智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測技術(shù)

0 引 言

近十幾年來，作為保障大型工程結(jié)構(gòu)安全的有效措施， 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究與應(yīng)用取得了長足發(fā)展。中國很多大 跨橋梁，例如舟山西堠門大橋、虎門大橋、江陰長江大橋等， 都安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，針對溫度、車輛荷載、應(yīng)變、撓度、 拉索振動(dòng)、主梁振動(dòng)等參量進(jìn)行長期監(jiān)測與評定 [1]。結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)日臻成熟。但是，同樣也存在一些需要考慮完 善的問題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)目前大部分安裝在大型工程結(jié) 構(gòu)中，如大跨橋梁，大壩，超高層結(jié)構(gòu)，海洋平臺(tái)等，需要昂 貴的傳感系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，同時(shí)需要專 業(yè)人員來實(shí)施操作。然而，對于一些小型的工程結(jié)構(gòu)，由于 其造價(jià)高、專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)限制，則很少進(jìn)行監(jiān)測。開發(fā)適用 于普通群眾參與的低成本、零成本、快速、簡單、便捷的監(jiān) 測技術(shù)十分必要 [2]。

智能手機(jī)作為目前發(fā)展最為迅速的一種通訊工具，已擁 有了技術(shù)先進(jìn)的硬軟件集成平臺(tái)，是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中非常重要的 一個(gè)環(huán)節(jié)。目前智能手機(jī)已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用，比如人體 的健康監(jiān)測 [3,4]、汽車碰撞 [5,,6]、家電控制 [7]、圖書館管理 [8]、 運(yùn)動(dòng)識別 [9-11] 等。智能手機(jī)內(nèi)置傳感、網(wǎng)絡(luò)通訊、計(jì)算分析及 存儲(chǔ)等功能，為其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用提供可能性。本 研究團(tuán)隊(duì)于 2011 年率先提出基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測 方法，并開展了系統(tǒng)的研究。首次將智能手機(jī)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測中，證實(shí)了其可行性與有效性 [12] ；應(yīng)用內(nèi)置傳感器和 研發(fā)手機(jī)外接傳感模塊成功測試結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)索 力的測量 [13-15] ；應(yīng)用內(nèi)置陀螺儀進(jìn)行傾角監(jiān)測，并用于星海灣 跨海大橋鋼桁梁吊裝監(jiān)測 [16] ；基于手機(jī)人機(jī)交互式界面開發(fā) 地震烈度、損傷統(tǒng)計(jì)分析軟件 [17,18] ；開發(fā)了基于視頻位移監(jiān)測 原理的智能手機(jī)位移監(jiān)測程序 D-Viewer，并在蘋果商店與安 卓 App 應(yīng)用平臺(tái)發(fā)布。2015 年 7月，在第 7 屆智能結(jié)構(gòu)健康 監(jiān)測國際會(huì)議（SHMII 2015）上組織了“智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康云 監(jiān)測與應(yīng)用”的專題峰會(huì) [18]。本文提出了基于智能手機(jī)的結(jié) 構(gòu)健康云監(jiān)測技術(shù)，并開發(fā)了結(jié)構(gòu)健康智能手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)獵 戶座云細(xì)胞（Orion CC）應(yīng)用于橋梁拉索索力測試中，測試結(jié) 果證明了該軟件的便捷性及高效性。并建立了結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù) 共享平臺(tái) www.cloudshm.com，此開放式平臺(tái)為數(shù)據(jù)上傳、共 享及實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)云計(jì)算提供了可能。

1 智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康安全云監(jiān)測構(gòu)架 

本文提出的基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康安全云監(jiān)測技術(shù)構(gòu) 架如圖 1 所示。該結(jié)構(gòu)包括感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、信息匯 聚層、數(shù)據(jù)加工層、診斷決策層和信息輸出層。

在人們的日常生活中，智能手機(jī)扮演著重要的角色，其內(nèi) 置傳感器、網(wǎng)絡(luò)與存儲(chǔ)功能可以為結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測技術(shù)的實(shí) 現(xiàn)提供可能。通過手機(jī)內(nèi)部傳感器獲得結(jié)構(gòu)或環(huán)境的一些參 數(shù)，例如地理位置信息、溫度、加速度、傾角、位移等，其交 互式界面也可應(yīng)用到地震烈度調(diào)查獲得烈度信息。因手機(jī)數(shù) 量龐大，只要有對應(yīng)的監(jiān)測軟件便可得到監(jiān)測信息，所以手機(jī) 的使用會(huì)使大眾參與式監(jiān)測成為可能。獲得數(shù)據(jù)后，通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器或網(wǎng)站，使監(jiān)測大數(shù)據(jù)匯聚。 然后對大數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，得到結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)改變情況。 進(jìn)而進(jìn)入診斷決策層，通過結(jié)構(gòu)物理特性的改變對結(jié)構(gòu)損傷 情況進(jìn)行評定，最后輸出結(jié)構(gòu)安全信息?；谳敵龅慕Y(jié)構(gòu)安 全或損傷信息，提供相應(yīng)的安全措施，并反饋至手機(jī)用戶端， 給予指導(dǎo)和幫助。

