橋墩沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的橋梁沖刷深度測量主要依靠人工檢測，但水上作業(yè)嚴(yán)重威脅著檢測人員的 生命安全，且測量的準(zhǔn)確性通常依賴檢測人員的操作經(jīng)驗。近二十年以來，橋梁沖刷監(jiān)測逐 漸受到國內(nèi)外研究人員和學(xué)者的重視，目前正在使用和逐漸發(fā)展的沖刷監(jiān)測方法主要有聲 吶、雷達、超聲波等檢測方法，及電磁波時域反射（Time Domain Reflectometry，TDR)、光纖 光柵等在線監(jiān)測方法。聲吶、雷達可確定泥沙淤積和沖刷的深度，探測裝置較易安裝，一般 用于洪水過后的沖刷檢查，不能實現(xiàn)沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測，并且聲吶和雷達的信號質(zhì) 量非常容易受泥沙顆粒或者水草等物的影響，在洪水期間，水流中含有大量泥沙和其他懸 濁物時，監(jiān)測的信號嚴(yán)重衰減，對于超聲波存在同樣的缺點；另一方面，因聲吶和雷達信號 的測試、編譯非常復(fù)雜，需要熟練的專業(yè)操作人員。TDR應(yīng)用于橋梁沖刷監(jiān)測時，通過沖刷導(dǎo) 致相應(yīng)部位的電纜變形甚至破壞，從而感知沖刷，但不能實現(xiàn)沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測，且 容易造成信號失真，影響測量結(jié)果。光纖光柵測量法是將光纖光柵與特定的懸臂梁或其他 桿件組合，布置在橋墩附近的河床，雖然直接或者間接地感知泥沙沖刷引起的土壓力變化， 但這種方法難以在惡劣服役環(huán)境下操作，并在定量方面存在困難。水下浮標(biāo)和磁性定位環(huán) 等作為一種沖刷監(jiān)測技術(shù)，由于其監(jiān)測到相應(yīng)位置的沖刷后即告失效，缺乏一個長期有效、 主動的服役周期，更無法實現(xiàn)橋墩沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測。
[0003] 橋梁沖刷的機理十分復(fù)雜，隨著水文現(xiàn)象的變化，其對橋梁的破壞呈現(xiàn)突發(fā)性和 偶然性，極易造成危及生命財產(chǎn)的破壞，橋梁服役期間的沖刷分析需要依靠測試手段，但目 前還沒有可靠的橋墩沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的之一是提供一種橋墩沖刷全過程演化動 態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠可靠地對橋墩沖刷全過程演化進行動態(tài)監(jiān)測。
[0005] 與其相應(yīng)，本發(fā)明另一個要解決的技術(shù)問題是應(yīng)用上述監(jiān)測系統(tǒng)進行精準(zhǔn)測量、 監(jiān)測橋墩沖刷的方法。
[0006] 就監(jiān)測系統(tǒng)而言，包括沖刷傳感石塊、參考浮標(biāo)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中：所述沖刷 傳感石塊位于橋墩周圍的河床表面并在沖刷坑內(nèi)運動，包括混凝土外殼和位于混凝土外殼 內(nèi)的四個RFID標(biāo)簽，所述四個RFID標(biāo)簽分別位于正四面體的四個頂點；所述參考浮標(biāo)，位 于橋墩附近的水面，包括外殼和位于外殼內(nèi)的RFID閱讀器、GPS和無線通訊模塊。
[0007] 射頻識別，RFID (Radio Frequency Identification)技術(shù)，又稱無線射頻識別，是 一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定 目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸。射頻識別系統(tǒng)最重要的優(yōu)點是非接觸識別，它能穿透雪、 霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標(biāo)簽，并且閱讀速度極快，大多數(shù)情況 下不到100毫秒。有源式射頻識別系統(tǒng)的速寫能力也是重要的優(yōu)點?？捎糜诹鞒谈櫤途S 修跟蹤等交互式業(yè)務(wù)。射頻識別包括射頻識別標(biāo)簽和射頻識別閱讀器。射頻標(biāo)簽：每個標(biāo) 簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象，按照預(yù)設(shè)的規(guī)則周期性的進行信號 發(fā)射。閱讀器是對標(biāo)簽進行讀/寫操作的設(shè)備，主要包括射頻模塊和數(shù)字信號處理單元兩 部分，當(dāng)射頻識別標(biāo)簽的信號進入閱讀器的作用區(qū)域，閱讀器獲取到標(biāo)簽發(fā)射出來的信息， 即完成了對標(biāo)簽的識別過程。
