一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统及监测方法.pdf

本发明公开了一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统及监测方法，其中监测系统包括若干个水工设施结构物健康监测终端，均与若干个所述水工设施结构物健康监测终端相连的数据汇聚点，以及与数据汇聚点相连的数据传输与分析系统；若干个水工设施结构物健康监测终端分别安装在船闸的若干个待测位置处，用于获取对应待测位置处的监测数据、并将监测数据传输至数据汇聚点；数据汇聚点和数据传输与分析系统均部署在船闸的闸首工作间，分别用于接收、发送监测数据和对监测数据进行管理、分析、并得出船闸水工设施结构物的健康监测状态。方便部署，可为船闸提供早期预警及实时监控，维护成本低，使用寿命长，经济而实用。

1.一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，其特征在于：包括若干个水工设施
结构物健康监测终端，均与若干个所述水工设施结构物健康监测终端相连的数据汇聚点，
以及与数据汇聚点相连的数据传输与分析系统；
若干个所述水工设施结构物健康监测终端分别安装在船闸的若干个待测位置处，每个
水工设施结构物健康监测终端用于获取对应待测位置处的监测数据、并将监测数据传输至
数据汇聚点；
所述数据汇聚点和数据传输与分析系统均部署在船闸的闸首工作间，数据汇聚点用于
接收监测数据、并将监测数据发送给数据传输与分析系统，数据传输与分析系统用于对监
测数据进行管理和分析、并得出船闸水工设施结构物的健康监测状态。
2.根据权利要求1所述的一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，其特征在于：
若干个所述水工设施结构物健康监测终端均包括控制模块，分别与控制模块相连的转换模
块、传输模块和电源模块，以及与转换模块相连的信息采集模块；
所述信息采集模块用于采集待测位置处的监测数据模拟量，所述转换模块用于将监测
数据模拟量转换成监测数据数字量，所述控制模块用于接收和存储监测数据数字量、并将
监测数据数字量通过传输模块传输至数据汇聚点，所述电源模块用于供电。
3.根据权利要求2所述的一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，其特征在于：
所述控制模块包括依次相连的中央处理器和存储模块，所述中央处理器采用LPC2210芯片，
所述存储模块采用型号为K6F8016U6D的FLASH模块。
4.根据权利要求2所述的一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，其特征在于：
所述信息采集模块采用型号为DAM7021的采集器，所述转换模块为与信息采集模块相匹配
的AD转换器。
5.根据权利要求2所述的一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，其特征在于：
所述传输模块采用型号为STR30的微功率无线数据传输模块。
6.根据权利要求1所述的一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，其特征在于：
所述数据汇聚点包括节点控制器，与节点控制器相连的节点传输模块和供电电源。
7.根据权利要求1所述的一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，其特征在于：
所述水工设施结构物健康监测终端安装在防护等级为IP54的机柜内。
8.根据权利要求1所述的一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，其特征在于：
若干个所述待测位置处包括闸门、闸室、闸首和引航道，对应安装的若干个所述水工设施结
构物健康监测终端分别为闸门结构物健康监测终端、闸室结构物健康监测终端、闸首结构
物健康监测终端和引航道结构物健康监测终端；
所述闸门结构物健康监测终端用于采集闸门的应变分布信息，所述闸室结构物健康监
测终端用于采集闸室的系船柱感应电压信息，所述闸首结构物健康监测终端用于采集闸首
的阀门启闭设备电压信息，所述引航道结构物健康监测终端用于采集引航道的峰值水压信
息。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统的
监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过分别安装在船闸的若干个待测位置处的若干个水工设施结构物健康监测终端
获取对应待测位置处的监测数据，每个水工设施结构物健康监测终端按1天/次为单位积累
原始监测数据、并将原始监测数据汇聚至数据汇聚点；
2)通过数据汇聚点将汇聚的原始监测数据发送给数据传输与分析系统，数据传输与分
析系统收集30天的原始监测数据；
3)数据传输与分析系统根据30天的单值，应用灰色关联度分析方法分析不同待测位置
处的水工设施结构物健康监测终端的关联度后得出船闸水工设施结构物的健康监测状态，
并给出针对性的养护建议。
10.根据权利要求9所述的一种船闸结构物健康监测的监测系统的监测方法，其特征在
于：所述灰色关联度分析方法具体为，
3-1)将30天的原始监测数据初始化，去量纲后，并作为数列：
X₀＝{x₀(k)|k＝1,2,...,n}＝{x₀(1),x₀(2),...,x₀(n)}
其中，X₀为获取的数列，x₀(k)为K位置水工设施结构物健康监测终端获取参数去量纲后
的数值，n为自然数；
3-2)计算关联系数：
${\mathrm{\ξ}}_i\left(k\right)=\frac{minmin|x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|+\mathrm{\ρ}\max \max |x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|}{|x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|+\mathrm{\ρ}\max \max |x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|}$
其中，ξ_i(k)为参数K的关联系数，x_i(k)为参数K在i位置的对应数值，ρ为分辨系数；
3-3)计算不同待测位置处的水工设施结构物健康监测终端的各相关的关联度：
$r_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ζ}}_i\left(k\right)$
3-4)排列关联度资料：
$x_i=(1,\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(2\right)},\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(3\right)},\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(4\right)}...)$
其中，x_i为第i个对象的关联度；
3-5)依据关联度从大到小的排序，给出关联度的排序前三项；
3-6)根据关联度的排序前三项，得出船闸水工设施结构物的健康监测状态，并给出针
对性的养护建议。

