橋梁養護平臺

研究背景
早期大型橋梁監測系統的弊端
設備安裝部署復雜
多采用數據集中采集，傳感器與采集儀之間需要布設大量數據線纜，現場往往需要部署工控機進行數據匯集并設計通訊協議轉換程序。
交互及集成性差
通過桌面端設備訪問系統服務器獲取相關監測數據，而由于網絡的制約和信息共享渠道的閉塞，當大批量的橋梁部署自動化監測系統后，數據信息的交互和集成性比較差。
系統運行依賴外部供電環境
監測系統各項設備正常運營大部分依賴外部供電環境，對于各種項目的復雜情況，監測系統的大批量部署變的困難。
維護成本高
當部署大量的橋梁監測設備后，后期的設備的運營維護成本高昂。

利用物聯網技術能解決上述難題：
解決傳感器集中式采集收項目實際復雜環境影響設備部署困難的問題，需要擺脫供電限制，盡可能少的布設線纜，提高設備部署效率。
解決大量已經部署到現場設備的管理及數據解析轉發的困難。
針對大量中小型橋梁希望實現個別變形參數自動監測的需求，解決結構變形監測軟件需要分項目部署，不利于快速應用的問題。

橋梁養護平臺簡介
以橋梁BIM模型作為內核驅動，集成橋梁竣工、運營、養護信息及圖文數據，實現橋梁基本數據的瀏覽、查詢和統計，以及橋梁技術狀況、病害數據的可視化以及安全預警等功能。

產品優勢
使用自主研發的物聯網監測設備部署監測系統，實現傳感器的分布式數據采集和無線通訊，擺脫監測點需要現場供電的要求，減少對于供電和數據傳輸線纜的依賴，提高監測設備部署效率。
研發基于云端的物聯網設備管理和數據解析和分發的系統平臺，實現大批量監測設備云端的集中統一管理和數據的統一解析和統一分發，降低后期運營維護成本。
開發適用于小型化結構變形監測需求的云端系統軟件，實現監測數據和監測信息的網頁端和手機端的實時查看。

平臺主要技術內容
項目研究基礎
具有多年在橋梁檢測評估技術上積累的豐富經驗。
成功開發并應用易檢系統實現了橋梁常規檢測工作的數字化和自動化，在信息化系統開發及物聯網技術方面有前期的研究和積累。
具有橋梁健康監測系統應用技術的開發和實踐經驗。
產品主要的技術特點
能夠兼容主流的測量結構變形的數字式傳感器和振弦式傳感器的物聯網模塊，并使用低功耗技術降低物聯設備的整體功耗。
實現云端設備的統一管理和解析分發。
開發簡單易用的結構變形監測系統軟件。
解決數據圖表化顯示的問題，并可通過網頁或者手機端實時查看監測數據和設備狀態。
LoRa無線技術應用
什么是LoRa
LoRa是semtech公司創建的低功耗局域網無線標準，它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3-5倍。
LoRa的特性
傳輸距離：城鎮可達2-5 Km ， 郊區可達15 Km 。
工作頻率：ISM 頻段包括433、868、915 MH等。
標準：IEEE 802.15.4g。
調制方式：基于擴頻技術，線性調制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）能力，semtech公司私有專利技術。
容量：一個LoRa網關可以連接上千上萬個LoRa節點。
電池壽命：長達10年。
安全：AES128加密。
傳輸速率：幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長。

基于LoRaWAN標準的物聯網監測系統架構圖

平臺主要性能
硬件系統——傳感器系統
靜力水準傳感器
采用靜力水準傳感器（連通管原理）進行測量，當梁體產生豎向撓曲變形或者柱體產生不均勻沉降時，連通管內各測點的液壓也相應地發生變化，通過測量液壓的變化量可進一步求得橋梁關鍵部位的撓度或沉降值。
位移計
位移計可用于監測結構重點部位（如節點位置）變形，適配的傳感器包括LVDT式和振弦式。

位移計實物圖
傾角計
傾角計可用于測量柱體/橋墩/梁體的傾斜。傾斜監測使用數字式傾角傳感器，可精確測量傾斜角度的變化。


傾角計實物圖
應力/應變計
應力/應變計測量結構局部應變（應力），采用振弦式應變傳感器，其最大的優點是傳感器結構簡單，工作可靠，輸出信號為標準的頻率信號，非常方便計算機處理或代手段的電路調理。


振弦式應變傳感器
硬件系統——物聯網設備
物聯網模塊是整套物聯監測系統能夠運轉的核心部件，物聯網設備包含振弦物聯模塊、串口物聯模塊和物聯網網關三部分，其中物聯模塊負責傳感器數據的采集和數據發送，物聯網網關負責數據的匯集和云端的數據同步。
物聯模塊

物聯模塊

物聯串口模塊和振弦模塊

環境溫濕度傳感器

物聯環境溫濕度傳感器
物聯網關

物聯網關

受電箱

物聯受電箱

光伏市電互補供電單元

軟件系統
物聯設備管理和數據分發平臺
軟件系統為物聯設備統一管理和數據解析分發平臺，該平臺部署于阿里云，可為部署于現場的物聯設備提供登記、管理、數據解析（通訊協議轉換等）和數據多平臺同步分發服務，方便后期設備的維護和管理。
物聯結構變形監測系統軟件
數據應用平臺為監測項目數據處理平臺，平臺功能包括監測項目管理、用戶管理、監測數據接收處理、監測數據分析處理、監測數據展示，用戶既可以在電腦端打開網頁進行數據查看跟蹤，也可以通過移動端應用查看。該平臺部署于阿里云，通過MQTT（消息隊列）主題訂閱的方式對接物聯設備管理和數據分發平臺的監測數據并進行后續的分析、處理和可視化展示。

物聯結構變形監測系統
物聯網監測系統優勢
相比較人工監測和傳統的自動化監測，通過引入物聯網技術和云技術的物聯監測系統具有安裝部署快捷、施工成本低、供電要求低、系統穩定性高以及后期運維成本低等特點。

系統整體架構示意圖

物聯結構變形監測系統

平臺應用實例
本項目以海南瓊海市心怡路橋作為示范項目進行了監測系統部署，隨后在花都區東風大橋、廣州市客村立交、天河立交、花都引水橋、黃村立交、珠海市省糧庫橋、河源市迎客大橋等多座橋梁進行推廣應用。

平臺系統軟件
主要技術方案
架構：基于B/S架構，前后端分離技術，.net core架構技術。
數據庫：基于Redies、MangoDB及MySQL數據庫技術。

數據分析

主要由兩個頻率的信號組成
兩個頻段對應的信號周期為24小時和12小時
快速傅里葉變換看不到這兩種信號隨時間的變化