[0008] 本發(fā)明通過參考浮標(biāo)內(nèi)的RFID閱讀器接收四個RFID標(biāo)簽的信號并轉(zhuǎn)化成距離， 通過GPS測得參考浮標(biāo)位置坐標(biāo)，無線通訊模塊將GPS數(shù)據(jù)和RFID閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)，通過四個RFID標(biāo)簽與RFID閱讀器之間的距離，計算出沖刷傳感石塊的實時坐 標(biāo)，通過沖刷傳感器石塊在每一時刻的三維位置建立運動軌跡，構(gòu)建橋墩沖刷的全過程演 化。通過沖刷傳感器石塊實時坐標(biāo)的變化，計算沖刷傳感石塊與參考浮標(biāo)之間的垂直距離 變化即沖刷深度和沖刷傳感石塊的三維轉(zhuǎn)動角度。通過橋墩在每一時刻的沖刷深度計算其 屈曲穩(wěn)定承載力，并與極限承載力比較從而對橋墩安全進行預(yù)警。通過沖刷傳感石塊的三 維轉(zhuǎn)動角度預(yù)測其運動趨勢，進一步可預(yù)測橋墩沖刷的擴展。
[0009] 因此，針對橋梁沖刷所處的復(fù)雜水環(huán)境和沖刷監(jiān)測、防護的重大需求及RFID的測 試優(yōu)點，本發(fā)明采用RFID、GPS、終端系統(tǒng)等構(gòu)造一種橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，解決了復(fù)雜水環(huán)境 下橋墩沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警問題，可在橋梁正常運營的情況下進行橋墩沖刷全 過程演化的動態(tài)監(jiān)測并對橋墩安全預(yù)警，不影響交通，并具有操作簡單、性能穩(wěn)定等突出優(yōu) 點。
[0010] 進一步地，所述參考浮標(biāo)還包括位于外殼中心處的陀螺儀，所述RFID閱讀器、GPS 和無線通訊模塊封裝在一起后位于陀螺儀的中心。
[0011] 由于陀螺儀的定向作用，當(dāng)參考浮標(biāo)漂浮在水面上滾動或晃動時，RFID閱讀器和 GPS只發(fā)生平動而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
[0012] 進一步地，所述RFID標(biāo)簽為有源RFID標(biāo)簽，所述沖刷傳感石塊還包括位于四個有 源RFID標(biāo)簽中心處的晃動式充電電池。
[0013] 晃動式充電電池可以依靠水流不間斷的沖擊為電池本身進行充電，特別是在參考 浮標(biāo)在水面上始終處于晃動或者滾動狀態(tài)，可以對晃動式充電電池進行充電，通過晃動式 充電電池對RFID標(biāo)簽進行供電，使有源RFID標(biāo)簽使用周期更長。
[0014] 就監(jiān)測方法而言，包括如下步驟：
[0015] S1)測量參考浮標(biāo)中心的位置：在i時亥I」，在GPS基站處設(shè)置固定坐標(biāo)系oxyz，通 過參考浮標(biāo)中的GPS測量得到參考浮標(biāo)的中心R的瞬時三維位置（xQl，yQl，zQl);
[0016] S2)計算沖刷傳感石塊重心的坐標(biāo)：通過沖刷傳感石塊中的四個有源RFID標(biāo)簽發(fā) 射信號，參考浮標(biāo)中的有源RFID閱讀器讀取信號后，得到?jīng)_刷傳感石塊中第j個有源RFID 標(biāo)簽至參考浮標(biāo)的距離為rij，（j = A，B，C，D):
[0017] 通過幾何計算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，及沖刷傳感石塊中4個有源RFID標(biāo)簽至參考浮標(biāo)的距 離rlS，可求得有源RFID標(biāo)簽的三維位置為（Xlj，yij， Zlj)，（j = A，B，C，D)，
[0018] 沖刷傳感石塊的重心T的三維坐標(biāo)為

[0020] S3)根據(jù)正四面體的性質(zhì)和幾何計算，得到?jīng)_刷傳感石塊的沖刷深度和三維旋轉(zhuǎn) 角：
[0021] 任何i時刻沖刷傳感石塊與參考浮標(biāo)之間的垂直距離為h = z fZw
[0022] 在初始位置時，沖刷傳感石塊與參考浮標(biāo)之間的垂直距離為hQ = Z o_zoo，
[0023] 橋墩的沖刷深度為hscl = h「h。，
[0024] 對于S1)中的固定坐標(biāo)系oxyz，由沖刷傳感石塊中4個RFID標(biāo)簽的三維位置（Xlj， zd，計算出沖刷傳感石塊分別繞X，y，z軸的三維旋轉(zhuǎn)角度（Θ xi，Θ yi，Θ zi)。
