一种声振式轨道桥梁健康监测装置、系统及方法与流程

本发明主要涉及监测装置领域，具体涉及一种声振式轨道桥梁健康监测装置、系统及方法。

背景技术：

声振监测技术是通过激励被检对象，使其产生振动(声波)，并从振动声波的测定结果中判定被监测对象质量的方法。声振的测量和监测作为故障诊断(无损监测技术)的一个重要分支是伴随着设备故障诊断一同成长起来的，由最初的简易诊断(如敲击监测)发展为现在的精密诊断、预知维修；减振降噪也由无源控制向有源控制方向发展。声振监测技术具有简便、快速、低廉等且其监测过程具有全自动、无干扰交通运营等特点，因此，声振监测技术成为桥梁监测领域的理想方法，可以广泛应用于各类轨道交通桥梁安全监测中。当桥梁结构由于承载能力不足或温度变化、疲劳或冲击等外界作用而产生健康(如裂缝等)时，可通过梁体上附着的声振监测装备及时发现，以约束裂缝的产生和发展，保证桥梁交通安全，提高其承载能力和使用寿命。声振式轨道桥梁结构健康监测技术从预防故障和减少损失的角度出发，及时发现桥梁关键结构的故障和异常，掌握桥梁的运行状态，对已经形成的或正在形成的结构健康进行分析诊断，判断健康的部位和产生的原因，并及早采取有效的措施，做到防患于未然。

在桥梁监测领域，现有的桥梁监测设备与监测方法以主动式监测为主，例如专利申请号为CN201510349725的“一种智能桥梁监测设备”和专利需移动小车配合人工检查，使用了激光位移传感器和红外传感器，监测过程影响交通运行且周期间隔较长；专利申请号为CN201510322734的“一种新型桥梁安全情况监测设备”专利同样需要小车支撑结构较为复杂、体积较大；专利申请号为CN201510276110的“用于桥梁监测信号的预处理方法”专利采用加入Kriging插值法的EMD分解方法(K-EMD)对桥梁监测信号进行预处理，结构较为复杂、所需运算量较大并且监测效率较低，仅限于实验室研究，很难在工程中得到推广应用。

在声振技术领域，主要有专利申请号为CN200710027724的“声振法水泥路面板底脱空监测方法及监测仪”公开了一种声振法水泥路面板底脱空监测方法及监测仪，本发明方法通过定向声音传感器获得落锤撞击水泥路面的声音信号后，经过傅立叶变换成频域信号并计算出功率谱面积、共振峰频率、功率谱面积在X轴方向上的质心、功率谱面积绕Y轴的质心和共振峰振幅等参数，由判别函数进行判别即可得出水泥路面是否脱空；专利申请号为CN201110237218的“利用窄缝高速水流自然通气减免充水廊道工作门声振方法”公开一种利用窄缝高速水流自然通气减免充水廊道工作门声振方法，通过设置“工作门”有效解决充水廊道声振问题。

经过上述检索结果表明虽然在声振技术领域和桥梁监测领域各自都有一定的研究成果，但利用声振技术特点结合桥梁监测要求，研制一套适合桥梁结构监测的自动监测装置和方法尚无人涉及。因此，需要一种声振式轨道桥梁健康监测装置，并利用处理系统分析处理噪音信号来诊断桥梁结构的安全信息。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种声振式轨道桥梁健康监测装置、系统及方法，基于云平台架构的声振式轨道桥梁健康监测装置精简了桥梁监测现场设施，节省工程造价，通过集约化管理，降低了在线监测系统维护工作量，监测现场不再需要单独的机房建设与运维支付高昂的独立网络费用。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种声振式轨道桥梁健康监测装置，包括声音采集设备和通讯处理设备，所述声音采集设备设有多个，多个所述声音采集设备通过固定装置分布在轨道桥梁桥面的下缘，所述通讯处理设备设置在所述轨道桥梁的底面上并通过数据线分别与各个所述声音采集设备连接，所述声音采集设备用于采集车轮激励源振动冲击轨道桥梁时所产生的激励沿桥梁结构传输而来的声音频谱，所述通讯处理设备将采集的声音频谱发送至远端云计算服务器中进行分析处理。

