CN107036581A - 基于mems陀螺仪的桥梁变形在线监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***及方法，其中***包括在线测量装置、通信网关、运营商服务器、云监控中心；所述在线测量装置包括MEMS陀螺仪、主控器、电源模块、无线通信模块；陀螺仪引出线连接主控器的输入端，主控器的输出端连接无线通信模块；所述在线测量装置负责获取和计算的桥梁实时的初始形变数据，并通过无线通信模块发送到现场对应的通信网关，并由通信网关经运营商服务器转发至云监控中心；本发明采用MEMS陀螺仪技术，不仅经济便宜、节能，而且能够快速、准确地获取桥梁的变形数据，适用于性价比高地扩展监测规模，也可缓解因传感器数量种类繁杂带来的数据融合困难等问题。

Description

基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***及方法

技术领域

本发明涉及市政工程信息技术领域，尤其涉及基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***及方法。

背景技术

现代桥梁工程建设规模越来越大，桥梁结构是否稳定对人们日常出行安全影响很大。然而桥梁在其长期使用过程中，桥体结构常常发生不同程度的变形，主要体现在大范围的沉降和倾斜。在桥梁日常管理和维护中，桥梁沉降和倾斜等变形监测已经成为一项极为重要且不必可少的工作。

现有技术中桥梁的变形监测手段众多，但这些方法在测量精度、速度以及操作的简易程度、人工干预程度等方面监测效果差异甚大，且所适用的监测对象也有所不同，其局限性主要有以下几点：

1)传统的变形监测仪器如水准仪、全站仪、经纬仪等在桥梁的定期巡检中仍然使用很广泛，但是需要依靠专业技术人员负责监测，误差不理想，且费时费力，无法对桥梁的形变情况进行实时地监测和预警；

2)基于传感技术的监测仪器，如液体摆式、振弦式等传感器，安装方便，能适应恶劣环境下长期工作，但是由于传感器种类多，适用范围不同，所输出的数据异构性大且难以精确同步，为数据融合与分析处理增加了很大地难度，不适合大规模桥梁群的组网应用；

3)随着光纤传感技术的发展，光纤陀螺仪也被推广应用到了桥梁监测的各个方面，其灵敏度高且能够获得连续的变形轨迹，但由于体积大且价格相对高昂，限制了其监测规模的扩展应用。

4)此外，由于现有技术缺乏对桥梁基础信息的有效管理，监管人员利用监测***获取桥梁构件的形变预警信息后，往往需要人工调取和查阅相关基础资料，进而分析评估是否采取维护措施，智能化程度低且耗时耗力。

微机电***(Micro Electro Mechanical System，MEMS)，是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的学科领域。近年来，MEMS陀螺仪的结构大幅缩小、造价低廉，且成本和功耗不断降低，性能不断提高，其应用也受到了越来越多的行业青睐，也适合大规模地组网推广以及长期在线监测。因此，有必要在此基础上提出一种更智能且经济有效的桥梁变形在线监测方法来解决上述问题。

发明内容

为此，需要提供基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***及方法，解决现有技术中桥梁变形监测费时费力，组网成本高，在线监测难，智能化程度低且难以大规模扩展应用的问题。

为实现上述目的，发明人提供了基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***，包括在线测量装置、通信网关、运营商服务器、云监控中心；

所述在线测量装置包括MEMS陀螺仪、主控器、电源模块、无线通信模块；陀螺仪引出线连接主控器的输入端，主控器的输出端连接无线通信模块；

所述在线测量装置负责获取和计算的桥梁实时的初始形变数据，并通过无线通信模块发送到现场对应的通信网关，并由通信网关经运营商服务器转发至云监控中心；

所述云监控中心包括数据处理软件、监控界面软件、数据库中心软件、云服务器和用户监控终端，数据处理软件、数据库中心软件安装于云服务器端，监控界面软件安装于用户监控终端；