[0025] 本發(fā)明的監(jiān)測方法通過無線通訊模塊將GPS數(shù)據(jù)和RFID閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)。通過沖刷傳感器石塊在每一時刻的三維位置建立運動軌跡，構(gòu)建橋墩沖刷的 全過程演化。通過沖刷傳感石塊的三維轉(zhuǎn)動角度預(yù)測其運動趨勢，進一步可預(yù)測橋墩沖刷 的擴展?；跇蚨赵诿恳粫r刻的沖刷深度計算其屈曲穩(wěn)定承載力，并與極限承載力比 較從而對橋墩安全進行預(yù)警，是一種可靠的橋墩沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測方法。
[0026] 進一步地，沖刷傳感石塊直徑的確定方法：以橋墩為中心建立柱坐標(biāo)系οπρζ，分 別取Φ為0度、15度、90度、180度、270度、345度，得到橋墩四周360范圍內(nèi)三維沖刷坑的 6個豎向截面，將沖刷傳感石塊置于6個截面與沖刷坑相交的位置，考慮沖刷傳感石塊的浮 容重、拖拽力、升力、漩渦作用等，根據(jù)河床泥沙的彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角和洪 水行進流速、水深，及沖刷傳感石塊的容重，計算沖刷傳感石塊在沖刷坑內(nèi)的運動和受力特 征，得到在每個截面處沖刷傳感石塊沿著沖刷坑沖朝下運動時的直徑與墩前行進流速的關(guān) 系，取最大的洪水行進流速和水深，得到?jīng)_刷傳感石塊在每個截面處沿著沖刷坑朝下運動 時的最小直徑，對于6個截面，可得到6個沖刷傳感石塊的最小直徑，取6個直徑中的最大 值，即為沖刷傳感石塊的直徑。
[0027] 如果沖刷傳感石塊的直徑太大，則其重量太重，就不能在沖刷坑里運動，不能隨著 沖刷坑的深度變化而運動，那么就不能實現(xiàn)沖刷全過程演化的動態(tài)監(jiān)測；如果沖刷傳感石 塊的直徑太小，也就是重量太小，那么沖刷傳感石塊將會被水沖跑，無法完成沖刷全過程演 化的動態(tài)監(jiān)測。采用上述方法確定沖刷傳感石塊的直徑，使得沖刷傳感石塊的重量最佳，始 終在沖刷坑內(nèi)且朝下運動，實時反映沖刷的全過程演化，能夠滿足沖刷全過程演化的動態(tài) 監(jiān)測的要求。
[0028] 綜上，針對橋梁沖刷所處的復(fù)雜水環(huán)境和沖刷監(jiān)測、防護的重大需求及RFID的測 試優(yōu)點，本發(fā)明采用RFID、數(shù)據(jù)無線傳輸、終端系統(tǒng)等構(gòu)造一種橋墩沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，并提出 相應(yīng)的監(jiān)測方法，可靠地對橋墩沖刷全過程演化實施動態(tài)監(jiān)測。
【附圖說明】
[0029] 附圖1是本發(fā)明的橋墩沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0030] 附圖2是橋墩沖刷坑的6個計算截面的柱坐標(biāo)示意圖；
[0031] 附圖3是本發(fā)明的沖刷傳感石塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0032] 附圖4是本發(fā)明的參考浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0033] 附圖5是沖刷傳感器石塊中的4個RFID標(biāo)簽的空間布置的示意圖；
[0034] 附圖6是沖刷傳感器石塊的3個旋轉(zhuǎn)角的示意圖；
[0035] 附圖7是沖刷傳感器石塊的4個RFID標(biāo)簽與參考浮標(biāo)的中心之間的幾何空間關(guān) 系的不意圖；
[0036] 圖8為本發(fā)明的監(jiān)測原理圖；
[0037] 圖中：1_橋墩；2-河床；3-沖刷坑；4-橋梁上部結(jié)構(gòu)；5-沖刷傳感石塊；6-參考浮 標(biāo)、7-震動式充電電池；8-RFID標(biāo)簽；9-工程塑料；10-混凝土外殼、11-GPS ; 12-RFID閱讀 器；13-無線通訊模塊；14-陀螺儀；15-工程塑料外殼、16-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0038] 實施例1
[0039] 本實施例為一種橋墩沖刷全過程演化動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，如圖8所示，包括沖刷傳感 石塊5、參考浮標(biāo)6和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)16。
[0040] 如圖1和3所示，沖刷傳感石塊5位于橋墩周圍的河床表面并在沖刷坑內(nèi)運動，包 括混凝土外殼10和位于混凝土外殼內(nèi)的四個RFID標(biāo)簽8,所述四個RFID標(biāo)簽8分別位于 正四面體的四個頂點，所述RFID標(biāo)簽8為有源RFID標(biāo)簽，所述沖刷傳感石塊5還包括位于 四個有源RFID標(biāo)簽