本发明的有益效果是：基于云平台架构的声振式轨道桥梁健康监测装置精简了桥梁监测现场设施，节省工程造价，通过集约化管理，降低了在线监测系统维护工作量，监测现场不再需要单独的机房建设与运维支付高昂的独立网络费用；只需支付较低的普通网络费用和云计算服务费用，异地数据备份容灾保障，并提供统一的监控、报警、问题处理等专业服务，提高系统稳定性，避免数据的丢失遗漏；简化施工过程和系统运维，让用户只需关注桥梁现场传感设备安装，提供更加全面的监测功能，真正实现桥梁在线监测简约而不简单。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述声音采集设备包括声音传感器、真空隔音箱和隔音层，所述真空隔音箱由内外双层壳体围成顶部开口的中空盒体的形状，所述内外双层壳体之间设置等宽度的间隙，用来隔绝外界环境噪音，而尽可能采集桥梁结构传递过来的声音，所述真空隔音箱的内壳体内形成仓内声腔，所述声音传感器位于所述仓内声腔内，且固定在所述真空隔音箱内壳体的底部，所述真空隔音箱外壳体的外周包裹有所述隔音层。

采用上述进一步方案的有益效果是：本声音采集设备能够排除其他声音，尽可能的保证只采集从桥面传输过来的声音，排除环境声音的干扰。

进一步，所述隔音层外侧设有用于与所述通讯处理设备线路连接的管线外接口，所述声音传感器连接信号线的一端，所述信号线的另一端穿过所述内外双层壳体之间的间隙并从隔音层穿出与所述管线外接口连接。

管线外接口上可以外接音频线，音频线与通讯处理设备连接，通讯处理设备中运行声音分析软件，有音频输入信号时即为安装成功，并接收声音采集设备采集的声音信息进行转发。

进一步，所述声音采集设备顶端的两侧设有用于将整个声音采集设备固定在所述轨道桥梁桥面下缘的横梁，所述两侧的横梁通过所述固定装置贴合于所述轨道桥梁桥面的下缘，将所述声音采集设备固定在所述轨道桥梁桥面的下缘上，且所述轨道桥梁桥面的下缘密闭所述真空隔音箱的顶部开口。

进一步，所述固定装置包括粘合层和辅助锚杆，所述粘合层附着在所述横梁与所述轨道桥梁贴合的位置，并通过所述辅助锚杆将横梁固定在所述轨道桥梁上。

采用上述进一步方案的有益效果是：防止声音采集设备从轨道桥梁上掉落，使采集工作顺利进行。

进一步，所述真空隔音箱的顶部开口处向外侧延伸扩大，所述扩大的顶部开口处与所述轨道桥梁之间填充有橡胶垫。

采用上述进一步方案的有益效果是：橡胶垫在声音采集设备和轨道桥梁之间可起到衬垫、密封、缓冲的作用。

进一步，所述隔音层由隔音材料制成。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种声振式轨道桥梁健康监测系统，包括云计算服务器以及所述的监测装置，所述监测装置的声音采集设备采集车轮激励源振动冲击轨道桥梁时所产生的激励沿桥梁结构传输而来的声音频谱，所述监测装置的通讯处理设备将采集的声音信号发送至所述云计算服务器中，所述云计算服务器对声音信号进行分析处理，从而判断出轨道桥梁健康的信息。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种声振式轨道桥梁健康监测方法，采用所述的声振式轨道桥梁健康监测系统，包括如下步骤：

步骤S1：对待检测轨道桥梁的监测点进行布设规划，并在各个监测点安装声音采集设备；

步骤S2：搭建云计算服务器，在云计算服务器上集成多个声音数据分析处理系统；

步骤S3：对云计算服务器及声音采集设备之间的通讯处理设备进行调试，从而建立云计算服务器及声音采集设备之间的数据通讯；

步骤S4：声音采集设备实时对车轮激励源振动冲击轨道桥梁时产生的激励沿桥梁结构传输而来的声音频谱进行监测，当监测到所述声音频谱时，声音采集设备将所述声音频谱发送至通讯处理设备中；

步骤S5：通讯处理设备接收到所述声音频谱后，对声音频谱进行编码，再将编码后的声音频谱发送至云计算服务器中；

步骤S6：云计算服务器通过集成多个声音数据分析处理系统对编码后的声音频谱进行分析处理，从而判断出轨道桥梁健康的信息。

进一步，所述步骤S6后，还包括云计算服务器根据管理设备的指令对出轨道桥梁健康的信息进行存储、更新、删除的步骤。

进一步，所述步骤S6中云计算服务器通过集成多个声音数据分析处理系统对编码后的激励声音信号进行分析处理，还包括如下步骤：云计算服务器上设有声音特征统计数据库，所述声音特征统计数据库预存有桥梁健康的标准参考数据，从编码后的声音频谱获得频谱特性，并将该频谱特性与所述声音特征统计数据库中的标准参考数据进行比对分析，从而判断出轨道桥梁健康的信息。

进一步，对待检测轨道桥梁的监测点进行布设规划，具体方法为：沿待检测轨道桥梁的方向，在每个桥墩的两侧各安置一个监测点，并在监测点上安装声音采集设备；通讯处理设备设置在轨道桥梁的桥墩与桥面结合处且通过数据线分别与各个声音采集设备连接。