所述数据处理软件负责对收集到的初始形变数据进行过滤处理并去除异常畸变点；

所述数据库中心软件用于存储和管理桥梁的对象编码信息、身份基础信息，以及实时/历史的形变数据；

所述监控界面软件用于对采集到的桥梁形变数据进行实时或历史数据监测、异常报警、趋势分析，并用于通过客户端软件、浏览器或移动终端APP访问使用。

进一步地，所述主控器用于获取MEMS陀螺仪的倾斜速度和自身加速度数据，通过积分计算得到倾斜角度θ，然后结合所述桥梁形变模型，计算得到实时的桥梁的初始形变数据。

进一步地，所述无线通信模块为NBIOT、2G、3G、4G、zigbee或GPRS通信模块。

本发明还提供基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，包括如下步骤：

建立桥梁的对象编码数据库；

建立桥梁构件的形变模型，确定监测点布置方案；

获取MEMS陀螺仪的实时传感数据，结合桥梁形变模型，计算得到桥梁的初始变形数据；

对桥梁实时的初始形变数据进行噪声过滤以及畸变点剔除处理；

对桥梁的实时形变数据进行在线监测、报警与趋势分析。

进一步地，所述对象编码数据库中编码方法是采用基于“类群-对象-构件-编号”的多级编码策略，根据桥梁及其构件的类型预先对桥梁的各项身份信息进行分级分类的编码管理，且每个身份编码具有唯一性。

进一步地，所述监测点布置方案包括监测点位置的选取，所述监测点位置的选取方法包括如下步骤：

A、针对桥墩沉降的变形监测：安装在指定桥墩上方的梁体上；

B、针对桥墩或桥塔的倾斜监测：安装在指定桥墩或桥塔的顶部；

C、针对梁体挠度的变形监测：根据桥梁的结构类型，将梁体分割为多个梁段，安装在各个分割点位置处。

进一步地，获取MEMS陀螺仪的实时传感数据包括获取MEMS陀螺仪的倾斜速度和自身加速度数据，而后通过积分计算得到倾斜角度θ，然后结合所述桥梁形变模型，计算得到实时的桥梁的初始形变数据。

进一步地，所述桥梁的初始形变数据包括桥墩的沉降位移，桥塔或桥墩顶部倾斜位移或梁体形变挠度。

初始形变数据计算方法如下：

A、桥墩沉降位移的计算：θ≈d/L，其中L为桥梁两简支点之间距离，d为某桥墩的沉降幅度，θ为桥面偏离桥梁两简支点距离连线所产生的倾角，由MEMS陀螺仪测得；

B、桥墩或桥塔倾斜位移的计算：θ＝3d/2h，其中h桥墩的高度，d为桥墩或桥塔的顶端偏离自身的垂直轴线产生的水平位移，θ为桥墩或桥塔的顶端发生位移时，自身垂直轴线的偏移所产生的倾角，由MEMS陀螺仪测得；

C、梁体形变挠度的计算：d＝∑l_k·sinθ_k(k＝1-m/2)，m为将梁体上由多个测量点分隔成的梁段的数量；l_k为第k个梁段的长度，θ_k第k个梁段偏离初始方向的倾斜角度，由MEMS陀螺仪测得。

进一步地，还包括关键信息提取步骤：

结合基准点和预先设定的报警阈值，在报警条件触发后，按照构件编码的唯一性原则，从相互关联的桥梁对象编码数据库、身份基础数据库和历史形变数据库中，将超出指定阈值范围的桥梁构件的关键信息自动提取出来。

进一步地，所述趋势分析步骤具体包括：

以基准点为参考，分析同一桥梁构件不同时刻的形变轨迹曲线，与历史形变数据库中带有相同特征数据指标且属于同类别的桥梁构件的形变数据进行聚类比对，评估轨迹相似性，并对其中相似值最高的多组形变轨迹进行差异分析，从而评估确定是否需要对目标桥梁构件的结构形变进行修复。

区别于现有技术，上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明采用MEMS陀螺仪技术，不仅经济便宜、节能，而且能够快速、准确地获取桥梁的变形数据，可用于在线监测桥墩沉降、桥塔或桥墩倾斜、桥梁挠度等问题，组网方便，适用于性价比高地扩展监测规模，也可缓解因传感器数量种类繁杂带来的数据融合困难等问题。

