD90 25 车流量、 车 速、 车牌号 200 万像素 1/1.8“ 逐行扫描 CCD， 最大分辨率可 16001200; 红外30米(I3)/50米(I5)/80米(I8

9、); 符合 IP66 级防尘防水设 5 静力 水准仪 BETC_N10 主梁静态 挠度 工作电压：5V、12V; 量程范围：100mm/200mm; 综合误差：0.2%FS/0.5%FS; 精度：0.1mm/0.5mm;； 工作原理：差阻式; - 4 - 6 激光 挠度仪 HPQN-5A 主梁动态 挠度 检测方法：光电图像法 检测距离:5-500m； 分辨率:测量范围的 1; 测量精度:0.03mm; 采样频率:200Hz; 仪器功能:静态挠度、动态挠度、冲 击系数、区间频率、功率谱密度 7 振弦应变 传感器 BETC_N10 主梁静态 应变 应变量程范围：1500； 应变最小分辨力： 1；

10、非线性度：0.8（%FS） 工作温度：-30-100（） ； 零漂和满漂（%FS） ：0.1%（%FS） ； 防护等级：IP67 防水 8 光栅应变 传感器 SQ-FBG-GS 01 主梁动态 应变 量程：1500; 精度：2; 分辨率： 0.1 （与解调仪相关） ; 工作温度：-40100 9 索力 拾振器 LC07 索力 测量范围：3g; -3dB 频响(Hz)：DC-300; 灵敏度 mv/g：1900mv/g; 频响范围：0-500Hz; 非线性%FS：0.2%FS; 轴向：单 10 加速度传 感器 891-2 振动动态 频率 最大量程：20; 灵敏度 V/( m/s )： 0.3;

11、分辨率：3 10-6; 频带( Hz )( +1dB -3dB )：0.25 100; 输出负荷电阻( M ):10 11 倾角 传感器 TLS126T 倾角 测量范围：双轴 30; 测量精度：0.1; 采集频率：30Hz 12 位移传 感器 BETC-WY50 位移 测量范围：050mm; 测量精度：1m; 采集频率：30Hz - 5 - 13 裂缝传 感器 HY-65B500 裂缝 测量范围：030mm; 测量精度：0.01mm; 采集频率：30Hz 14 电压采集 仪 BETC_JY 处理风速 风向仪和 温湿度计 信号 AD 精度：24 位; 频率示值和分辨率误差：0.01%; 24 位

12、通道动态范围：120dB(典型 值); 双核通道动态范围：160dB; 供电电压：12V; 功耗：2W 15 加速度采 集仪 BETC_DJ 处理索力 拾振器和 加速度传 感器信号 测量范围：10V(4g); A/D 分辨率：24 位; 单通道最高采样频率：2000Hz; 采样同步精度：0.1ms; 传输方式：485 总线; 工作温度()：-20-+80 16 光纤光栅 解调仪 SQ-FBG-CI 2020 处理光栅 应变传感 器信号 通道数：8; 采样频率：1Hz; 波长范围：1528nm1568nm; 工作温度：-560; 精度：2pm 17 485集线器 TU-1208 集合采 集仪 兼

13、容RS-232、 RS-485 TIA/EIA标 准; 输入接口 ：RS-232及RS-485接 口; 输出接口：八口 RS-485 接口; 通信速率：300BPS-115.2KBPS; 工作电源: 9-48VDC/350mA; 通讯距离: 5,000 米（9，600BPS） 18 485服务器 MA NPort 5150 数据 远程传输 LAN 以太网： 110/100 Mbps， RJ45， Auto MDI/MDIX; 串口界面：RS-232/422/485; 串口数量：1 个; 端口类型：Male DB9; 信号保护：15KV ESD 全信号保护; 流量控制：RTS/CTS, XON/

14、XOFF; 波特率：110 bps 230.4 Kbps - 6 - 19 工控机 酷睿 i5-3317U 对监测过 程及设备 进行检测 与控制 6*USB、 6*COM、 18*千兆网口、 1*VGA、 1*HDMI、1*Audio、1*DC、2G 内存、 32Gssd 注：具体设备型号根据具体工程略有差异 3.2 数据数据远程远程传输传输系统系统 桥 梁 监 测 数 据 传 输 系 统 由 桥 梁 的 外 场 数 据 采 集 站 和 无 线 信 号 传 输 网 络组成，无线信号传输网络应采用 TCP/IP 协议标准。系统利用外场数据 采集计算机系统对监测数据进行预处理(如修正换算，主应变计

15、算等)后传 输至监控通信中心。数据传输结构分为数据采集层、中间传输层及中心网 络层。结构示意图如下所示： 图 3-1 结构示意图 3.3 桥梁安全预警桥梁安全预警系统系统 监 测 预 警 系 统 主 要 功 能 模 块 应 包 括 桥 梁 定 位 导 航 、 桥 梁 监 测 数 据 显 示、监测数据分析，安全预警、系统诊断、监测报表、系统管理，数据库 管理 7 个功能模块。系统功能框图如下： - 7 - 桥梁状态感知预警系统 桥梁定 位导航 桥梁监测 数据显示 安全预 报警 预 报 警 设 置 历 史 数 据 显 示 设 备 状 态 报 警 实 时 数 据 显 示 预 报 警 显 示 传 感

16、器 分 布 桥 梁 模 型 显 示 安 全 评 估 统 计 分 析 监测数 据分析 监测 报表 桥 梁 信 息 报 表 监 测 数 据 报 表 系统 自诊断 故 障 设 备 提 示 诊 断 设 置 桥梁监测 系统管理 角 色 管 理 用 户 管 理 数据库 管理 桥 梁 监 测 数 据 基 本 信 息 数 据 结 构 参 数 识 别 图 3-2 系统功能模块图 桥梁安全预报警桥梁安全预报警功能功能 能够对结构安全状况 进行预报警，当判断 出结构存在安全隐患 时 ,系 统可以通过实时界面提示、报表、Email、短信等形式进行预报警。 图 3-3 安全预报警功能 桥梁监测桥梁监测管理管理功能功能 该功能除了显示实时监测数据外，还能进行历史监测数据分析，对各 类监测数据进行进行报表、图形分析，或对几种参数同时进行显示分析。 - 8 - 图3-4 历史数据显示 桥梁监测数据分析桥梁监测数据分析功能功能 数据