2 結(jié)構(gòu)健康智能手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng) Orion CC 

2.1 程序的設(shè)計(jì) 

結(jié)構(gòu)健康智能手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)以程序“獵戶座云細(xì)胞” 為基礎(chǔ)，該程序英文名為 Orion CC（Orion Cloud cell）。建立 在 iPhone 平臺(tái)上，可以調(diào)用手機(jī)內(nèi)部攝像頭、加速度傳感器、 陀螺儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得采集圖像、加速度和傾角等數(shù)據(jù)， 并可獲得地理位置信息。然后數(shù)據(jù)分析功能可以計(jì)算得到索 力測試所需參數(shù)。所有的采集數(shù)據(jù)和索力數(shù)據(jù)都可以通過網(wǎng) 絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)共享平臺(tái) www.cloudshm.com。目前，該程序已 發(fā)布至 App Apple store，可供用戶免費(fèi)下載。軟件下載地址為： https ：//itunes.apple.com/cn/app/orion-cc/id951253417?mt=8。

2.2 程序功能 

該程序的部分界面如圖 2 所示。圖 2（a）為該程序的主 界面，主要包括以下幾個(gè)功能 ： 

（1）當(dāng)前位置的采集，用來獲取當(dāng)前所做監(jiān)測的具體位 置信息。

（2）采集項(xiàng)目的建立，用來建立當(dāng)前所做測試的數(shù)據(jù)庫， 可進(jìn)行采集的項(xiàng)目如圖 2（b）所示。

（3）數(shù)據(jù)分析，對所建項(xiàng)目的加速度采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 可以得到加速度時(shí)程曲線及頻譜圖，通過選取不同階次的頻 率值計(jì)算頻差值如圖 2（c）所示。并結(jié)合索的參數(shù)，快速進(jìn) 行索力計(jì)算如圖 2（d）所示。

2.3 程序功能的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展 

該程序所采集的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)上傳至結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù) 據(jù)共享平臺(tái) www.cloudshm.com。若要實(shí)現(xiàn)這一功能，首先要 注冊賬戶，使之成為手機(jī)端與網(wǎng)站的用戶。該賬號對于手機(jī)端 與網(wǎng)站端是通用的。進(jìn)行采集時(shí)，通過自己的賬戶進(jìn)行登錄如 圖 3 所示，繼而進(jìn)入圖 2（a）的主界面，實(shí)現(xiàn)所需功能。

當(dāng)完成所有采集和計(jì)算后，將項(xiàng)目進(jìn)行同步，此次監(jiān)測 的數(shù)據(jù)包括位置信息、加速度、索力等，便可同步至網(wǎng)站，實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3 Orion CC 在橋梁索力監(jiān)測中的應(yīng)用 

3.1 Orion CC 概述 

Orion CC 程序可以進(jìn)行索力的快速計(jì)算。該方法的基本 原理是振動(dòng)法測試索力，通過加速度傳感器獲得斜拉索的振 動(dòng)信息，得到加速度時(shí)程曲線，并對其做傅里葉變換，得到頻 譜圖。從頻譜圖中可以獲得振動(dòng)基頻，即第一階頻率，其與 索力有固定的關(guān)系。但是實(shí)際工程中，第一階頻率往往不明顯，現(xiàn)場工程師通常選取頻差值進(jìn)行索力的計(jì)算。其計(jì)算公式為 ： F=4ml2Δf2，m 為索的質(zhì)量線密度，l 為索長，Δf 為頻差值。

當(dāng)數(shù)據(jù)與網(wǎng)站同步后，監(jiān)測大數(shù)據(jù)便上傳至網(wǎng)站。從網(wǎng) 站上可以觀察所有上傳的監(jiān)測項(xiàng)目，監(jiān)測大數(shù)據(jù)的匯聚效率大 大提高，任何人都可以上傳，訪問與共享數(shù)據(jù)。該方法也可以 推廣至土木工程結(jié)構(gòu)的其他監(jiān)測項(xiàng)目，使監(jiān)測大數(shù)據(jù)匯總至 網(wǎng)站，并對其進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，自然災(zāi)害來臨時(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)上 傳情況，快速的進(jìn)行區(qū)域?yàn)?zāi)害評定。 

3.2 星海灣大橋索力測試

3.2.1 測試現(xiàn)場描述 

將 Orion CC 應(yīng)用于星海灣跨海大橋的索力測試中，通過 Orion CC 所得索力與 Matlab 后期處理的對比，來判斷該軟件 的可行性。 

星海灣大橋立面圖如圖 4 所示，所做測試為 15 ～ 18 組。 每組包含兩根吊桿，測試 15 ～ 17 號的各一根，及18 號的兩 根吊桿。測試當(dāng)天天氣為－ 8 ℃，海上風(fēng)力 8 ～ 9 級，現(xiàn)場 條件惡劣。

