一种基于AIoT的桥梁运行实时监测系统及其监测方法

摘要

本发明提供了一种基于AIoT的桥梁运行实时监测系统，包括信息采集终端，还包括与所述信息采集终端互联的数据处理分析模块、物联网平台、在线监测显示平台；所述信息采集终端包括控制单元以及与所述控制单元互联的传感器检测模块和无线传输模块；所述数据处理分析模块采用的是云服务器，所述云服务器包括趋势预测模块，或/和预警模块，或/和数据处理评估模块。本发明公开了一种基于AIoT技术的桥梁运行实时监测系统，能对桥梁的运行状况进行实时监测和智能评估。

说明书

技术领域

本发明涉及监测领域，具体涉及一种基于AIoT(人工智能物联网)的桥梁运行实时监测系统及其监测方法。

背景技术

近年来，我国的公路建设事业迈入了一个新的发展阶段，而作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到了飞速的发展，一座座技术复杂、设计结构新颖、科技含量高和施工难度大的大跨度桥梁的相继建成，标志着我国大跨度桥梁建设己进入一个新的辉煌时期，并成功跻身于世界先进行列。然而大型桥梁通常会面临超负载、自然灾害和重大交通事故等威胁，使得容易发生各种不同程度的损伤。目前，桥梁养护管理通常为定期可见建筑面检查，而桥梁内部结构的破坏和临界反应往往发生在人为不可接近的地方或隐蔽的地方，因此，对桥梁整体健康状况的监测显得尤为重要。

由于各种自然因素和人为因素，桥梁在使用过程中难免遭受各种损伤与侵蚀，近年来，桥梁局部破坏和坍塌事故频发，造成的损失无法估量，桥梁安全问题日益受到关注。

目前，国外在桥梁监测方面，如北美、西欧、亚洲等国家通过多样的方式对桥梁进行监测和评估，实时获取桥梁的温/湿度、桥面负载、应力变化，并通过传感网络和数据融合等技术建立自动监控网络。但是现有的桥梁监控系统方案都没有真正应用物联网技术，大多数监测系统只是对传统变形监测进行技术改进，存在系统集成性不强、在传感数据获取和智能管理方面不够完善的问题。

因此，要采取合适高效的监控手段，实时监测桥梁自身状态与环境等信息，不受时间空间限制，且在有异常时及时预警，以便维护人员对桥梁进行及时的维修和养护，保证桥梁运行安全。而传统的桥梁运行监测解决方案侧重于维护人员利用监测设备实地对桥梁的状态进行测量，再对采样获得的数据进行分析，生成相关的结构健康报告，缺少实时性，无法进行远程控制和数据采集的工作，运营和维护成本较高，且对危险的预警不够及时。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于AIoT技术的桥梁运行实时监测系统，对桥梁的运行状况进行实时监测和智能评估，并能实现监测预判和预警维护的功能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于AIoT的桥梁运行实时监测系统，包括信息采集终端，其特征在于：还包括与所述信息采集终端互联的数据处理分析模块、物联网平台、在线监测显示平台；所述信息采集终端包括控制单元以及与所述控制单元互联的传感器检测模块和无线传输模块；所述数据处理分析模块采用的是云服务器，所述云服务器包括趋势预测模块，或/和预警模块，或/和数据处理评估模块。

本发明一个优选的实施方案中，所述传感器检测模块包括应力应变传感器、振动传感器、倾角传感器、温湿度传感器、风向风速传感器、加速度传感器、索力传感器、位移传感器中的一种或多种。

本发明一个优选的实施方案中，所述在线监测显示平台中包括实时监测功能部、状态评估功能部、安全预警功能部、查询功能部、趋势预测功能部中的一种或多种。

本发明一个优选的实施方案中，桥梁监测web系统将所述信息采集终端、数据处理分析模块、物联网平台、在线监测显示平台实现互联，所述桥梁监测web系统采用的是MVC3层框架模型；所述MVC3层框架模型包括业务模型层、指用户视图界面层、控制器层；所述业务模型层包括包含业务层、数据访问层、持久层。

