技术领域
[0001] 本
发明涉及
桥梁结构监测技术领域，尤其是涉及一种基于工业以太网的，具备网络传输、远程控制、数据流控制、多源异构信息融合、结构状态评估和预测、系统管理和维护功能，并可以实时、定期、全面获得桥梁结构监测数据的监测系统。
背景技术
[0002] 随着科学技术的进步，近年来大跨度桥梁，尤其是悬索桥等跨度大、造型优美、节省材料的桥型备受大家的认可。在大量建造该类型桥梁的同时，实时掌握大型跨海悬索桥的安全状态就显得尤为重要。
[0003] 传统的桥梁监测工作是采用人工检测手段定期或不定期分别对桥梁的关键部位单独检测，并将现场测试数据带回实验室进行分析处理。对于大型的跨海悬索桥，其主要承重构件数量众多、尺寸巨大，运营过程红构件直接受
力关系非常复杂。如果沿用传统的检测方法，
桥面现场的实际情况很难被全面掌握。
[0004] 传统的桥梁人工检测方法因其固有的滞后性和低效性，造成了桥梁运营成本的提高和资源配置的不合理性，更重要的是他不能及时发现结构中的重要
缺陷以及突变
信号，也就不可能对突发事件进行预警，已远远跟不上桥梁发展形势。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于有效克服上述缺点，提供一种基于工业以太网可以远程控制的，可以实时而全面获得数据的，高效的集数据管理、结构健康监测、安全评估、应急反应、桥面交通状况监测等为一体的
监控系统，以达到提高传统人工检测方法滞后性及其低效性等带来的问题。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于工业以太网的跨海悬索桥结构监测系统，用于跨海悬索桥，该桥梁监测系统是基于工业以太网构建，由大桥现场设备、监控中心设备以及大桥现场到监控中心的通讯光缆设备组成，所述大桥现场设备包括：
传感器设备、
数据采集设备、供电设备以及通信设备；
[0007] 所述监控中心设备包括：数据传输处理与控
制模块、实时显示、预警功能模块、视频服务模块、结构安全评估模块、3D动画模型设备管理模块、巡检管理模块、病害模块、结构预警前台
用户界面模块和监测和分析
数据库、资料数据库、系统操作记录数据库、分析结果和报告报表数据库；
[0008] 其中，所述的基于工业以太网的跨海悬索桥结构监测系统通过现场设备对桥梁结构数据进行实时采集、数据采集后通过通讯光缆设备传送到所述监控中心，由所述数据传输处理与
控制模块进行数据的解算、传输控制操作后上传到数据实时显示、预警模块进行实时展示，并在实时展示的过程中实现实时数据预警功能；
[0009] 经过处理的实时监测数据存入监测和分析数据库存储，所述3D动画模型设备管理模块生成桥梁的3D模型，并接收上传的处理过的GPS数据，实现大桥GPS位移监测以及大桥3D模型的位移变化展示，GPS位移数据也会被发送到监测和分析数据库存储；
[0010] 外场上传的视频监测信号经过处理后传送到视频服务模块进行处理、展示工作。在结构实时监测数据被上传进监测和分析数据库中后，结构安全评估模块会根据具体功能要求从其中读取数据库并根据数据及其预先设定的桥梁常用
算法进行解算完成对大桥状况的评估工作，并将结果发送到分析结果和报告报表数据库，并且可以从数据库中读取历史评估结果。
[0011] 巡检管理模块用于辅助管养单位的以人工方式进行日常巡检工作，其采集到的信息以及巡检任务相关数据被存储在资料数据库中。病害管理模块适用于对巡检过程中发现病害的管理工作。
[0012] 系统所有数据经过整合后在结构预警前台用户界面模块中进行显示，包括报警信息和系统错误信息的系统的管理系统人员信息、系统日志被发送到系统操作记录数据库进行记录。
[0013] 所述3D动画模型设备管理模块以三维动画的形式直观的显示整个系统各个传感器、供电设备以及通信设备的数据和相关静态和动态资料，并利用GPS技术来完成对桥梁关键构件实时位移的测定；