以第 18 組吊桿為例，現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)照片如圖 5 所示。使用 帶有可觸屏固定套的子母帶將其固定在吊桿上，使其自由激振 或者給予人工振動(dòng)。獲得加速度數(shù)值。最后使用軟件 Orion- CC，結(jié)合吊桿參數(shù)獲得索力數(shù)據(jù)。 

3.2.2 測試結(jié)果 

通過現(xiàn)場對 5 根吊桿進(jìn)行測試，每組測試 3 次，由手機(jī) 直接得到頻差與 Matlab 后期對比，對比結(jié)果如表 1 所列。

由表 1 可以看出，在對同一根吊桿的測試中，每次測試 用兩種方法得到的結(jié)果相差很小。最大也不到 1%。而對于每 根索 3 組的測量數(shù)據(jù)，該軟件 Orion CC 進(jìn)行頻差分析所得頻 差也很接近，誤差均低于1%?？傮w來說保持在很小的誤差之內(nèi)， 采用 Orion CC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析，結(jié)果重復(fù)性良好。

由以上在實(shí)際結(jié)構(gòu)中進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)果證明，該軟件可以 在實(shí)際結(jié)構(gòu)中進(jìn)行應(yīng)用，而且體現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。相比其他 監(jiān)測方式來說，方便、快捷是最大的優(yōu)勢。目前 Orion CC 已 經(jīng)發(fā)布到 App Store，所有人都可以免費(fèi)下載，而只要安裝了 該軟件，任何對橋梁索力感興趣的人都可以自己進(jìn)行監(jiān)測了解， 降低了對專業(yè)性的要求。該方法無需任何專業(yè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn) 對橋梁索力的測試，極大地降低了索力測試成本。

4 結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺(tái) 

Orion CC 手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)作為一個(gè)高效且便捷的健康監(jiān) 測信息采集和傳輸平臺(tái)，同時(shí)具備數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)上傳等功能， 用戶可將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器終端，即結(jié)構(gòu)云 監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，為后期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持，同 時(shí)也因該系統(tǒng)具有公眾可參與性強(qiáng)的特點(diǎn)，為應(yīng)急狀態(tài)下的大 區(qū)域結(jié)構(gòu)安全快速監(jiān)測提供了可能。

結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺(tái)支持用戶注冊，注冊后用戶可 以登陸個(gè)人賬號建立相應(yīng)的監(jiān)測主項(xiàng)目和相應(yīng)的子項(xiàng)目，然后 完成相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作，用戶在數(shù)據(jù)處理后可以選擇 網(wǎng)絡(luò)同步功能來上傳相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。該平臺(tái)目前支持圖像信 息、地理位置信息以及軟件后處理數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)上傳。用戶 只需登錄結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺(tái) www.cloudshm.com 即可 對個(gè)人監(jiān)測信息進(jìn)行管理，如圖 6 所示。

友好的手機(jī)操作界面不僅為專業(yè)的工程技術(shù)人員提供了 方便、節(jié)約了成本，同時(shí)也因其高效便捷易操作等優(yōu)點(diǎn)而使其 更易于被公眾接受，主動(dòng)參與到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測活動(dòng)，在應(yīng)急 情況下則為大區(qū)域的結(jié)構(gòu)安全快速健康評估提供了可能。這 是常規(guī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。該結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù) 共享平臺(tái)可以將用戶采集作業(yè)時(shí)的地理位置信息和相應(yīng)的項(xiàng)目 名稱顯示在地圖中，為便于公眾查看，這里給出如圖 7 所示的 示例圖。

本研究中心開發(fā)的結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，不僅為用戶提供了數(shù)據(jù)的在線管理，同時(shí)也為公眾參與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 提供了交流和信息共享的平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)大區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)安全快速 評估提供了數(shù)據(jù)支持和可能。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于智能手機(jī)的結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測方法， 在 iPhone 手機(jī)上開發(fā)了 Orion CC 智能手機(jī)云監(jiān)測系統(tǒng)，并將 之應(yīng)用在實(shí)際工程索力測試中，測試結(jié)果證明了其可行性和便 捷性。建立了結(jié)構(gòu)云監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺(tái) www.cloudshm.com， 只要注冊賬戶，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與共享，便于監(jiān)測大數(shù)據(jù)的 融合、分析與安全快速評估。目前 Orion CC 數(shù)據(jù)與網(wǎng)站可以 成功實(shí)現(xiàn)同步和共享，使得結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測的大數(shù)據(jù)收集與 評定成為可能。智能手機(jī)結(jié)構(gòu)健康云監(jiān)測領(lǐng)域的研究將是當(dāng) 前傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的重要補(bǔ)充。同時(shí)該方法使得公眾 參與的結(jié)構(gòu)安全手機(jī)云監(jiān)測大數(shù)據(jù)采集成為可能，將能夠獲 得傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所無法獲得的監(jiān)測與評定結(jié)果。