本发明一个优选的实施方案中，所述数据处理评估模块和预警模块的数据处理分别采用逻辑回归式数据处理实现数据处理；

所述逻辑回归式数据处理如下；

所述数据处理模块从物联网平台接收到各项参数后，对于预测函数z＝θ

其中，x为获取的桥梁的检测参数；θ为与所述x中对应的每个参数的权重；x

本发明一个优选的实施方案中，引入代价函数Cost计算预测值和标签值的方差；

其中，z为中间预测函数，h

本发明一个优选的实施方案中，将若干个样本的代价函数Cost取平均，即样本的损失函数

预测值为

本发明一个优选的实施方案中，一种基于AIoT的桥梁运行实时监测系统的监测方法，包括以下步骤；

步骤一；通过信息采集终端采集得到的桥梁运行时的实时参数数据；

步骤二；通过数据处理分析模块接收物联网平台发送的参数数据后立即存入数据库进行存储和备份，并实时转发至在线监测显示平台；

再调用数据处理评估模块、预警模块和趋势预测模块对参数数据进行分析、评估和预测，获取桥梁的运行状态，将运行状态发送至在线监测显示平台；

同时数据处理分析模块还能用于接收在线监测显示平台发送的数据查询请求；

步骤三；在线监测显示平台用于展示数据处理分析模块发来的实时参数数据或/和实时参数数据经数据处理后得到的桥梁的运行状态；

或/和，在线监测显示平台用于查询参数数据、运行状态、趋势预测中的一种或多种。

本发明一个优选的实施方案中，所述在线监测显示平台中的实时监测功能部用于展示传感器检测模块采集得到的各项实时数据；状态评估功能部用于展示当前桥梁运行的等级或程度；安全预警功能部用于在监测数据或评估结果超过设置阈值时发出报警信息；查询功能部用于展示需查询信息的反馈结果；趋势预测功能部用于展示各状态参数及桥梁健康情况的变化趋势。

本发明一个优选的实施方案中，所述数据处理分析模块的云服务器接收到物联网平台发送的采集的数据后立即连接数据库进行存储和备份，并实时转发至在在线监测显示平台实现在线监控数据，再调用数据处理评估模块对原始数据进行处理分析，将处理后的数据与标准值比对判定桥梁实时运行状态，将评估结果存储至数据库并发送至在在线监测显示平台；再调用预警模块，如评估结果超出设置阈值则发出预警信息；并调用趋势预测模块，对未来各个状态参数及桥梁运行状态的变化进行预测。

本发明解决了技术背景中存在的缺陷，本发明有益的技术效果是：

本发明公开的基于AIoT技术的桥梁运行实时监测系统，对桥梁的运行状况进行实时监测和智能评估，并能实现监测预判和预警维护的功能。

1、本发明提供的桥梁运行监测系统基于物联网技术实现，可对影响桥梁运行状态参数实时监测，实现数据的实时高速透明传输，并降低人工成本与功耗。

2、基于智能分析处理，提高速度和精度，实现精准的实时状态评估及预测，有异常时及时预警，以保证桥梁在运营过程中的健康和安全。

3、本发明的技术方案具有良好的系统集成性，将多种传感器与MCU模块和NB-IoT模块集成与无线传输终端互联，提供了更高的灵活性、安全性和可靠性；实现了物联网与智能分析的结合，解决了物联网中海量复杂数据分析处理困难的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中基于AIoT的桥梁运行监测系统概况示意图；

图2是本发明实施例中的一种基于AIoT的桥梁运行实时监测系统的结构示意图一；

图3是本发明实施例中的云服务器工作流程示意图一；

图4是本发明实施例中的数据分析处理工作过程；

图5是本发明实施例中桥梁运行状态信息采集框架；

图6是本发明实施例中在线监测平台的监测界面示意图；

图7是本发明实施例中桥梁上的交通摄像头获取的监控车辆分布情况；

图8是本发明实施例中

图9是本发明实施例中的一种基于AIoT的桥梁运行实时监测系统的结构示意图二；

图10是本发明实施例中的云服务器工作流程示意图二；

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、底、顶等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1～图8所示，一种基于AIoT的桥梁运行实时监测系统，包括信息采集终端，还包括与所述信息采集终端互联的数据处理分析模块、物联网平台、在线监测显示平台。桥梁监测web系统将所述信息采集终端、数据处理分析模块、物联网平台、在线监测显示平台实现互联，所述桥梁监测web系统采用的是MVC3层框架模型；所述MVC3层框架模型包括业务模型层、指用户视图界面层、控制器层；所述业务模型层包括包含业务层、数据访问层、持久层。