进一步，步骤S5中利用压缩BCD编码的方式对激励声音信号进行编码。

附图说明

图1为本发明声音采集设备在轨道桥梁上的布设图；

图2为本发明声音采集设备的结构示意图；

图3为本发明监测系统的模块框架图；

图4为本发明监测系统的结构示意图；

图5为本发明监测方法的方法流程图。

附图中，各标记所代表的部件名称如下：

1、车轮激励源,2、声音采集设备,3、轨道桥梁,4、固定装置，5、橡胶垫，6、仓内声腔，7、声音传感器，8、真空隔音箱，9、隔音层，10、管线外接口，11、通讯处理设备，12、云计算服务器，13、管理设备。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-2所示，一种声振式轨道桥梁健康监测装置，包括声音采集设备2和通讯处理设备11，所述声音采集设备2设有多个，多个所述声音采集设备2通过固定装置4分布在轨道桥梁3桥面的下缘，所述通讯处理设备11设置在所述轨道桥梁3的底面上并通过数据线分别与各个所述声音采集设备2连接，所述声音采集设备2用于采集车轮激励源1振动冲击轨道桥梁3时所产生的激励沿桥梁结构传输而来的声音频谱，所述通讯处理设备11将采集的激励声音信号发送至远端云计算服务器12中进行分析处理。

具体的，检测对象一般为任意两个轨道桥梁间的梁体结构，声音采集设备可布设于监测段的前段(附图1中A点)、中段(附图1中B点)及后段(附图1中C点)；实现不同激励点位置渐近式引起的声音变化特征辨别，并解决声振冲突问题，监测时应注意声音的共鸣影响。

具体的，所述声音采集设备2包括声音传感器7、真空隔音箱8和隔音层9，所述真空隔音箱8由内外双层壳体围成顶部开口的中空盒体的形状，所述内外双层壳体之间设置等宽度的间隙，用来隔绝外界环境噪音，而尽可能采集桥梁结构传递过来的声音，所述真空隔音箱8的内壳体内形成仓内声腔6，所述声音传感器7位于所述仓内声腔6内，且固定在所述真空隔音箱8内壳体的底部，所述真空隔音箱8外壳体的外周包裹有所述隔音层9。

本声音采集设备能够排除其他声音，尽可能的保证只采集从桥面传输过来的声音，排除环境声音的干扰。

所述隔音层9外侧设有用于与所述通讯处理设备11线路连接的管线外接口10，所述声音传感器7连接信号线的一端，所述信号线的另一端穿过所述内外双层壳体之间的间隙并从隔音层9穿出与所述管线外接口10连接。管线外接口上可以外接音频线，音频线与通讯处理设备连接，通讯处理设备中运行声音分析软件，有音频输入信号时即为安装成功，并接收声音采集设备采集的声音信息进行转发。

所述隔音层由隔音材料制成。

所述声音采集设备2顶端的两侧设有用于将整个声音采集设备2固定在所述轨道桥梁3桥面下缘的横梁，所述两侧的横梁通过所述固定装置4平行的贴合于所述轨道桥梁3桥面的下缘，将所述声音采集设备2固定在所述轨道桥梁3桥面的下缘上，且所述轨道桥梁3桥面的下缘密闭所述真空隔音箱8的顶部开口。

所述固定装置4包括粘合层和辅助锚杆，所述粘合层附着在所述横梁与所述轨道桥梁3贴合的位置，并通过所述辅助锚杆将横梁固定在所述轨道桥梁3上。防止声音采集设备从轨道桥梁上掉落，使采集工作能够顺利进行。

所述真空隔音箱8的顶部开口处向外侧延伸扩大，所述扩大的顶部开口处与所述轨道桥梁3之间填充有橡胶垫5。

橡胶垫5在声音采集设备2和轨道桥梁3之间可起到衬垫、密封、缓冲的作用。

如图3-4所示，本发明还涉及一种声振式轨道桥梁健康监测系统，该系统包括云计算服务器12以及所述的监测装置，所述监测装置的声音采集设备2采集车轮激励源1振动冲击轨道桥梁3时所产生的激励沿桥梁结构传输而来的声音频谱，所述监测装置的通讯处理设备11将采集的声音信号发送至所述云计算服务器12中，所述云计算服务器12对声音信号进行分析处理，从而判断出轨道桥梁3健康的信息。

所述云计算服务器12还通过数据线连接各个管理设备13，所述管理设备13发送指令至云计算服务器12中，云计算服务器12根据指令对出轨道桥梁健康的信息进行存储、更新、删除的操作。