[0014] 所述3D动画模型设备管理模块与数据传输、处理与控制的相关模块在监控中心的同一台
服务器中。3D动画模型设备管理模块在启动时会自动启动数据传输、处理、控制相应功能模块。
[0015] 所述数据传输、处理与控制模块直接与远程数据采集终端对接，大桥现场所有
传感器数据通过光纤网络进入所述数据传输、处理与控制模块，实现原始测试数据的传输、显示、预处理以及对远程数据采集终端的控制功能。
[0016] 所述监测和分析数据库保存和管理数据采集、预处理、结构安全评估、实时显示、预警模块以及3D动画模型设备管理模块的各个信号源原始数据文件；所述分析结果和报告数据库用来存储和管理结构安全评估模块的报表信息；所述系统操作记录数据库用来存储和管理数据传输、处理与控制模块、3D动画模型设备管理模块、结构安全评估模块、实时显示、预警模块和结构健康预警前台用户界面模块的包括报警信息和系统错误信息的系统人员信息、系统日志以及与3D界面相关的实时数据；所述系统资料数据库存储和管理包括结构安全评估模块、监测和分析数据库、病害管理模块、巡检管理模块的整个系统所有
硬件的信息资料。
[0017] 所述巡检管理模块完成对桥梁单位巡检计划的编辑、安排、审批、结果验收、巡检日历的生成。所述病害管理模块对应每次巡检任务录入巡检结果和构建录入巡检结果，动态生成桥梁病害列表，并对其进行打分预测。
[0018] 所述结构安全评估模块主要包括子功能模块：用户界面模块、周报月报模块、评估数据文件生成模块、损伤识别模块、内力状态识别模块、适应性评估模块、疲劳分析模块、
风与结构相关性分析模块、系统帮助模块；其自动生成大桥监测的报告报表，报告内容包括各监测项目力学指标、通过大桥结构动力测试数据，实现结构的损伤识别分析；进行大桥恒载内力状态识别，给出当前内力状态的评价和维护建议；对大桥
钢箱梁的疲劳热点进行疲劳分析，进行钢箱梁测点的疲劳寿命估计；对大桥在风荷载作用下相应
位置的结构相应进行分析。
[0019] 所述预警功能模块包括子功能模块：环境降雨量监测模块、索塔承台
地震动监测模块、索塔振动检测模块、索塔偏位监测模块、支座反力监测模块、钢箱梁纵向位移监测模块、钢箱梁振动监测模块、钢箱梁
应力监测模块、钢箱梁线型监测模块、钢箱梁结构
温度监测模块、钢箱梁大气温度监测模块、主缆监测模块、采集站仓房温湿度监测模块；其实现本系统各监测项目，包括环境因素、荷载源及桥梁结构相应的实时显示以及在异常情况下的预警功能；其通过监控中心内的以太网从
数据处理与控制服务器上的数据传输、处理与控制模块接收实时数据，进行系统各监测项目信号的实时显示，并进行必要的后处理，在异常情况下及时预警。
[0020] 所述结构预警前台用户界面模块包括子模块：主界面模块、趋势图模块、记录管理模块、人员管理模块、设备管理模块、更换
皮肤模块、历史数据统计模块、帮助模块；其辅助管理员实现对桥梁监测的相应功能操作以及对大桥结构
质量趋势的走势，提供了对桥梁管养单位的设备、人员进行管理、历史数据统计。
[0021] 所述视频服务模块包括网络视频监控、交通数据管理、系统电力组态监控子模块，实现对大桥各主要构件进行视频监控，对大桥各个车道进行监控，并根据车型、车速、车重、车轴相应数据进行查看和交通管制，并实时监测桥上各个采集站的供电状况。
[0022] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0023] 1.本发明提供的这种跨海悬索桥结构监测
软件，是基于工业以太网的跨海悬索桥监测系统的控制、处理软件。系统各种工作站之间的相互协调合作提供了一种交互机制并和其上层的信息网络无缝集成。
[0024] 2.本发明在大桥上设置的数据采集站通过以太网将实时数据和历史数据文件发送回监控中心经过软件的处理，可以实现实时或定期的采集。实现了对大桥构件健康状况的实时了解，可以在第一时间发现健康问题。
