[發明專利]一種基于PSD算法的低功耗實時振動監控系統和方法

在審

• 申請號: 201310689446.5
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103698003A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 丁德寶;季錦章;沈慶宏;戴鵬飛;陳紅梅;丁華平;張勇;都思丹
• 申請（專利權）人: 南京大學;江蘇省交通規劃設計院股份有限公司;南京金曉電子信息有限公司
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G06F19/00;H04L29/06
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發明涉及基礎設施結構安全狀態的應急監測和預警控制技術，具體涉及一種應用于重大基礎設施結構健康監測的低功耗實時振動監控系統。

背景技術

橋梁、隧道等重大基礎設施在運營期內期由于材料老化，其結構性能將不斷退化，導致其安全性不斷降低；與此同時，各種自然災害（臺風、洪水、地震）、人為災害（交通事故、恐怖活動）以及持續的交通荷載也將導致基礎設施結構產生各類損傷，可能產生基礎設施突然垮塌事故，危害公共安全，造成國家、人民生命財產損失。此外，在對基礎設施進行養護過程中，因為缺乏設施結構的實時數據信息，養護過程往往代價很大，卻收效甚微。因此，通過對基礎設施結構狀況進行實時監控，獲得基礎設施結構的狀態信息，能夠在基礎設施結構處于不安全狀態時立即發出預警信號，從而及時采取措施。在對基礎設施進行養護時，能夠確切判斷出基礎設施的損傷位置，損傷情況，使得養護措施能夠更加精確，更加有效，不僅能夠提高基礎設施運營安全，還能夠大幅降低養護費用。

目前我國大部分重大基礎設施如橋梁等，都部署了結構健康監測系統，一般都包括對振動信息的監控。然而，目前已經實施的用于基礎設施結構監測系統的振動監控裝置均存在一系列局限性，其一，抗干擾能力差，基礎設施結構健康監測系統通常運行在復雜的外界環境中，在各種因素的影響下，梁結構健康監測系統總是受到噪聲的干擾，結構的大量狀態信息淹沒在噪聲之中，導致損傷識別率偏低，使得無法直接通過采樣信號準確識別結構損傷；其二，供能受限，系統壽命較短。針對基礎設施結構狀態的監控，往往需要采集的數據量巨大，在數據處理和傳輸過程中，能耗非常多，而受限于結構健康監測環境，很多振動監控系統往往需要電池供電，而在基礎設施運營期間，對結構健康監測系統進行電池更換是非常不方便的，這就使得設備的工作壽命大大縮短；其三，無法做到實時監控。受限于能耗和設備運行穩定性，目前應用于基礎設施結構健康監測領域的振動監控系統無法做到對結構狀態的實時監控。

因此，針對復雜環境的重大基礎設施結構健康監測，需要一種全新的振動監控系統，能夠滿足監控現場低功耗、低噪聲、實時監控的要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種應用于重大基礎設施結構健康監測的振動實時監控系統和方法。針對前述振動監控系統存在的問題，設計一種新型的應用于重大基礎設施結構健康監測的振動實時監控系統。該系統的特點是，低噪聲、低功耗、能夠實現實時監控，適用于復雜環境的重大基礎設施結構安全監測。

本發明的目的是這樣實現的，一種基于PSD算法的低功耗實時振動監控系統，包括傳感采集模塊，數據處理模塊，數據通信模塊，和電源模塊；

所述傳感采集模塊，對基礎設施結構關鍵點的振動信息進行數據采集，將采集到的三維方向加速度模擬數據信號進行處理，輸出一組三維方向的加速度數值；

所述數據處理模塊，對傳感采集模塊中輸出的三維方向的加速度數值進行預處理，并采用PSD對數據進行計算，得出一組功率譜密度數據，再對這組數據進行數據打包，輸出一組通信協議格式的數據包；

所述數據通信模塊，將數據處理模塊中打包好的數據發送至網絡設備；

所述電源模塊，為整個系統提供穩定的直流電壓。

所述傳感采集模塊利用低噪聲加速度傳感器對基礎設施結構關鍵點的振動信息進行數據采集，并對采集到的三維方向加速度模擬數據信號以電壓的形式進行放大、濾波處理后，再按10-280Hz的采樣頻率進行A/D轉換，轉換成三維方向的加速度數值輸出。

本發明的改進是：所述傳感采集模塊中的三維方向加速度模擬數據信號采集方法：采用三片M1221芯片，相互垂直焊接，X、Y、Z三個方向的加速度數據被獨立采集，并通過不同的通道發送至核心芯片進行處理，形成一個三維方向的加速度采集系統。

所述傳感采集模塊中對基礎設施結構關鍵點的振動信息進行數據采集是連續的；所述傳感采集模塊接受數據處理模塊的配置參數，所述參數包括采樣頻率、濾波器截止頻率。

所述電源模塊的電源可以是電池供電、太陽能供電和風力供電中的一種或兩種以上的組合。

所述數據通信模塊采用TCP/IP協議與網關設備有線連接發送數據，或者采用Zigbee協議與基站設備進行無線通信發送數據；所述數據通信模塊傳輸過程中采用統一的數據格式，所述數據格式包括數據標識、時間戳、加速度方向、傳感數據域。