智能手機結構健康云監(jiān)測技術

0 引 言

近十幾年來，作為保障大型工程結構安全的有效措施， 結構健康監(jiān)測領域的研究與應用取得了長足發(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， 都安裝了結構健康監(jiān)測系統，針對溫度、車輛荷載、應變、撓度、 拉索振動、主梁振動等參量進行長期監(jiān)測與評定 [1]。結構健 康監(jiān)測技術已經日臻成熟。但是，同樣也存在一些需要考慮完 善的問題。結構健康監(jiān)測系統目前大部分安裝在大型工程結 構中，如大跨橋梁，大壩，超高層結構，海洋平臺等，需要昂 貴的傳感系統，數據采集系統和數據傳輸系統，同時需要專 業(yè)人員來實施操作。然而，對于一些小型的工程結構，由于 其造價高、專業(yè)性強的特點限制，則很少進行監(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) 測技術十分必要 [2]。

智能手機作為目前發(fā)展最為迅速的一種通訊工具，已擁 有了技術先進的硬軟件集成平臺，是物聯網建設中非常重要的 一個環(huán)節(jié)。目前智能手機已經在一些領域得到應用，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]、 運動識別 [9-11] 等。智能手機內置傳感、網絡通訊、計算分析及 存儲等功能，為其在結構健康監(jiān)測中的應用提供可能性。本 研究團隊于 2011 年率先提出基于智能手機的結構健康云監(jiān)測 方法，并開展了系統的研究。首次將智能手機應用于結構健 康監(jiān)測中，證實了其可行性與有效性 [12] ；應用內置傳感器和 研發(fā)手機外接傳感模塊成功測試結構振動加速度進而實現索 力的測量 [13-15] ；應用內置陀螺儀進行傾角監(jiān)測，并用于星海灣 跨海大橋鋼桁梁吊裝監(jiān)測 [16] ；基于手機人機交互式界面開發(fā) 地震烈度、損傷統計分析軟件 [17,18] ；開發(fā)了基于視頻位移監(jiān)測 原理的智能手機位移監(jiān)測程序 D-Viewer，并在蘋果商店與安 卓 App 應用平臺發(fā)布。2015 年 7月，在第 7 屆智能結構健康 監(jiān)測國際會議（SHMII 2015）上組織了“智能手機結構健康云 監(jiān)測與應用”的專題峰會 [18]。本文提出了基于智能手機的結 構健康云監(jiān)測技術，并開發(fā)了結構健康智能手機云監(jiān)測系統獵 戶座云細胞（Orion CC）應用于橋梁拉索索力測試中，測試結 果證明了該軟件的便捷性及高效性。并建立了結構云監(jiān)測數據 共享平臺 www.cloudshm.com，此開放式平臺為數據上傳、共 享及實現大數據云計算提供了可能。

1 智能手機結構健康安全云監(jiān)測構架 

本文提出的基于智能手機的結構健康安全云監(jiān)測技術構 架如圖 1 所示。該結構包括感知控制層、網絡傳輸層、信息匯 聚層、數據加工層、診斷決策層和信息輸出層。

在人們的日常生活中，智能手機扮演著重要的角色，其內 置傳感器、網絡與存儲功能可以為結構健康云監(jiān)測技術的實 現提供可能。通過手機內部傳感器獲得結構或環(huán)境的一些參 數，例如地理位置信息、溫度、加速度、傾角、位移等，其交 互式界面也可應用到地震烈度調查獲得烈度信息。因手機數 量龐大，只要有對應的監(jiān)測軟件便可得到監(jiān)測信息，所以手機 的使用會使大眾參與式監(jiān)測成為可能。獲得數據后，通過手機網絡信號將數據上傳至服務器或網站，使監(jiān)測大數據匯聚。 然后對大數據進行加工分析，得到結構的物理參數改變情況。 進而進入診斷決策層，通過結構物理特性的改變對結構損傷 情況進行評定，最后輸出結構安全信息?；谳敵龅慕Y構安 全或損傷信息，提供相應的安全措施，并反饋至手機用戶端， 給予指導和幫助。

2 結構健康智能手機云監(jiān)測系統 Orion CC 

2.1 程序的設計 

結構健康智能手機云監(jiān)測系統以程序“獵戶座云細胞” 為基礎，該程序英文名為 Orion CC（Orion Cloud cell）。建立 在 iPhone 平臺上，可以調用手機內部攝像頭、加速度傳感器、 陀螺儀等進行數據采集，獲得采集圖像、加速度和傾角等數據， 并可獲得地理位置信息。然后數據分析功能可以計算得到索 力測試所需參數。所有的采集數據和索力數據都可以通過網 絡上傳至數據共享平臺 www.cloudshm.com。目前，該程序已 發(fā)布至 App Apple store，可供用戶免費下載。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，主要包括以下幾個功能 ： 

（1）當前位置的采集，用來獲取當前所做監(jiān)測的具體位 置信息。

（2）采集項目的建立，用來建立當前所做測試的數據庫， 可進行采集的項目如圖 2（b）所示。

（3）數據分析，對所建項目的加速度采集數據進行分析， 可以得到加速度時程曲線及頻譜圖，通過選取不同階次的頻 率值計算頻差值如圖 2（c）所示。并結合索的參數，快速進 行索力計算如圖 2（d）所示。