[0025] 3.本发明利用传感器测定桥梁工作环以及桥梁的力学性能参数，利用GPS RTK技术高
采样频率、高
精度、全天候的方法测定桥梁监测点三轴方向位移，而且对其位移变化达到了mm级标准；做到从力学性能指标和桥梁构件位移两方面对桥梁健康状况监测进行监测，提高了系统的全面性和可靠性。
[0026] 4.本发明中严格根据相关标准和大桥实际情况设定了监控参数的标准值，可以准确的为问题构件
定位，并设置了预警功能，当大桥构件出现健康问题时会自动报警，提高了大桥在使用中的安全性。
[0027] 5.本发明将桥梁管养部
门日常工作中的巡检及验收工作、桥梁监测系统的自动监测以及桥面交通状况监控进行了整合，可以在很大程度上协助其得日常工作，并助其完成工作模式的信息化，智能化，以及大大节省了多系统所带来的资源浪费
附图说明
[0028] 图1为本系统的结构示意图。
具体实施方式
[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体
实施例，对本发明进一步详细说明。
[0030] 图1为本系统的结构示意图，其系统中的数据交互方式如图中箭头所示。系统由图中所示外场采集及内场处理两大部分组成。其中包括数据传输处理与控制模块、实时显示、预警功能模块、视频服务模块、结构安全评估模块、3D动画模型设备管理模块、巡检管理模块、病害模块、结构预警前台用户界面模块、监测和分析数据库、资料数据库、系统操作记录数据库、分析结果和报告报表数据库等部分组成。
[0031] 系统通过外场设备对桥梁结构数据进行实时采集、数据采集后通过数据传输处理与控制模块进行数据的解算、传输控制操作后上传到数据实时展示、预警模块进行实时展示，并在实时展示的过程中实现实时数据预警等功能。经过处理的实时监测数据会被存入监测和分析数据库存储。3d动画模型设备管理模块会生成桥梁的3D模型，并接收上传的处理过的GPS数据，实现大桥GPS位移监测以及大桥3D模型的位移变化展示。GPS位移数据也会被发送到监测和分析数据库存储。外场上传的视频监测信号经过处理后传送到视频服务模块进行处理、展示工作。在结构实时监测数据被上传进监测和分析数据库中后，结构安全评估模块会根据具体功能要求从其中读取数据库并根据数据及其预先设定的桥梁常用算法进行解算完成对大桥状况的评估工作，并将结果发送到分析结果和报告报表数据库，并且可以从数据库中读取历史评估结果。
[0032] 巡检管理模块用于辅助管养单位的以人工方式进行日常巡检工作，其采集到的信息以及巡检任务相关数据被存储在资料数据库中。病害管理模块适用于对巡检过程中发现病害的管理工作。
[0033] 系统所有数据经过整合后在结构预警前台用户界面模块中进行显示，系统的管理系统人员信息、系统日志(包括报警信息和系统错误信息)等信息被发送到系统操作记录数据库进行记录。
[0034] 本发明提供的基于以太网的跨海悬索桥结构监测系统包括了3D动画模型设备管理、数据传输、处理与控制模块、监测和分析数据库、系统资料数据库、系统操作记录数据库、分析结果和报告数据库、巡检管理模块、病害管理模块、结构安全评估模块、实时显示预警模块、结构预警前台用户界面模块、视频服务模块等主要功能模块构成，每个功能模块都由一些子功能模块所构成。
[0035] 3D动画模型设备管理模块以三维动画的形式来直观的显示整个系统各个传感器、供电设备以及通信设备的数据和相关静态和动态资料的，并运用GPS技术来完成对桥梁关键部位位移的测定，本模块与数据传输、处理与控制的相关模块在监控中心的同一台服务器中。本模块在启动时会自动启动数据传输、处理、控制相应功能模块。
[0036] 数据传输、处理与控制模块直接与远程数据采集终端对接，做为大桥现场所有传感器数据通过光纤网络进入监控中心的第一道关，实现原始测试数据的传输、显示、预处理以及对远程数据采集终端的控制功能。
[0037] 监测和分析数据库用来保存和管理各个信号源原始数据文件，与他直接相关的功能模块包括数据采集、预处理、结构安全评估、实时显示、预警模块以及3D动画模型设备管理模块等相应模块。
