论文研究-桥梁健康监测系统的设计 .pdf

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桥梁健康监测系统的设计,甘慧娟,,桥梁健康监测已成为国内外相关领域的研究热点。本文从桥梁健康监测系统的功能要求出发,开发了一套完整的桥梁健康监测系统的总体
山国科技论文在线 表淇澳大桥传感器测点统计表 传感器类型 布设位置 数量(个) 三向风速仪主梁 主梁屮跨跨屮截面 压力环 拉索 南北塔C17和C7号上游索梁端错头 南北塔C23和C23’号上游索梁端错头 主塔 南北塔根部截面 主跨和边跨跨屮箱梁截面 12 应变计 主梁 塔梁固接处箱梁截面 辅助墩墩顶箱梁截面 温度计 主塔 对应每个应变计布置截血布置两个温度计 主梁 外边孔和边跨的跨中截面 单向主梁 屮跨1/4及3/4截面 2 主塔 南北塔塔顶 2 加速度 计 拉索 南北塔C1和C号上游拉索 双向 南北塔C23和C23号上游拉索 主梁 外边孔和边跨的跨中截面 中跨跨中,1/4及3/4截 摄像头 主桥 桥面路灯灯柱,塔身和箱梁翼缘 14 连接传感器系统与相应的数据釆集设备,根据实际情况,采用光纤或屏蔽线缆(带宽取决于 采集设备);(2)二级骨干通信网络用于将通用数据采集1、2和光纤解调分析仪接入桥址交 换机或视频编码器接入一级骨干通信网络,将数据传输到监控中心,∵级骨干通信网络采用 光缆或电缆,网络支持10传输能力;(3)桥址交换机电口输入,电口输出,支持100Ⅶ的数 据传输能力。 级骨干通信网终用于连接桥址交换机与监控中心交换机或直接通过光纤接收机与视 频编码器进行连接。由于淇澳大桥结构健康监测系统的监控中心确定设立在淇澳大桥桥址附 近,因此釆用敷设12芯光缆线路作为级骨干恻络的传输线路。中心交换机电口输入,电口输 出,支持100M传输能力。 监控中心内的匚作站和服务器与中心交换机共同组成了监控中心局域网,网络支持 100M传输能力。工作站与服务器之间可以通过中心局域网实现信息互访。 数据处理与控制系统 淇澳大桥结构健康监测系统中的薮据处理与控制系统主要承担以下凹个方面的系统功 (1)数据采集传输控制:系统不仪要管理和控制所有监测薮据的采集和传输⊥作,还要预 览每个传感器的信号,显示系统工作状态以及诊断传感器系统、采集系统、数据传输 网络的工作状态,并对故障信息实施有效报警、生成报警日志。 (2)视频监控系统控铏:对大桥上的视频编码器和视频头进行分布式管理,控制视频图像 的采集与传输,对视频监控的冬种参数进行在线设置和调整,进行视频图像的编辑处 理,实时诊断大桥上的视频头和编码器的工作状态,并对故障信息实施有效报警、生 成报警日志。 (3)数据处理:包括数据预处理、数据后处理以及数据存储管理;预处理主要完成对采集 信号的工程单位转换,即将测得的数字量转换为对应的实际物理量,从而得到人们真 山国科技论文在线 正需要的数据。除此之外预处理还可以使娀缺的数据完整,将错误的数据纠正,将数 据格式转换为所要求的格式,还可以消除多余的数据属性,从而达到数据类型相同化、 数据格式一致化、数据信息精练化和数据存储集中化,本系统中数据的预处理方法主 要包括:工程单位转换、误差修正、数据压缩和异常值剔除。数据后处理涉及更为复 杂的数学处理方式,因此有时可能需要进行人机交互的数据处理方式。数据后处理包 括建立概率密度函数的幅值分布函数、均值函数、均方根函数、方差函数、协方差函 数、标准差函数等分析函数;建立数据在时域上的自相关和互相关函数以及自协方差 和互协方差函数;将时域信号转换到频域,建立频谱密度函数、互谱密度函数、相干 凶数等频域分析函数;通过以上数据后处理过程,提取如自振频率、阻尼比、振型、 最大振幅等特征参数,这些特征参数是桥梁模态分析的重要参数。 4)数据管理:系统通过建立数据库对数据进行管理。采集回米的数据是实时发送到上位机 远程数据库的,但为了防止在传输过程出现错误,或其他原因导致的数据丢失,数据在 上传到上位机的同时必须要在本地计算机进行备份。因此,创建本地数据库以便数据备 份和数据查询是丰常有必要的,该本地数据库采用 MY SQL数据库进行设计, My SQL数 据厍是一种关系数据厍系统,该数据厍是开源数据库,提供了灵活的优化功能,且占用 系统资源相对较少,可以在配置较低的下位机上运行,而不影响系统采集的进行,是比 较精简的数据库,非常适合木系统使用。木地数据库的完成的功能如卜: 1)薮据库中有配置传感器参数,薮据釆集卜参数等信息,供数据采集系统读取配置 2)数据库所有的数据必须保存30天以提供数据备份査询功能; 3)数据库的查找内容包括传感器的配置,数据采集卡的配置,传感器采集的数据 4)采集冋来的数据必须实时的保存在本地数据库中 5)采集的数据必须包含必要的信息,包括传感器ID,采样速率,压缩算法,单位等; 6)可以对数据库中某传感器数据某时段内的数据进行查询 7)为技术人员排查故障,必须休存故障记。 