浅谈桥梁智能监测云系统建设(之一)

2021-01-21 08:34:42 4

桥梁智能监测云系统,是大家比较熟悉的系统,市场上的桥梁监测系统同质化严重,鱼龙混杂,很难满足市场多样化、专业化的需求。如何满足不同桥梁的监测需求,提高监测系统的准确性,提升监测系统的可靠性,加强桥梁监测的时效性,防范桥梁的突发性事件是桥梁行业的重要挑战。通过近年来一些桥梁监测项目的经验,与一些业主的沟通交流,关于如何建设桥梁智能监测云系统,提出一些个人的看法,在此抛砖引玉,希望大家批评指正。

随着物联网、大数据、云计算等技术的飞速发展,桥梁群监测的概念逐渐兴起,建立多桥统一的智能平台,摒弃一桥一系统的单一建设方法,统一智能监管,不仅能够提高管理效率,也能帮助客户节省资金,使桥梁监测任务更集约、更高效、更安心。

为了使监测系统能够更加高效、便捷、实用,与以往的监测系统相比,对新的桥梁智能监测云系统提出了更高的要求。首先,要明确智能监测云系统的目标和建设内容。智能监测云系统是对桥梁的工作环境的监测、结构整体性能监测、结构控制断面应力监测以及其他参数的监测,通过数据实时处理分析,反应结构的健康状态的智能系统。

从软件层面上说,建议将桥梁智能监测云系统分为四个层次:包括传感器感知层、监测站采集层、云平台服务层及客户端应用层等。

第一,传感器感知层

桥梁智能监测云系统的传感器感知层,作为整个系统的根基,直接感知结构参数变化,由传感器转换成电信号通过专用线缆传送至监测站采集层,在监测项目中根据监测参数配套传感器是监测方案是否有效和完善的基础,传感器的安装布置、选择和匹配结构参数非常关键,测量参数应能与结构分析结果建立对应关系。本着技术先进、经济合理、性能可靠、长期稳定、满足监测要求的目的确定传感器的类型。这也需要桥梁结构工程师与硬件系统工程师的不断沟通与碰撞,才能为系统打好基础。一般工程界将传感器根据其监测目的分为:荷载与环境监测、结构整体响应、结构局部响应。传感器感知层。笔者有幸参与了中国土木工程学会标准制定的《桥梁健康监测传感器选型与布设技术规程》,该规程集结了工程界、学术界等多位专家的经验及心血,为监测项的选择、传感器选型的原则等提供了参考,预计年底出版。


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第二,监测站采集层

监测站采集层,就是行业内常说的系统集成,也就是需要将不同信号类型、不同采样要求的传感器,集成至统一的采集程序,要完成传感器数据的采集、信号调理、数据传输、边缘计算、声光告警及联动抓拍等功能,并将采集层的结果传输给云平台。作为向传感器发送采集指令的载体与通道,监测采集层要求集成化程度高、便于统一管控、扩充性强,易进行设备升级以及维护更换。一般由电源子系统、信号调理子系统、采集子系统、传输子系统组成。稳定、高效、可靠的数据采集系统对整个结构健康监测系统的有效运转发挥着极其重要的作用。

该层次已经经过多年的实践与技术发展,基本能完成数据采集、数据传输及前处理的工作,目前技术攻坚主要集中在边缘计算上,如何在前端采集层,即可实现数据瘦身、快速识别特征数据等,已成为行业热点。


第三,云平台服务层

云平台服务层,一般发布于云服务器,是整个系统的大脑,包括数据库设计、设备组网、数据存储、测点计算、数据告警等后台程序,实时接收监测站采集层的结果,并存储与客户端应用层交互的信息。在设计该层次时,笔者与开发人员讨论最多的还在于数据的存储、计算服务与关系数据库中权限的管理问题。以数据存储为例,数据存储问题对于云系统来说压力还是比较大的,目前采用最多的三种形式是存储于关系库、时序数据库和商业实时历史库,每种方法各有利弊。该层次的技术问题一般由需求人员提出,开发人员完成,但如何快速高效的解决问题,保证系统运行的流畅,就各显神通了。


第四,客户端应用层

客户端应用层是客服访问系统的入口,负责和用户进行交互,主要访问方式有网页浏览器方式和移动客户端方式。对该层次的要求一般分为:数据展示、数据分析、结构预警、损伤诊断、状态评估、统计分析、报告报表等。如最直观的数据展示,就需要为用户提供友好的交互式图形用户界面,如现在最流行的BIM技术,采用3D 桥梁模型展示桥梁结构、提供更加详尽的桥梁细部构件3D 图。数据分析,也是最体现监测系统专业性的地方,针对时域数据的分析、频域数据的分析以及一些工程应用分析是必不可少的。而对于结构预警,从预警值的确定到多种预警(阈值预警、偏差报警、变化率预警等)的实现,再到报警的联动(联动摄像机抓拍、驱动声光报警等),都是值得深入研究的问题。对于数据的深入挖掘,更是健康监测界一直追求的目标,也就是损伤识别、状态评估等,如何将海量的数据共享给科研工作者,推动桥梁大数据的分析,也是该系统的使命。




图文源于作者张硕玉(中交路建交通科技有限公司桥梁结构健康监测中心高级工程师,主要从事桥梁监测系统工作)

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