具体的，信息采集终端包括由供电电源供电的控制单元以及与所述控制单元互联的传感器检测模块和无线传输模块；传感器检测模块包括应力应变传感器、振动传感器、倾角传感器、温湿度传感器、风向风速传感器、加速度传感器、索力传感器、位移传感器中的一种或多种。

进一步的，倾斜传感器；采集到的桥梁的倾斜角度，获取桥梁沉降程度。桥梁的倾斜角度和沉降程度对于桥梁结构和受力有着十分重要的影响。水位传感器；桥梁下方的河流水位发生变化时，特别当桥梁设施所在区域发生了特大的暴雨洪水,海啸等灾害,使得桥梁水环境发生了变化,水位明显升高,会增加了桥梁结构遭受偶然动力荷载破坏的风险，所以要定期乃至实时采集水位信息，提高系统的预警能力。风速风向传感器；风速传感器和风向传感器采集的是桥梁所处环境的风速风向。因为成桥后风荷载是桥梁结构的主要动力荷载之一，在风荷载作用下，桥梁的主要构件索、梁和塔都将产生振动，引起疲劳损伤累积，导致桥梁抗力衰减，所以通过监测风速、风向，统计最大风速值、风荷载脉动特性及风功率谱密度等，能够得出结构的风与结构响应关系，从而对结构进行风致振动的分析。温湿度传感器；通过环境温度的监测，可以分析环境温度对振动特性的影响，以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确，也可以预测可能出现的极限环境温度荷载。同时，空气湿度对结构的耐久性影响也较大。在不同温度与湿度的状态下，桥梁的健康数据会受到微弱的影响，随着温度的升高，动力特性会有一定的增加，增加的程度与桥梁种类、结构和材料有关，尤其是在昼夜温差很大的地区。温湿度传感器采集的温湿度数据为桥梁结构受力和分析提供稳定的参考量。加速度传感器；桥梁结构的振动特性包括结构的固有频率、振型、位移模态、桥梁的振动水平振动幅值等，反映桥梁的安全运营状态。如图6所示，通过测量桥梁振动的加速度信号，得到桥梁结构的固有频率，并且进行二次积分可以得到桥梁的位移信息。除了传感器采集桥梁健康状况信息外，通过调用桥梁两端已有的交通摄像头结合目标检测算法(yolo)能够对桥上车辆的数量和类型进行高精度的测量。从车辆的类型可以得到车辆重量近似值，加权求和就是桥梁当前的总承重。并通过桥梁上的交通摄像头监控车辆分布情况，分析桥梁的负载情况及其对桥梁的结构影响状况。

表1 传感器检测模块中的传感器类型及性能作用

进一步的，无线传输模块通过NB-IoT通信模块将传感器检测模块的数据传输到物联网平台OneNET。更具体的，NB-IoT模块选用低功耗的M5310-A模组。采用的NB-IOT模块是中移物联网公司的M5310-A，M5310-A是一款工业级单模NB-IoT模组，网络频段支持Band3、Band5和Band8。它主要应用于低功耗的数据传输业务,满足3gppRelease14标准。M5310-A是LCC封装的贴片式模组，30个管脚，尺寸仅有19mm×18.4mm×2.2m，内嵌LwM2M/MQTT/TCP/UDP/COAP/HTTP等数据传输协议及扩展的AT命令。该模组采用了低功耗技术，电流功耗在PSM模式下低至3uA，是一个比较理想的数据通信芯片。NB-IOT是专门为物联网定制的通信协议，具有普通联网的功能和功耗低的特点，资费低，OneNET平台是移动公司专门为物联网应用打造的平台，能够满足海量设备的高并发快速接入，基于分布式云存储、消息对象结构、丰富的数据调用接口能够实现数据高并发读、写库操作，有效保障数据的安全。

