[发明专利]一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统

权利要求书

1.一种基于大数据的大跨度桥梁安全性能实时监测系统，其特征在于：包括检测区域划分模块、承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块、建模分析模块、参数数据库、中央服务器、预警模块和显示终端；

所述承重压力检测模块与检测区域划分模块连接，建模分析模块分别与承重压力检测模块、风力参数采集模块、变形位移监测模块、水流冲击参数检测模块和参数数据库连接，中央服务器分别与建模分析模块和参数数据库连接，预警模块与中央服务器连接，显示终端与中央服务器连接；

所述检测区域划分模块，用于对桥面承重压力检测区域进行划分，按照桥面从桥头到桥尾的矩形区域，划分为若干面积相同且相互连接的检测子区域，若干检测子区域按照预设的顺序进行编号，依次标记为1,2,…,i,…,n；

所述承重压力检测模块，包括若干压力检测设备，其均匀布置在各检测子区域对应的桥底处，用于以固定时间段采集各检测子区域桥面所受的承重压力，并将采集的各检测子区域桥面所受的承重压力值发送至建模分析模块；

所述风力参数采集模块，包括风向传感器和风速传感器，其安装在桥板侧面，用于采集桥板侧面受到的风向角度和风速，并将采集的风向角度和风速发送至建模分析模块；

所述变形位移监测模块，包括若干水准仪，用于检测桥面纵波的变形位移量，其变形位移监测包括以下几个步骤：

S1：监测点设置，桥面监测点沿行车道两边设置，将桥头至桥尾的距离L均匀等分为四段，其监测点位置沿着桥头至桥尾的方向依次为桥头支点、L/4点、跨中点、3L/4点、桥尾支点，监测点均固定于桥面板上；

S2：监测点高程计算，将水准仪分别安置在桥面各个监测点位置处，提供各个监测点的水平视线，其各个监测点的监测在统一的温度范围内进行，通过读取水准仪上前、后示数，计算桥面各监测点高程h_j＝s_j2-s_j1,h_j表示为第j个监测点高程，j表示监测点，j＝g1,g2,g3,g4,g5,g1,g2,g3,g4,g5分别表示为桥头支点、L/4点、跨中点、3L/4点、桥尾支点，s_j2表示为j个监测点水准仪后示数，s_j1表示为j个监测点水准仪前示数，以固定时间间隔重新读取各监测点水准仪前、后示数，计算桥面各监测点二次高程h′_j＝s′_j2-s′_j1，h′_j表示为第j个监测点二次高程，s′_j2表示为固定时间间隔后第j个监测点水准仪后示数，s′_j1表示为固定时间间隔后第j个监测点水准仪前示数；

S3：变形危险系数统计，将计算的各监测点高程与各监测点原始高程值进行差值对比，得到各监测点变形位移量，其次将各监测点二次高程与各监测点原始高程值进行对比，得到各监测点二次变形位移量，根据各监测点变形位移量和二次变形位移量，统计各监测点相对变形位移，并对各监测点相对变形位移求其平均值，与预设的安全相对变形位移进行比较，若大于预设的安全相对变形位移，其变形危险系数χ取0.8，若小于预设的安全相对变形位移，其变形危险系数χ取0.3，变形位移监测模块将统计的变形危险系数发送至中央服务器；

所述水流冲击参数检测模块，用于对流经墩柱各个侧面的的水流速度和水流深度进行检测，所述水流冲击参数检测模块包括若干水流速度检测单元和若干水流深度检测单元，水流速度检测单元采用流速传感器，水流深度检测单元采用水深传感器，其分别放置在墩柱各个侧面与水面接触的位置，所述流速传感器用于检测流经桥梁墩柱各个侧面的水流速，所述水深传感器用于检测流经桥梁墩柱各个侧面的水深度，墩柱各个侧面包括前侧面、后侧面、左侧面和右侧面，所述前、后侧面是与桥面长度垂直的一面，所述左、右侧面是与桥面宽度垂直的一面，水流冲击参数检测模块将检测的流经墩柱各个侧面的水深度和水流速度发送至建模分析模块；