如图5所示，一种声振式轨道桥梁健康监测方法，采用所述的声振式轨道桥梁健康监测系统，包括如下步骤：

步骤S1：对待检测轨道桥梁的监测点进行布设规划，并在各个监测点安装声音采集设备；

步骤S2：搭建云计算服务器，在云计算服务器上集成多个声音数据分析处理系统；

步骤S3：对云计算服务器及声音采集设备之间的通讯处理设备进行调试，从而建立云计算服务器及声音采集设备之间的数据通讯；

步骤S4：声音采集设备实时对车轮激励源振动冲击轨道桥梁时产生的激励沿桥梁结构传输而来的声音频谱进行监测，当监测到所述声音频谱时，声音采集设备将所述声音频谱发送至通讯处理设备中；

步骤S5：通讯处理设备接收到所述声音频谱后，对声音频谱进行编码，再将编码后的声音频谱发送至云计算服务器中；

步骤S6：云计算服务器通过集成多个声音数据分析处理系统对编码后的声音频谱进行分析处理，从而判断出轨道桥梁健康的信息。

优选的，所述步骤S6后，还包括云计算服务器根据管理设备的指令对出轨道桥梁健康的信息进行存储、更新、删除的步骤。

具体的，步骤S5中利用压缩BCD编码的方式对激励声音信号进行编码，便于数据通信传输。

具体的，所述步骤S6中云计算服务器通过集成多个声音数据分析处理系统对编码后的激励声音信号进行分析处理，还包括如下步骤：云计算服务器上设有声音特征统计数据库，所述声音特征统计数据库预存有桥梁健康的标准参考数据，从编码后的声音频谱获得频谱特性，并将该频谱特性与所述声音特征统计数据库中的标准参考数据进行比对分析，从而判断出轨道桥梁健康的信息。

其中，分析和计算具体处理方法为：

基于统计性对比分析，比如某个时刻，不同桥梁健康综合性能指标的曲线图；

识别出裂纹，包括大小、位置、形变等不同特征，对应声音频谱各不相同；

根据声音频谱特征变化，比如声强，声压等变化情况；

计算方法具体可采用等效连续A声级评价方法；等效连续A声级评价方法具体为在声场中的某一定点位置上，对一段时间内出现的几个不同A声级，采用能量平均的方法，以一个在相同时间内能量与之相等的稳定连续的A声级，来表示该段时间内声音的大小，这个A声级就是等效连续A声级，常以符号L_eq表示单位为dB,其数学表达式为：

上式中,T为总的测量时间；P_A(t)为A计权瞬时声压；P₀为基准声压，P₀＝20uP_a；L_A(t)为声音的瞬时A声级；

对有限个A声级测定值，上式可简化为：

上式中，L_A1、L_A2分别为t₁、t₂等时间内发生的A声级；t₁、t₂分别为L_A1、L_A2等对应的时间段；L_Ai为n个A声级中第i个测定值，i为大于0的整数。

云计算服务器上设有声音特征统计数据库，所述声音特征统计数据库预存有桥梁健康的标准参考数据，从编码后的声音频谱获得频谱特性，并将该频谱特性与预存的声音特征统计数据库中标准参考数据进行对比分析，参考数据包括正常声音频谱的变化范围、标定范围的阈值进行对比分析，利用阈值评判声音频谱的异常情况，从而判断出轨道桥梁健康的信息。

具体的，所述步骤S1中对待检测轨道桥梁的监测点进行布设规划，具体方法为：沿待检测轨道桥梁的方向，在每个桥墩的两侧各安置一个监测点，并在监测点上安装声音采集设备；通讯处理设备设置在轨道桥梁的桥墩与桥面结合处且通过数据线分别与各个声音采集设备连接。

所述步骤S6前，还包括对激励声音信号进行校验灵敏度的步骤。

校验灵敏度的步骤为：

步骤(1)：打点：逐个敲击测点，查看云计算处理器中对激励声音信号显示的实时性；

(2)坏点测试，利用云计算处理器中集成的声音数据分析处理系统对已知坏点进行测试。

本发明基于云平台架构的声振式轨道桥梁健康监测装置精简了桥梁监测现场设施，节省工程造价，通过集约化管理，降低了在线监测系统维护工作量，监测现场不再需要单独的机房建设与运维支付高昂的独立网络费用；只需支付较低的普通网络费用和云计算服务费用，异地数据备份容灾保障，并提供统一的监控、报警、问题处理等专业服务，提高系统稳定性，避免数据的丢失遗漏。提供优质稳定的服务器群，实现高效的大数据分析处理，减少用户在一手数据的获取及整理上的工作量。简化施工过程和系统运维，让用户只需关注桥梁现场传感设备安装，提供更加全面的监测功能，真正实现桥梁在线监测简约而不简单，实现对计算能力、存储资源、网络吞吐量、应用服务进行7*24小时全时区、多地域、全方位、立体式、智能化的运维监控，保障监测系统安全、稳定、可靠的运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。