具体的，数据处理分析模块采用的是云服务器。云服务器包括预警模块和数据处理评估模块。数据处理评估模块和预警模块的数据处理分别采用逻辑回归式数据处理实现数据处理。逻辑回归是一个典型的分类算法，由于其具有高度的可解释性，可以根据训练出来的模型判断各个参数的权重，即其重要程度，也可在分类完成后通过模型判断参数对结果的影响情况。因此，使用逻辑回归可以在桥梁运行监测系统中分析出桥梁多个方面的参数数据对桥梁运行健康情况的影响程度，以及在分析完桥梁健康情况后判断多个参数对结果的影响程度。因此发挥了逻辑回归的巨大优势；由于桥梁监测系统的特征数相对于其他系统来说较少，因此避免了逻辑回归对于特征数较多的数据的分析效果不好的缺点。

逻辑回归式数据处理如下；所述数据处理模块从物联网平台接收到各项参数后，对于中间预测函数z进行入参。

z＝θ

其中，x为获取的桥梁的检测参数；θ为与所述x中对应的每个参数的权重；x

然后，引入代价函数Cost计算预测值和标签值的方差；

其中，z为中间预测函数，h

本发明一个优选的实施方案中，将将若干个样本的代价函数Cost取平均，即样本的损失函数

预测值为

具体的，在线监测显示平台中包括实时监测功能部、状态评估功能部、安全预警功能部、查询功能部。

实施例二

如图1、图4～图10所示，在实施例一的基础上，云服务器包括趋势预测模块和预警模块和数据处理评估模块。在线监测显示平台中包括实时监测功能部、状态评估功能部、安全预警功能部、查询功能部、趋势预测功能部。根据数据处理评估模块和预警模块的数据处理分别采用逻辑回归式数据处理实现数据处理，通过获取的参数提供给趋势预测模块。

逻辑回归常用于二分类问题，但是经过sigmoid函数即

预测值为

预测值h

表二 事故发生概率等级分级表

其中，当概率值难以取得时，可以用频率代替概率；中心值代表所给区间的对数平均值。根据概率的等级与桥梁工程风险等级进行对应。

实施例三

如图1～图10所示，一种基于AIoT的桥梁运行实时监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤一；通过信息采集终端采集得到的桥梁运行时的实时参数数据。

步骤二；通过数据处理分析模块接收物联网平台发送的参数数据后立即存入数据库进行存储和备份，并实时转发至在线监测显示平台；再调用数据处理评估模块、预警模块和趋势预测模块对参数数据进行分析、评估和预测，获取桥梁的运行状态，将运行状态发送至在线监测显示平台；同时数据处理分析模块还能用于接收在线监测显示平台发送的数据查询请求。

具体的，数据处理分析模块的云服务器接收到物联网平台发送的采集的数据后立即连接数据库进行存储和备份，并实时转发至在在线监测显示平台实现在线监控数据，再调用数据处理评估模块对原始数据进行处理分析，将处理后的数据与标准值比对判定桥梁实时运行状态，将评估结果存储至数据库并发送至在在线监测显示平台；再调用预警模块，如评估结果超出设置阈值则发出预警信息；并调用趋势预测模块，对未来各个状态参数及桥梁运行状态的变化进行预测。

步骤三；在线监测显示平台用于展示数据处理分析模块发来的实时参数数据或/和实时参数数据经数据处理后得到的桥梁的运行状态；或/和，在线监测显示平台用于查询参数数据、运行状态、趋势预测中的一种或多种。

具体的，在线监测显示平台中的实时监测功能部用于展示传感器检测模块采集得到的各项实时数据；状态评估功能部用于展示当前桥梁运行的等级或程度；安全预警功能部用于在监测数据或评估结果超过设置阈值时发出报警信息；查询功能部用于展示需查询信息的反馈结果；趋势预测功能部用于展示各状态参数及桥梁健康情况的变化趋势。

以上具体实施方式是对本发明提出的方案思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。