所述参数数据库存储桥面安全承重压力值和各承重压力危险等级对应的承重压力危险系数ξ1,ξ2,ξ3，存储安全承受风力阈值，存储安全水流冲击力阈值，存储桥板的基板参数，存储墩柱的基本参数，存储桥板空气阻力系数，并存储各类别桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值；

所述建模分析模块，用于接收承重压力检测模块发送的各检测子区域桥面所受的承重压力，统计第t个时间段内桥面所受的总承重压力p_ti表示为第t个时间段内第i个检测子区域的承重压力值，与预设的桥面安全承重压力值进行对比，所述预设的桥面安全承重压力值包括第一安全承重压力值和第二安全承重压力值，若小于第一安全承重压力值，其承重压力危险等级为一级，若大于第一安全承重压力值小于第二安全承重压力值，其承重压力危险等级为二级，若大于第二安全承重压力值，则承重压力危险等级为三级，建模分析模块将桥面的承重压力危险等级发送至中央服务器；

建模分析模块，接收风力参数采集模块发送的风速和风向角度，提取参数数据库中桥板基板参数中的长度和厚度，计算桥板侧面的迎风面积，记为s,s＝d*e，d表示为桥板的长度，e表示为桥板的厚度，进而统计桥板侧面所受的纵向风力,与预设的安全承受风力阈值进行比较，得到对比差值，并发送至中央服务器；

建模分析模块接收水流冲击参数检测模块发送的流经墩柱各个侧面的水深度和水流速度，并提取参数数据库中墩柱的长度和宽度，计算墩柱各个侧面的水流冲击面积，墩柱各个侧面的水流冲击面积构成水流冲击面积集合W_k(w₁,w₂,w₃,w₄),k表示为冲击面，k＝1,2,3,4，其中w₁表示为墩柱前侧面水流冲击面积，w₂表示为墩柱后侧面水流冲击面积，w₃表示为墩柱左侧面水流冲击面积，w₄表示为墩柱右侧面水流冲击面积，w₁＝a*h₁，w₂＝a*h₂，w₃＝b*h₃，w₄＝b*h₄，a表示为墩柱的长度，b表示为墩柱的宽度，h₁、h₂、h₃、h₄分别表示为流经墩柱前侧面、后侧面、左侧面、右侧面的水深度，根据墩柱各个侧面的水流冲击面积，统计墩柱各个侧面水流冲击力，将墩柱各个侧面水流冲击力进行叠加统计进而得到墩柱受到的水流冲击力，并发送至中央服务器；

所述中央服务器接收建模分析模块发送的承重压力危险等级，并提取参数数据库中各承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，筛选该承重压力危险等级对应的承重压力危险系数，同时，中央服务器接收建模分析模块发送的墩柱受到的水流冲击力和桥板侧面所受的纵向风力与预设的安全承受风力阈值对比差值，接收变形位移监测模块发送的变形危险系数，统计桥梁综合安全系数，中央服务器将统计的桥梁综合安全系数与各类别的桥梁综合安全系数阈值进行对比，若统计的桥梁综合安全系数小于一类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值，则该桥梁属于一类桥，若统计的桥梁综合安全系数在二类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于二类桥，若统计的桥梁综合安全系数在三类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于三类桥，中央服务器发送一级预警控制指令至预警模块，若统计的桥梁综合安全系数在四类桥梁对应的桥梁综合安全系数阈值内，则该桥梁属于四类桥，中央服务器发送二级预警控制指令至预警模块；同时，中央服务器将桥梁综合安全系数发送至显示终端；

所述预警模块用于接收中央服务器发送的预警控制信号，进行不同级别的预警；

所述显示终端用于接收中央服务器发送的桥梁综合安全系数，并进行显示。