智能手機結構健康雲監測技術
學術研究
作者：趙雪峰等
摘 要：近年來，高度集成的處理器、傳感模塊、網絡通訊及數據存儲等功能的智能手機發展迅速。文中基於智能手機的結構健康雲監測方法，研發了獵戶座雲細胞（Orion CC）智能手機結構健康雲監測係統。該程序集數據采集、數據分析及數據上傳等功能於一體，通過橋梁拉索索力測試驗證了該技術方法的可行性；建立了智能手機結構健康雲監測數據共享平台，使手機和網站的雲監測數據同步，實現數據上傳與共享，大大提高了監測和大數據融合效率，從而使結構健康雲監測的大數據收集與評定成為可能。
關鍵詞：智能手機；雲監測；結構健康監測；智能終端
中圖分類號：TU317；TP368.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-000-04
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，結構健康監測領域的研究與應用取得了長足發展。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測係統，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測與評定[1]。結構健康監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。結構健康監測係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，海洋平台等，需要昂貴的傳感係統，數據采集係統和數據傳輸係統，同時需要專業人員來實施操作。然而，對於一些小型的工程結構，由於其造價高、專業性強的特點限製，則很少進行監測。開發適用於普通群眾參與的低成本、零成本、快速、簡單、便捷的監測技術十分必要[2]。
智能手機作為目前發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台，是物聯網建設中非常重要的一個環節。目前智能手機已經在一些領域得到應用，比如人體的健康監測[3，4]、汽車碰撞[5，，6]、家電控製[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，為其在結構健康監測中的應用提供可能性。本研究團隊於2011年率先提出基於智能手機的結構健康雲監測方法，並開展了係統的研究。首次將智能手機應用於結構健康監測中，證實了其可行性與有效性[12]；應用內置傳感器和研發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測，並用於星海灣跨海大橋鋼桁梁吊裝監測[16]；基於手機人機交互式界麵開發地震烈度、損傷統計分析軟件[17，18]；開發了基於視頻位移監測原理的智能手機位移監測程序D-Viewer，並在蘋果商店與安卓App應用平台發布。2015年7月，在第7屆智能結構健康監測國際會議（SHMII 2015）上組織了“智能手機結構健康雲監測與應用”的專題峰會[18]。本文提出了基於智能手機的結構健康雲監測技術，並開發了結構健康智能手機雲監測係統獵戶座雲細胞（Orion CC）應用於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。並建立了結構雲監測數據共享平台www.cloudshm.com，此開放式平台為數據上傳、共享及實現大數據雲計算提供了可能。
1 智能手機結構健康安全雲監測構架
該結構包括感知控製層、網絡傳輸層、信息彙聚層、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雲監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，其交互式界麵也可應用到地震烈度調查獲得烈度信息。因手機數量龐大，隻要有對應的監測軟件便可得到監測信息，所以手機的使用會使大眾參與式監測成為可能。獲得數據後，通過手機網絡信號將數據上傳至服務器或網站，使監測大數據彙聚。然後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，最後輸出結構安全信息。基於輸出的結構安全或損傷信息，提供相應的安全措施，並反饋至手機用戶端，給予指導和幫助。
2 結構健康智能手機雲監測係統Orion CC
2.1 程序的設計
結構健康智能手機雲監測係統以程序“獵戶座雲細胞”為基礎，該程序英文名為Orion CC（Orion Cloud cell）。建立在iPhone平台上，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，並可獲得地理位置信息。然後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台www.cloudshm.com。
2.2 程序功能
（1）當前位置的采集，用來獲取當前所做監測的具體位置信息。
（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（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。並結合索的參數，快速進行索力計算（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雲監測數據共享平台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。該賬號對於手機端與網站端是通用的。進行采集時，。
3 Orion CC在橋梁索力監測中的應用
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，並對其做傅裏葉變換，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係。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。
當數據與網站同步後，監測大數據便上傳至網站。從網站上可以觀察所有上傳的監測項目，監測大數據的彙聚效率大大提高，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測項目，使監測大數據彙總至網站，並對其進行大數據分析，自然災害來臨時，結合數據上傳情況，快速的進行區域災害評定。