[发明专利]一种桥梁结构健康监测通用性采集控制系统

说明书

技术领域

本发明属于桥梁技术领域，涉及一种桥梁结构健康监测通用性采集控制系统。

背景技术

桥梁等大型基础建筑是我国国民经济的快速发展的物质保障，一旦发生自然灾害或结构老化都将对国家和人民带来灾难性的后果，尤其是近些年发生一些桥梁垮塌事故，更是造成难以估量的经济损失与人员伤亡。

所谓桥梁健康监测与安全评估指利用现场的无损传感技术，通过包括桥梁结构响应在内的结构系统特性分析，达到监测结构损伤或退化的目的，并根据监测的数据进行安全评估。桥梁健康监测的过程包括：通过一系列传感器定时获得桥梁动力和静力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。对于长期的健康监测，系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的预期功能变化的实时信息。

数据采集软件系统中存在的问题具体如下：

1、通用性问题，为了准确评估桥梁的健康状况，需要准确获取桥梁状态的变化，如：桥梁垂直方向的变形、索塔水平方向的变形、伸缩缝的位移、梁体应力的变化等等，以及环境的状态，如温度、湿度、风向等等。为了获得这些状态的变化，需要布置不同种类且数量众多的传感器以及相应的采集仪，如挠度传感器、应变传感器、伸缩位移传感器、温度传感器、湿度传感器等等，以及相应的采集仪。不同结构类型的桥梁，其监测指标和重点各有不同，如悬索桥梁需要重点关注索塔变形和悬索受力的变化，因此为其设计的传感系统存在较大的差异。由于不同种类的传感器由不同的厂家设计生产，所以它们所采用的通信协议和控制协议各不相同，如RS485通信协议、RS232通信协议、USB通信协议、TCP/IP通信协议、PCI总线、ISA总线。同时各采集仪所约定的控制协议各不相同，对获取的数据的定义也各不相同。数据采集系统通过传感器约定的通信协议和控制协议，获取相应的数据，因此数据采集系统与传感系统具有强烈的相关性。因此，桥梁结构的不同使桥梁监测的传感系统存在差异，此差异导致了桥梁健康监测数据采集软件系统的通用性问题。如果不对该问题进行有效解决，将需要为每座桥梁设计专用的数据采集系统，这势必造成了开发效率低下，数据采集系统不通用而难以推广的后果。

2、突发事件捕获问题，突发事件是桥梁安全最大的威胁，如地震、强风、大型船只对桥墩的撞击等等，如果不能及时发现并采取措施，将造成巨大的损失。而目前还没有成熟的突发事件的判定方法和标准，同时突发事件具有很大的偶然性，这使得突发事件的捕获难度非常大。

3、可靠性问题，数据采集系统在桥梁现场无人职守的自动工作，其工作环境恶劣，硬件系统(主要包括采集与控制系统、传感系统)常年经受高温、高湿的考验，因此硬件系统会以高概率状态产生各种故障，包括偶发性故障以及永久性故障。安全评估要求数据采集系统可靠的连续工作，不能因为硬件系统故障错失紧急状态下的数据采集，比如地震。而硬件系统的故障将严重影响数据采集系统的可靠性，而无人职守更是对可靠性提出更高的要求。这就产生了系统高可靠性要求与高故障率之间的矛盾。另外传感系统暴露在野外，会遭受高温、高湿、强干扰等因素的影响，其工作环境非常恶劣，这将导致采集得到的数据中含有大量干扰信息，同时传感系统自身的老化也会降低其提供数据的可信度。而桥梁安全评估的依据是数据采集软件系统提供的数据，错误的数据会导致错误评估的严重结果发生。因此需要解决低可信度数据与高质量数据要求之间的矛盾。由于采集得到的数据既有桥梁状态变化的成份，也有干扰信息的存在，两者相互交织，因此如何提供高质量的数据将非常困难。传感系统在恶劣的工作环境中会导致其提供的数据可信度低，而安全评估对数据质量要求高，从而产生了高质量数据要求与低可信度数据提供之间的矛盾。因此可靠性问题包含数据采集系统工作可靠性问题和所得数据的可靠性问题。

4、软件使用人性化问题，桥梁健康监测与安全评估首先是从科研项目中发展起来的，因此目前的数据采集软件系统在软件使用人性化方面非常欠缺，而人性化的软件使用界面是商业软件的基本要求，更有助于该技术的推广。

数据采集是结构健康监测与安全评估中的基础性和关键性部分，由于被测结构体存在结构差异、传感系统差异、工作环境恶劣、安全评估对数据要求高等诸多因素，导致目前的数据采集软件存在着通用性不高、可靠性不强、数据存储与管理有效性不高等问题。

发明内容