基于云计算的桥梁支座健康监测系统设计

基于云计算的桥梁支座健康监测系统设计

卢瑞钊

桥梁支座健康监测系统适用于公路、铁路以及城市轨道交通工程等简支梁、连续梁、拱桥等桥梁结构。

关键词：桥梁支座;云计算；监测系统；数据采集终端；GPRS；数据集成中心

在设计时综合考虑到安全、稳定、节约等诸多因素，我国高速铁路60%以上线路采取了高架方式建设，作为桥梁结构关键部件之一，桥梁支座的需求量逐年增加。支座设置在桥梁的上部结构与墩台之间，它的作用是：传递上部结构的支承反力，包括恒载和活载引起的竖向力和水平力；保证结构在活载，温度变化，混凝土收缩和徐变等因素作用下能自由变形。作为桥梁工程上、下部结构的连接、传力部件，桥梁支座能够反映出桥梁的整体性能，所以在变形量、承载力、环境等方面发生变化时，桥梁健康监测系统可以提前发现问题做出预警。桥梁支座健康监测以互联网为依托，可以为高铁桥梁提供完整数据链监测，为桥梁设计理论的验证以及对桥梁支座的研究提供依据。

1目前桥梁支座健康监测现状

铁路桥梁的病害主要为：梁体病害、支座病害、墩台病害和其他附属设施病害。目前国内对病害的检查主要是通过人员定期检查维护。对于动辄几百公里的线路来说，如何一方面解决全面检查的能力问题，另一方面解决检查维护的专用技术问题，同时具备快速、安全、高效的能力。桥梁支座健康监测融合目前日益成熟的云计算技术，利用传感器进行高效精准检测、将测量信息实时发送到集成中心供用户查看。

2云计算技术的应用

2.1云计算技术

2006年8月Google首次提出“云计算”（CloudComputing）的概念，到今天云计算经历了飞速发展，是信息技术行业的一次巨变。

云计算，从广义上讲，它是一种动态的易扩展的且通常是通过互联网提供虚拟化的资源计算方式。从狭义上讲，它是指IT基础设施的交付和使用模式，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需要的资源（硬件、平台、软件）。

云计算是分布式计算技术的一种，其特点是使用大量的分布式计算机服务器，数据中心的运行通过互联网访问这些服务器。这使得用户需要的资源能够准确地切换到相应的应用上，根据需求访问云服务器和存储系统。

2.2使用云计算的优势

铁路支座的数量庞大，即使采集数据采用的是分时段发送的方式，也会存在数据传输量大、人员访问量多的问题。云服务器分布计算为数据高质量快速传输提供了保障，解决了以往个人服务器信息堵塞的问题。

本监测系统提供的主要是软件服务，可借助云平台提供的越来越多的基于互联网的强大服务来优化IT服务，使IT服务更可靠、更自动化，让用户有更好的使用体验。

在成本方面，将IT服务整体迁移到云上，也使得企业卸下维护IT服务的负担，根据自己的网站情况去选择最适合的服务器，免去了IT初期的投资与维护本成本。

3桥梁支座健康监测系统

桥梁支座健康监测系统主要由数据采集终端，远程数据传输系统，数据集成中心三部分组成,以完成数据的采集、传输、分析和处理。

3.1数据采集终端

数据采集终端以单片机为核心，采用意法半导体基于ARMCortex-M3内核的32位单片机，型号为STM32F103RBT6，属增强型，时钟频率达72MHz，128KBFlash，20KBSRAM.

传感器信号采集利用单片机模拟/数字转换（ADC）外设功能，ADC功能相当于单片机的“感知器官”，有了它，单片机就能感知到传感器传送过来的电压信号。ADC转换精度是12位，表明转换数据的最大值为0x0FFF（十六进制）。假设STM32的参考电压为VREF=3.3V,转换结果为Value，则可以利用Vsample计算公式得到对应的采样电压：

Vsample=VREF×Value/（0x0FFF+1）

当转换结果Value为0x03E8时可计算出

Vsample=3.3V×0x03E8/（0x0FFF+1）≈0.81V

再将获得的电压值与传感器量程相对应即可得到最终的测量值。

通过在桥梁的关键部位布置高可靠性和耐久性的各类传感器，对结构受力及变形、振动、环境状况等进行ADC采集，本系统每采集100个数求平均值以减少测量误差。另外每个终端都配有环境温度测量传感器，如在气候变化明显或是高海拔区域，将对温度敏感的模拟量进行温度补偿。

桥梁支座健康监测现场采集器件几乎都是在户外，远距离布线不可能实现，要实现长期稳定供电，采集终端选用太阳能板+充电电池的供电方式将电能储存起来。

单片机则采取了降低功耗的措施，首先降低系统时钟频率，这样优化以后电路板的总电流在15mA左右。在空闲时使STM32进入睡眠模式更进一步降低了系统功耗，此时除了保留唤醒Cortex内核的外设时钟之外，关闭所有其他外设的时钟，GPRS模块也会被关闭，这样总电流则可控制在3mA以下。通过以上优化可以极大地降低采集终端的功率消耗，为器件的长期室外使用提供了可靠保障。

3.2远程数据传输系统

PRS技术（GeneralPacketRadioService）是通用无线分组业务的简称，该技术建立在GSM网络的基础上，被称为2.5代移动通信技术，它将无线通信与Internet紧密结合。完全能满足数据采集及监控的双向数据信息传输[1]。GPRS信号传输采用GC65模块，数据实现分组发送和接收，按流量计费，56~115Kbps的传输速度；GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适用于分布式多点采集。

3.3数据集成中心

数据集成中心的功能是实现终端数据的分析和管理，软件采用ASP.NET和SQLServer开发，软件网页化设计。

登录后显示主界面，根据登录时权限显示内容会有所不同。通过左侧的功能树选择相应的铁路线路，线路下又可以选择区段再到具体位置，窗口的主区域显示的是支座的具体信息，可以以表格、曲线、图形方式显示。可对信息进行新建、删除、修改、条件查询、打印等多种基本操作。

除以上基本功能外，监测软件还被赋予了整体结构分析与评估的功能，也就是专业的桥梁大数据分析功能。本系统设计时针对桥梁的所有病害及形成原因进行了深入研究，由此制定出一套体系化的判定标准，将从大数据中提炼的有价值信息进行综合分析判断，从而帮助管理人员做出有效决策，来弥补非专业人员经验不足的问题。例如针对于支座承压和变形来说，软件能根据大数据在使用过程中数据的走势判断引起异常的具体原因，同种状况的支座数量，维护保养具体内容等，为维护人员提供直接规范和依据。

4结论

本文提出了基于云计算的桥梁支座健康监测系统的设计方案，桥梁健康监测专注桥梁检测、维护管理信息化建设，面向大里程连续桥梁，构建一个提供信息化、科学化管理解决方案的平台为用户提供基础设施分析、诊断与管理。基于互联网的监测系统已在国内多条高铁线路进行试点应用，实际应用表明该系统具有安装维护方便、通信可靠、成本低等优点，实际工程中有良好的应用效果，随着云计算技术不断发展，桥梁健康监测必将有更为广阔的应用前景。

[1]严雪萍，成立，韩庆福，何加祥，基于GPRS的远程数据采集系统设计[J]，微计算机信息，2008,24（1-2）：115-117.