上位机数据库采用 Oracle数据库,包含以下川个数据库 1)信息厍:所有的系统信息、系统参数和淇澳大桥的基木信息都保存在信息库中,信 息库中的数据将在服务器中永久保仔,但可根据实际状况进行数据更新; 2)历史库:淇澳大桥的所冇原始数据和预处理数据在历史库中分别寻址存储,这些数 据在服务器中的滚动存储时间为90天,90天后将这些数据刻盘进行备份; 3)实时库:用来存储淇澳大桥上的那些事件触发数据,如极端环境下的监测数据或超 过系统设定阀值的监测数据才在实时数据库进行保存。实时库中的数据在服务器上 至少保存半年,半年后可刻盘备份 4)结果厍:淇澳大桥的所有薮据后处理、数据分析、结枃分析和健康评价的结果数据 都将在此保存,并且在该库中还俣存了各种桥梁的检修数据。结果库中的数据在服 务器上至少保存年,年后可刻盘备份。 结构健康评估系统 在监控中心,结枃健康评价系统利用大量实时、在线的数据对结枃的承载能力和结构动 力性能做岀评价,识別结构的损伤或潜在的隐患,从而为桥梁的管理、养护等决策提供可靠 的信息。 大型桥梁结构的响应及状态分析是一个极其复杂的过程,采取结构动力响应模拟计算与 山国科技论文在线 结构健康监测、状态识别、局部损伤分析等现代分析手段相结合进行。桥梁结构健康监测系 统的效率主要取决于后期数据管理与处理工作的效率。结构健康状况的监测与评估体系按照 分层次深入、多级报警和长期跟踪的原则建立,其目标是可视化监控、快速识別异常,在第 时间报警;进而分析确定异常信息的性质,对结构损伤分类、定位、评佔损伤程度,对损 伤部位及其程度作二次报蝥,给管理部门进行人工探伤、做出汏策提供指引。在这个分忻和 评估过程中,一个准确和有效的有限元模拟是不可缺的。淇澳大桥健康监测系统的结构健康 评价系统主要功能如下 1)可直接访问系统数据库,提取结构分析评价所需的各种数据 2)根据监测数据进行模态识别和进行结构健康状况泮价: 3)根据评价结果提出相应的管埋决策; 4)显示、存档/存储所有分析结果; )生成结构健康监测报告和评估报告。 人机交互界面 桥梁健康监测系统往往需要高深的专业知识,而实际口常维护人员只需要了解简单的结 构知识,就应该可以使用该系统。这就要求健康监测系统的软件界面具有简单易学,方便实 用的特点,根据用户需求,本着美观,紧凑,操作方便的原则,将系统的用户界面设计为六 大块 1.信息管理——查看桥梁信息和系统信息; 2.实时监测——查看桥梁检测加速度和风速仪等实时数据以及实时数据的处理; 3.数据处理——查询桥梁检测加速度,风速仪,温度计和应变计等历史数据以及历史数 据的处理; 4.资料管理——存储或查看有关资料; 淇澳大桥 桥梁健康监测系统 信息管理实时监测数据处理资料管理使用帮助退出系统 EEEEEEEEO 图2系统主界面 5.使用帮助—提供软件的使用方法; 6.退出系统——退出整个管理系统。 软件的实现是软件开发者编程实践的智慧结晶。图2、图3、图4为软件的主要界面, 山国科技论文在线 更加形象地说明软件功能的设计原理和川发过程 实时数据显示 染加速彦作感仁拉加速度传感器。墡顶加速感器「风速仪 传感器选择 風性曲线一曲线彐 基丰颜色 山线颜 器号AC 安装位置上游(正)下游〔东 线缆线路号南塔卡2北塔卡 板卡通道 时域显示 显示制 目定又颜色吧 切定自定义颜色 的定眼消 游标坐标 频域显示 状态显示 操作按钮 —北塔 矣厂始切始化成功采集停止 集开如如先成功来集止 XIT 显示波形停止显小清屏 退出 图实时数据监测界面 四败据处理 主梁加速度传感器 拉索加速度传感器 塔顶加速度传感器 0.m 曲线类型 .04 时域 震力计算 00 传感器选择 O.01 AC2-24-11-X7和_m224-11217 属性曲线一曲线 曲颜色 0.L 传感器号KC2411A21 ,2 安鞍位置上(西)上(西 夫号南唇卡:南 板卡通11 05 游标坐标 a0,0E 坐标值00坐标值风Q 周/ 起蛤时间 截止时间 「期 085=25 日期 0u-B=25 00 时 7:0 清屏 退出 图历史数据界面 总结 淇澳人健康监测系统是传感测试、网络传输、数据分析、结构分析等多种技术集成 山国科技论文在线 的系统,系统的正常运行依赖于传感器系统的准确性、网络传输系统的耐用性和可靠性、结 枃分析方法及软件的正确性,因此,必须定期对传感器、网络系统、结构分析模型和分析软 件等进行检测、维护和校订。关于大跨桥梁健康监测还有许多问题需要进行探索硏究,尤其 是在损伤识别、状态识别与安全性评佔方面.结构健康监测是当前国内外土木工程学科的热 点研究领域,涉及土木工程、力学、测试技术、计算机、图形学、通信等多门学科!结构健 康监测硏究工作的持续开展必将为重大重点工程的结构安仝和正常工作提供科学的理论依 据、技术导引和监控措施。 参考文献 亓跃峰,毕卫红,卢辉斌大型桥梁远程监测系统的矿究仪器仪表学报, 李爱群缪长青李兆霞等润扬长江大桥结构健康监测系统岍究东南大学学报

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