[0038] 分析结果和报告数据库用来存储和管理报表信息，与他直接相关的
软件模块包括：结构安全评估模块。
[0039] 系统操作记录数据库用来存储和管理系统人员信息、系统日志(包括报警信息和系统错误信息)和雨3D界面相关的实时数据。与其直接面对的程序模块有：数据传输、处理与控制模块、3D动画模型设备管理模块、结构安全评估模块、实时显示、预警模块和结构健康预警前台用户界面模块。
[0040] 系统资料数据库用以存储和管理整个系统所有硬件的信息资料。与其直接面对的程序模块包括结构安全评估模块、监测和分析数据库、病害管理模块、巡检管理模块等。
[0041] 巡检管理模块用以桥梁单位对巡检计划的编辑、安排、审批、结果验收、巡检日历的生成等工作的实现。
[0042] 病害管理模块用以用户可以对应每次巡检任务录入巡检结果，亦可以对应构建录入巡检结果。动态生成桥梁病害列表，并对其进行打分预测。
[0043] 结构安全评估模块用以自动生成大桥监测的报告报表，报告内容包括各监测项目力学指标；通过大桥结构动力测试数据等一些列分析方法实现结构的损伤识别分析；进行大桥恒载内力状态识别，给出当前内力状态的评价和维护建议；对大桥钢箱梁的疲劳热点进行疲劳分析，进行钢箱梁测点的疲劳寿命估计。对大桥在风荷载作用下相应位置的结构相应进行分析。该功能模块主要包括：用户界面模块、周报月报模块、评估数据文件生成模块、损伤识别模块、内力状态识别模块、适应性评估模块、疲劳分析模块、风与结构相关性分析模块、系统帮助模块等子功能模块。
[0044] 实时显示、预警功能模块用以实现本系统各监测项目，包括环境因素、荷载源及桥梁结构相应的实时显示以及在异常情况下的预警功能。其通过监控中心内的以太网从数据处理与控制服务器上的数据传输、处理与控制模块接收实时数据，进行系统各监测项目信号的实时显示，并进行必要的后处理，在异常情况下及时预警。本功能模块包括：环境降雨量监测模块、索塔承台地震动监测模块、索塔振动检测模块、索塔偏位监测模块、支座反力监测模块、钢箱梁纵向位移监测模块、钢箱梁振动监测模块、钢箱梁应力监测模块、钢箱梁线型监测模块、钢箱梁结构温度监测模块、钢箱梁大气温度监测模块、主缆监测模块、采集站仓房温湿度监测模块等子功能模块，为本监测系统的核心功能模块之一。
[0045] 结构预警前台用户界面模块用以为整个系统面向用户的重要模块，结构简洁、友好、易于操作。除辅助管理员实现对桥梁监测的相应功能操作以及对大桥结构质量趋势的走势外，还提供了对桥梁管养单位的设备、人员进行管理、历史数据统计等日常行政工作，很大程度的实现了桥梁管养单位的办公自动化。其包括主界面模块、趋势图模块、记录管理模块、人员管理模块、设备管理模块、更换皮肤模块、历史数据统计模块、帮助模块等子模块。
[0046] 视频服务模块包括网络视频监控、交通数据管理、系统电力组态监控等功能，可以实现对大桥各主要构件进行视频监控，对大桥上个车道进行监控，并可根据车型、车速、车重、车轴等相应数据进行查看和交通管制，实现对桥上各个采集站实时监测其供电状况。
[0047] 其中的数据采集主要任务是按照终端的要求，在各类传感测试、采集硬件的支持配合下对设备进行驱动，采集大桥的环境数据、动态交通数据以及结构静态、动态响应等信号，并将信号转化为物理量数据。将这些信号数据一方面通过光纤实时传送到监控中心监视终端；另一方面以数据文件形式存储在本地，以供监控中心数据存储终端下并利用数据库统一管理。
[0048] 软件运行在实时
操作系统下，以保证底层数据采集工作的最大可靠性和实时性。传感器的布点要根据桥型来具体确定。
[0049] 数据采集后需要进行预处理，该部分会被安装在大桥的数据采集站中，采集站数据采集软件通过光纤以太网实时将监测数据传给监控中心的数据传输、处理与控制软件，并能响应监控中心数据库服务器上FTP原始数据下载软件的