(2)本发明提供的基于桥梁对象编码库的智能报警方法，当桥梁形变超过预警范围时，能够自动地为监控人员调取监测对象的关键信息，减少人工查找的工作量，同时还可以自动地与同类桥梁的历史形变数据进行比对与差异分析，为桥梁结构的维护管理决策提供依据和建议，进而提高在线监测***的智能化程度。

附图说明

图1为具体实施方式所述的***结构示意图；

图2为具体实施方式所述的方法流程图。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1到图2，本实施例提供基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***。其基本原理如图1所示，所述在线监测***主要包括在线测量装置、通信网关、运营商服务器、云监控中心。在线测量装置用于安装在桥梁上，获取桥梁的变形数据。

所述在线测量装置包括MEMS陀螺仪、主控器、电源模块、无线通信模块；所述MEMS陀螺仪芯片内置AD转换器，陀螺仪引出线连接主控器的输入端，主控器的输出端连接无线通信模块；所述MEMS陀螺仪为六轴陀螺仪；所述无线通信模块优先选用NBIOT通信模块，也不限于包括2G、3G、4G、zigbee、GPRS的其他通信网络。其中，NBIOT为基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)。

所述在线测量装置负责获取和计算的桥梁实时的初始形变数据，即在线测量装置的主控器用于获取MEMS陀螺仪数据并计算初始形变数据，并通过无线通信模块发送到现场对应的通信网关，并由通信网关经运营商服务器转发至云监控中心。

所述云监控中心包括数据处理软件、监控界面软件、数据库中心软件、云服务器和用户监控终端，数据处理软件、数据库中心软件安装于云服务器端，监控界面软件安装于用户监控终端。所述数据处理软件负责对收集到的初始形变数据进行过滤处理并去除异常畸变点；所述数据库中心软件用于存储和管理桥梁的对象编码信息、身份基础信息，以及实时/历史的形变数据；所述监控界面软件可对采集到的桥梁形变数据进行实时/历史数据监测、异常报警、趋势分析，并可以通过客户端软件、浏览器和移动终端APP访问使用。通过MEMS陀螺仪技术，不仅经济便宜、节能，而且能够快速、准确地获取桥梁的变形数据，云监控中心可以实时获取到变形数据，可以实现对桥梁变形的监测。

本发明还提供的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，本发明的方法可以应用在图1中的***中。如图2所示，其步骤方法如下：

步骤1：建立桥梁的对象编码数据库；具体方法为：对区域内每个待监测的桥梁对象进行解构，针对待监测的桥梁构件设置唯一的身份编码，存入一对象编码数据库；所述编码方法是采用基于“类群-对象-构件-编号”的多级编码策略，根据桥梁及其构件的类型预先对桥梁的各项身份信息进行分级分类的编码管理，且每个身份编码具有唯一性。例如：每个身份编码包括对象类别、对象名、构件类型、编号四种要素。

步骤2：建立桥梁构件的形变模型，确定监测点布置方案；所述形变模型包括桥墩沉降模型、桥墩或桥塔位移模型和桥梁挠度模型。结合所监测桥梁构件对象和所述形变模型，选取监测点，并将在线测量装置安装在相应的监测点上。监测点位置的选取方法如下：

A、针对桥墩沉降的变形监测：安装在指定桥墩上方的梁体上；

B、针对桥墩或桥塔的倾斜监测：安装在指定桥墩或桥塔的顶部；

C、针对梁体挠度的变形监测：根据桥梁的结构类型，将梁体分割为多个梁段，安装在各个分割点位置处。

步骤3：获取MEMS陀螺仪的实时传感数据，结合桥梁形变模型，计算得到初始变形数据；利用在线测量装置获取MEMS陀螺仪的倾斜速度和自身加速度数据，通过积分计算得到倾斜角度θ，然后结合所述桥梁形变模型，计算得到实时的桥梁的初始形变数据。所述桥梁的初始形变数据包括桥墩的沉降位移，桥塔或桥墩顶部倾斜位移和梁体形变挠度。

