基于物联网的桥梁安全监测系统研究与设计

摘要

桥梁作为国家重要的基础设施，其承载着巨大的交通运输压力，桥梁的安全运营离不开可靠的安全监测。目前我国的桥梁监测还是以人工监测为主，已有的一些监测系统也大多为有线网络系统，其安装布线困难，节点智能化程度低，系统容灾性差，线路损坏易导致整个监测系统失效。
　　将物联网技术应用于桥梁安全监测中，能够实现监测任务的智能化，保证数据的实时性。为此，本文设计了一种基于物联网的桥梁安全监测系统，与传统的桥梁监测系统相比，该系统具有远程智能监测、及时分析预警、低能耗、可靠性高、安装方便等优势。本论文针对感知层的网络连通性和系统的冗余监测进行了研究，并给出了桥梁监测系统的整体框架以及软件设计方案，本文的主要工作如下:
　　1.研究设计桥梁监测中的ZigBee网络连通性增强算法。监测系统的感知层通过ZigBee技术进行网络通信，针对ZigBee技术地址分配机制带来的连通性低的缺陷，研究设计了一种连通性增强算法，主要通过链路变化来实现拓扑重构，其中包含降低深度算法、节点转移算法、节点置换算法，通过仿真试验验证了该算法的有效性。
　　2.设计桥梁安全监测的自调度策略。结合桥梁监测自身的特点和监测指标，针对采集的数据量大、能耗高等问题，设计了一套适用于桥梁安全的自调度监测机制。首先对桥梁的监测项和安全状态进行分级，并以实时监测的桥梁安全状态为依据，在必要的时刻启动相应的监测项，减少冗余监测，降低能耗。整个自调度策略包含监测模式调节、触发项调节和过载调节三部分内容
　　3.设计基于物联网的桥梁安全监测系统方案。根据桥梁结构特点，给出桥梁监测指标、传感器部署位置以及节点设备，设计出面向物联网的桥梁安全监测系统整体架构，然后给出系统功能，并对整个系统的软件框架进行了描述。为验证本文所设计的桥梁安全监测系统的有效性与可靠性，在某桥上进行了初步试验，结果表明本系统实现了数据的实时采集和桥梁安全状态展示，并能够及时预警。
　　本文将物联网技术运用到桥梁安全监测中，提出了一种智能高效的桥梁安全监测方案，针对提高网络连通性、减少冗余监测、降低能耗等目标进行了研究，并给出了整个系统的设计方案和系统初步运行结果，实现了桥梁的安全监测和预警，对结构物安全监测网络化、智能化有一定借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 桥梁安全监测的概述及发展现状

1．2．1 桥梁安全监测的概述

1．2．2 桥梁监测的发展现状

1．3 研究内容

1．4 论文结构

第二章 物联网和ZigBee技术

2．1 物联网的发展现状及应用

2．1．1 物联网发展现状

2．1．2 物联网应用

2．2 物联网体系架构

2．2．1 物联网应用组织结构

2．2．2 物联网三层结构

2．3 ZigBee技术分析

2．3．1 ZigBee概述

2．3．2 ZigBee组网方式

2．3．3 ZigBee协议栈

2．4 本章小结

第三章 桥梁监测中ZigBee网络连通性增强算法

3．1 ZigBee连通性问题

3．1．1 连通性问题描述

3．1．2 相关工作

3．2 网络模型与定义

3．3 连通性增强算法总体设计

3．4 连通性增强算法详细设计

3．4．1 降低深度算法

3．4．2 节点转移算法

3．4．3 节点置换算法

3．5 实验仿真与分析

3．6 本章小结

第四章 桥梁安全监测系统的自调度策略

4．1 桥梁监测中的冗余监测问题

4．2 系统自调度策略基础

4．2．1 桥梁监测项分级

4．2．2 桥梁安全状态分级

4．3 系统自调度策略总体方案

4．4 系统自调度策略详细设计

4．4．1 监测模式调节

4．4．2 触发项调节

4．4．3 过载调节

4．5 自调度策略实验结果分析

4．6 本章小结

第五章 基于物联网的桥梁安全监测系统方案

5．1 面向物联网的监测系统架构

5．2 监测指标及节点设备

5．2．1 监测指标

5．2．2 节点设备

5．3 桥梁安全监测系统软件设计

5．3．1 用户侧系统功能

5．3．2 监测系统软件框架

5．3．3 监测系统软件流程

5．4 系统运行结果

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文和参与的科研项目