请求，提供FTP服务，供定期下载。数据采集、预处理部分属于该软件系统的最底层部分，直接与采集站数据采集和信号调理硬件模块交互。
[0050] 数据传输、处理与控制模块安装在监控中心数据处理和控制服务其上，直接与远程数据采集终端对接。该部分主要实现原始测试数据的传输、显示、预处理以及对远程数据采集终端的控制功能。其应该与3D动画模型设备管理模块安装在同一个服务器上，该模块通过以工业以太网从远程数据采集站数据采集、并可以向远程数据采集站发送控制命令。另外，数据传输、处理与控制模块将实时监测数据汇总后发给实时显示、预警模块，同时将实测数据写进数据库
应用软件中的3D动画临时表盒趋势图表当中。
[0051] 软件系统的结构安全评估功能被安装在结构健康评价服务器和视频服务器中，可以自动生成大桥的报表内容，并可自动进行数据信息的自动归纳
整理，自动生成评估计算所需的输入文件，可以通过大桥结构动力测试数据进行结构的模态分析，得到结构的特征值，最后通过损伤指标实现结构的损伤识别分析，以及完成对大桥各种状况的评估和建议功能。而评估结果的准确性取决于输入的数据，不排除由于传感器自身故障而产生的不真实数据，因此在需要对输入数据进行可靠性检查。对于计算出的结果涉及到桥梁专业知识，需要桥梁专业人员对结果进行评判和分析。
[0052] 结构预警前台用户界面模块被安装在监控中心结构健康评价工作站中，主要为使用人员提供一个友好、高效的界面操作环境。他与结构健康实时显示、预警软件安装在同一服务器上并且同时运行。实时显示、预警功能主要实现系统各监测项目，包括环境因素、荷载源及桥梁结构相应的实时显示以及在异常情况下的预警功能。它通过监控中心内的以太网从数据处理与控制服务器上接受实时数据，进行系统各监测项目信号的实时显示，并进行必要的处理，在异常情况下及时报警。通过连接到监控中心数据库服务器进行监测项目预警历史的查询。
[0053] 由于系统数据量很大，数据信息的种类繁多，结构复杂，有多个系统共享数据信息，同时既要支持分布式的处理与
访问，又要支持多并发用户的操作，数据的安全性即为重要。通过建立系统的中心数据库系统，统一管理与组织数据信息，给系统的而维护与管理提供便利，也为各应用子系统提供可靠的分布式数据交互与存储平台。系统共包括监测和分析、系统资料、系统操作记录、分析结果和报告等数据库。
[0054] 监测和分析数据库用来保存和管理各个信号源原始数据文件，数据流程为：从采集站把原始数据的文本文件以FTP方式下载到中心数据库服务器上并且把文本文件的保存路径以及特征值保存到监测和分析数据库中，结构安全评估模块和结构预警前台用户界面模块从其中读取数据。
[0055] 分析结果和报告数据库用来存储和管理报表信息，他从结构安全评估模块将系统的各个分析报告以及分析结果进行保存。
[0056] 系统操作记录数据库用来存储和管理系统人员信息、系统日志以及与3D界面有关的实时数据。他从数据传输处理与控制模块、结构安全评估模块、实时现实语境模块和结构健康预警前台用户界面模块中将相关信息进行保存。
[0057] 系统资料数据库用于存储和管理整个系统所有硬件信息资料，将系统以及各构件参数在此进行保存。
[0058] 在本系统被使用时，系统可以通过外场传感器等设备对悬索桥结构实时数据进行采集，采集被上传后进过处理、解算、过滤等操作后其各项数据分别在前台进行数据展示以使用户可以实时掌握大桥结构运行状况。本系统除对大桥状况实时监测外实现了对大桥结构状况评估、大桥信息管理、大桥巡检管理等一系列日常工作。辅助用户全方位的掌握桥梁结构状况。
[0059] 以上对本发明所提供的基于以太网的跨海悬索桥检测系统进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述。
[0060] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