例如，计算方法如下：

A、桥墩沉降位移的计算：θ≈d/L，其中L为桥梁两简支点之间距离，d为某桥墩的沉降幅度，θ为桥面偏离桥梁两简支点距离连线所产生的倾角，由MEMS陀螺仪测得。

B、桥墩或桥塔倾斜位移的计算：θ＝3d/2h，其中h桥墩的高度，d为桥墩或桥塔的顶端偏离自身的垂直轴线产生的水平位移，θ为桥墩或桥塔的顶端发生位移时，自身垂直轴线的偏移所产生的倾角，由MEMS陀螺仪测得。

C、梁体形变挠度的计算：d＝∑l_k·sinθ_k(k＝1-m/2)，m为将梁体上由多个测量点分隔成的梁段的数量；l_k为第k个梁段的长度，θ_k第k个梁段偏离初始方向的倾斜角度，由MEMS陀螺仪测得。

步骤4：对桥梁实时的初始形变数据进行噪声过滤以及畸变点剔除处理；

鉴于桥梁负载时存在一定的震动，本发明利用所述数据处理软件中的卡尔曼滤波算法对接收到的桥梁实时初始形变数据进行震动噪声过滤处理，并去除畸变点，来获得更为准确的实时形变数据。

步骤5：对桥梁的实时形变数据进行在线监测、报警与趋势分析；

(1)利用所述监控界面软件监测所述准确的实时形变数据和报警数据，并根据对象编码的唯一性原则，在报警条件触发后，从所关联的数据库中自动提取和呈现监测对象的关键信息。

具体方法为：结合基准点和预先设定的报警阈值，按照构件编码的唯一性原则，从相互关联的桥梁对象编码数据库、身份基础数据库和历史形变数据库中，将超出指定阈值范围的桥梁构件的关键信息自动提取出来。所述关键信息包括该桥梁的身份基础信息、所属的群别、重要的历史形变数据、事故记录，以及同类桥梁的历史形变数据。其中，基准点为在线测量装置安装后，装置第一次运行时信息***采集到装置中陀螺仪的初始状态位置。

例如，某桥梁一桥墩发生严重倾斜，超过预设的报警值，则***可根据该桥墩编码中的“对象类别”自动地从历史形变数据库中提取同类桥梁的历史形变信息，供下一步分析。

(2)针对带有特征数据的桥梁构件，分析其不同时间段内的监测数据规律，结合同类桥梁的历史形变发展趋势，通过聚类比对和差异分析，对其是否需要对结构变形进行修复做出预测。

所述特征数据指的是：发生重大形变报警、形变异常状况频发、负载量大或处于交通枢纽地带。

具体方法为：以基准点为参考，分析同一桥梁构件不同时刻的形变轨迹曲线，与历史形变数据库中带有相同特征数据指标且属于同类别的桥梁构件的形变数据进行聚类比对，评估轨迹相似性，并对其中相似值最高的多组形变轨迹进行差异分析，从而评估确定是否需要对目标桥梁构件的结构形变进行修复。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，包括但不限于：个人计算机、服务器、通用计算机、专用计算机、网络设备、嵌入式设备、可编程设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，包括但不限于：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机设备以特定方式工作的计算机设备可读存储器中，使得存储在该计算机设备可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机设备上，使得在计算机设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***，其特征在于，包括在线测量装置、通信网关、运营商服务器、云监控中心；

所述在线测量装置包括MEMS陀螺仪、主控器、电源模块、无线通信模块；陀螺仪引出线连接主控器的输入端，主控器的输出端连接无线通信模块；

所述在线测量装置负责获取和计算的桥梁实时的初始形变数据，并通过无线通信模块发送到现场对应的通信网关，并由通信网关经运营商服务器转发至云监控中心；

所述云监控中心包括数据处理软件、监控界面软件、数据库中心软件、云服务器和用户监控终端，数据处理软件、数据库中心软件安装于云服务器端，监控界面软件安装于用户监控终端；