2.3 程序功能的網絡擴展 

該程序所采集的數據可以通過網絡上傳至結構云監(jiān)測數 據共享平臺 www.cloudshm.com。若要實現這一功能，首先要 注冊賬戶，使之成為手機端與網站的用戶。該賬號對于手機端 與網站端是通用的。進行采集時，通過自己的賬戶進行登錄如 圖 3 所示，繼而進入圖 2（a）的主界面，實現所需功能。

當完成所有采集和計算后，將項目進行同步，此次監(jiān)測 的數據包括位置信息、加速度、索力等，便可同步至網站，實 現數據共享。

3 Orion CC 在橋梁索力監(jiān)測中的應用 

3.1 Orion CC 概述 

Orion CC 程序可以進行索力的快速計算。該方法的基本 原理是振動法測試索力，通過加速度傳感器獲得斜拉索的振 動信息，得到加速度時程曲線，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基頻，即第一階頻率，其與 索力有固定的關系。但是實際工程中，第一階頻率往往不明顯，現場工程師通常選取頻差值進行索力的計算。其計算公式為 ： F=4ml2Δf2，m 為索的質量線密度，l 為索長，Δf 為頻差值。

當數據與網站同步后，監(jiān)測大數據便上傳至網站。從網 站上可以觀察所有上傳的監(jiān)測項目，監(jiān)測大數據的匯聚效率大 大提高，任何人都可以上傳，訪問與共享數據。該方法也可以 推廣至土木工程結構的其他監(jiān)測項目，使監(jiān)測大數據匯總至 網站，并對其進行大數據分析，自然災害來臨時，結合數據上 傳情況，快速的進行區(qū)域災害評定。 

3.2 星海灣大橋索力測試

3.2.1 測試現場描述 

將 Orion CC 應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。測試當天天氣為－ 8 ℃，海上風力 8 ～ 9 級，現場 條件惡劣。

以第 18 組吊桿為例，現場的實驗照片如圖 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。獲得加速度數值。最后使用軟件 Orion- CC，結合吊桿參數獲得索力數據。 

3.2.2 測試結果 

通過現場對 5 根吊桿進行測試，每組測試 3 次，由手機 直接得到頻差與 Matlab 后期對比，對比結果如表 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果相差很小。最大也不到 1%。而對于每 根索 3 組的測量數據，該軟件 Orion CC 進行頻差分析所得頻 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， 采用 Orion CC 進行數據采集并分析，結果重復性良好。

由以上在實際結構中進行監(jiān)測的結果證明，該軟件可以 在實際結構中進行應用，而且體現了良好的穩(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 經發(fā)布到 App Store，所有人都可以免費下載，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)設備即可實現 對橋梁索力的測試，極大地降低了索力測試成本。

4 結構云監(jiān)測數據共享平臺 

Orion CC 手機云監(jiān)測系統作為一個高效且便捷的健康監(jiān) 測信息采集和傳輸平臺，同時具備數據處理和網絡上傳等功能， 用戶可將采集到的數據通過網絡上傳至服務器終端，即結構云 監(jiān)測數據共享平臺，為后期結構健康監(jiān)測提供數據支持，同 時也因該系統具有公眾可參與性強的特點，為應急狀態(tài)下的大 區(qū)域結構安全快速監(jiān)測提供了可能。

結構云監(jiān)測數據共享平臺支持用戶注冊，注冊后用戶可 以登陸個人賬號建立相應的監(jiān)測主項目和相應的子項目，然后 完成相應的監(jiān)測數據采集工作，用戶在數據處理后可以選擇 網絡同步功能來上傳相應的監(jiān)測數據。該平臺目前支持圖像信 息、地理位置信息以及軟件后處理數據信息的網絡上傳。用戶 只需登錄結構云監(jiān)測數據共享平臺 www.cloudshm.com 即可 對個人監(jiān)測信息進行管理，如圖 6 所示。

友好的手機操作界面不僅為專業(yè)的工程技術人員提供了 方便、節(jié)約了成本，同時也因其高效便捷易操作等優(yōu)點而使其 更易于被公眾接受，主動參與到結構健康監(jiān)測活動，在應急 情況下則為大區(qū)域的結構安全快速健康評估提供了可能。這 是常規(guī)的結構健康監(jiān)測系統無法實現的。該結構云監(jiān)測數據 共享平臺可以將用戶采集作業(yè)時的地理位置信息和相應的項目 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)的結構云監(jiān)測數據共享平臺，不僅為用戶提供了數據的在線管理，同時也為公眾參與結構健康監(jiān)測 提供了交流和信息共享的平臺，為實現大區(qū)域內結構安全快速 評估提供了數據支持和可能。

5 結 語

本文提出了一種基于智能手機的結構健康云監(jiān)測方法， 在 iPhone 手機上開發(fā)了 Orion CC 智能手機云監(jiān)測系統，并將 之應用在實際工程索力測試中，測試結果證明了其可行性和便 捷性。建立了結構云監(jiān)測數據共享平臺 www.cloudshm.com， 只要注冊賬戶，便可實現數據上傳與共享，便于監(jiān)測大數據的 融合、分析與安全快速評估。目前 Orion CC 數據與網站可以 成功實現同步和共享，使得結構健康云監(jiān)測的大數據收集與 評定成為可能。智能手機結構健康云監(jiān)測領域的研究將是當 前傳統結構健康監(jiān)測技術的重要補充。同時該方法使得公眾 參與的結構安全手機云監(jiān)測大數據采集成為可能，將能夠獲 得傳統結構健康監(jiān)測所無法獲得的監(jiān)測與評定結果。