所述数据处理软件负责对收集到的初始形变数据进行过滤处理并去除异常畸变点；

所述数据库中心软件用于存储和管理桥梁的对象编码信息、身份基础信息，以及实时/历史的形变数据；

所述监控界面软件用于对采集到的桥梁形变数据进行实时或历史数据监测、异常报警、趋势分析，并用于通过客户端软件、浏览器或移动终端APP访问使用。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***，其特征在于：所述主控器用于获取MEMS陀螺仪的倾斜速度和自身加速度数据，通过积分计算得到倾斜角度θ，然后结合所述桥梁形变模型，计算得到实时的桥梁的初始形变数据。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测***，其特征在于：所述无线通信模块为NBIOT、2G、3G、4G、zigbee或GPRS通信模块。

4.基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立桥梁的对象编码数据库；

建立桥梁构件的形变模型，确定监测点布置方案；

获取MEMS陀螺仪的实时传感数据，结合桥梁形变模型，计算得到桥梁的初始变形数据；

对桥梁实时的初始形变数据进行噪声过滤以及畸变点剔除处理；

对桥梁的实时形变数据进行在线监测、报警与趋势分析。

5.根据权利要求4所述的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，其特征在于，所述对象编码数据库中编码方法是采用基于“类群-对象-构件-编号”的多级编码策略，根据桥梁及其构件的类型预先对桥梁的各项身份信息进行分级分类的编码管理，且每个身份编码具有唯一性。

6.根据权利要求4所述的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，其特征在于，所述监测点布置方案包括监测点位置的选取，所述监测点位置的选取方法包括如下步骤：

A、针对桥墩沉降的变形监测：安装在指定桥墩上方的梁体上；

B、针对桥墩或桥塔的倾斜监测：安装在指定桥墩或桥塔的顶部；

C、针对梁体挠度的变形监测：根据桥梁的结构类型，将梁体分割为多个梁段，安装在各个分割点位置处。

7.根据权利要求4所述的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，其特征在于，获取MEMS陀螺仪的实时传感数据包括获取MEMS陀螺仪的倾斜速度和自身加速度数据，而后通过积分计算得到倾斜角度θ，然后结合所述桥梁形变模型，计算得到实时的桥梁的初始形变数据。

8.根据权利要求7所述的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，其特征在于，所述桥梁的初始形变数据包括桥墩的沉降位移，桥塔或桥墩顶部倾斜位移或梁体形变挠度。

初始形变数据计算方法如下：

A、桥墩沉降位移的计算：θ≈d/L，其中L为桥梁两简支点之间距离，d为某桥墩的沉降幅度，θ为桥面偏离桥梁两简支点距离连线所产生的倾角，由MEMS陀螺仪测得；

B、桥墩或桥塔倾斜位移的计算：θ＝3d/2h，其中h桥墩的高度，d为桥墩或桥塔的顶端偏离自身的垂直轴线产生的水平位移，θ为桥墩或桥塔的顶端发生位移时，自身垂直轴线的偏移所产生的倾角，由MEMS陀螺仪测得；

C、梁体形变挠度的计算：d＝∑l_k·sinθ_k(k＝1-m/2)，m为将梁体上由多个测量点分隔成的梁段的数量；l_k为第k个梁段的长度，θ_k第k个梁段偏离初始方向的倾斜角度，由MEMS陀螺仪测得。

9.根据权利要求4所述的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，其特征在于，还包括关键信息提取步骤：

结合基准点和预先设定的报警阈值，在报警条件触发后，按照构件编码的唯一性原则，从相互关联的桥梁对象编码数据库、身份基础数据库和历史形变数据库中，将超出指定阈值范围的桥梁构件的关键信息自动提取出来。

10.根据权利要求4所述的基于MEMS陀螺仪的桥梁变形在线监测方法，其特征在于，所述趋势分析步骤具体包括：

以基准点为参考，分析同一桥梁构件不同时刻的形变轨迹曲线，与历史形变数据库中带有相同特征数据指标且属于同类别的桥梁构件的形变数据进行聚类比对，评估轨迹相似性，并对其中相似值最高的多组形变轨迹进行差异分析，从而评估确定是否需要对目标桥梁构件的结构形变进行修复。