一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及一种监测系统及方法，特别是涉及一种船闸水工设施结构物健康监测
的监测系统及监测方法，属于水运工程监测技术领域。

背景技术

高层建筑、空间结构、大型桥梁、大坝、隧道、船闸等结构物的安全性、可靠性与每
个人密切相关，由于自然灾害或人为因素或结构本身的性能，结构物突发事件屡有发生。我
国船闸水工设施属于重要结构物，特别是通航船闸的水工设施，每年通过各类船闸的船舶
数量超过10万至50万艘次，船闸水工设施的结构物安全影响巨大，每年有上百亿的船闸养
护费用往复投入。

在我国内河，较早的船闸建立于上世纪六十年代，已逐步接近使用寿命。近几十年
来的船闸建设迅速，保障船闸结构安全、船闸结构物的健康监测需求迫切。

开展船闸水工设施结构物健康监测研究，保障船舶运行安全，为船闸养护和管理
提供支撑，并支持早期预警及实时监控信息的获取与发布，支撑船闸养护成为了信息化、传
感器领域的重要课题之一。

现有的健康监测主要应用于大型桥梁、大坝等处，主要通过预埋一些感应片等感
应装置，这些感应片往往寿命在2～3年左右，维护成本高昂，无法适应恶劣环境。考虑到船
闸结构物的建设周期与适用性等问题，目前船闸还没有完备的健康监测系统。

现有的船闸水工设施的养护由于还没有健康监测数据来源，在养护前需要人工估
计整个船闸的运行状态，具体的养护过程需要在船闸排完水之后，人工进场测试整个状态，
之后才能针对性的养护。所以，传统的现有健康监测工作涉及人工检测、人工排水、人工养
护等一系列工作，不仅工作效率低，而且维护成本高。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种船闸水工设施结构物
健康监测的监测系统及监测方法，方便部署，可为船闸提供早期预警及实时监控，维护成本
低，使用寿命长，经济而实用，且具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，包括若干个水工设施结构物健康
监测终端，均与若干个所述水工设施结构物健康监测终端相连的数据汇聚点，以及与数据
汇聚点相连的数据传输与分析系统。

其中，若干个所述水工设施结构物健康监测终端分别安装在船闸的若干个待测位
置处，每个水工设施结构物健康监测终端用于获取对应待测位置处的监测数据、并将监测
数据传输至数据汇聚点。

而且，所述数据汇聚点和数据传输与分析系统均部署在船闸的闸首工作间，数据
汇聚点用于接收监测数据、并将监测数据发送给数据传输与分析系统，数据传输与分析系
统用于对监测数据进行管理和分析、并得出船闸水工设施结构物的健康监测状态。

本发明进一步设置为：若干个所述水工设施结构物健康监测终端均包括控制模
块，分别与控制模块相连的转换模块、传输模块和电源模块，以及与转换模块相连的信息采
集模块；所述信息采集模块用于采集待测位置处的监测数据模拟量，所述转换模块用于将
监测数据模拟量转换成监测数据数字量，所述控制模块用于接收和存储监测数据数字量、
并将监测数据数字量通过传输模块传输至数据汇聚点，所述电源模块用于供电。

本发明进一步设置为：所述控制模块包括依次相连的中央处理器和存储模块，所
述中央处理器采用LPC2210芯片，所述存储模块采用型号为K6F8016U6D的FLASH模块。

本发明进一步设置为：所述信息采集模块采用型号为DAM7021的采集器，所述转换
模块为与信息采集模块相匹配的AD转换器。

本发明进一步设置为：所述传输模块采用型号为STR30的微功率无线数据传输模
块。

本发明进一步设置为：所述数据汇聚点包括节点控制器，与节点控制器相连的节
点传输模块和供电电源。

本发明进一步设置为：所述水工设施结构物健康监测终端安装在防护等级为IP54
的机柜内。

本发明进一步设置为：若干个所述待测位置处包括闸门、闸室、闸首和引航道，对
应安装的若干个所述水工设施结构物健康监测终端分别为闸门结构物健康监测终端、闸室
结构物健康监测终端、闸首结构物健康监测终端和引航道结构物健康监测终端；所述闸门
结构物健康监测终端用于采集闸门的应变分布信息，所述闸室结构物健康监测终端用于采
集闸室的系船柱感应电压信息，所述闸首结构物健康监测终端用于采集闸首的阀门启闭设
备电压信息，所述引航道结构物健康监测终端用于采集引航道的峰值水压信息。

本发明还提供一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统的监测方法，包括以
下步骤：

1)通过分别安装在船闸的若干个待测位置处的若干个水工设施结构物健康监测
终端获取对应待测位置处的监测数据，每个水工设施结构物健康监测终端按1天/次为单位
积累原始监测数据、并将原始监测数据汇聚至数据汇聚点；

2)通过数据汇聚点将汇聚的原始监测数据发送给数据传输与分析系统，数据传输
与分析系统收集30天的原始监测数据；

3)数据传输与分析系统根据30天的单值，应用灰色关联度分析方法分析不同待测
位置处的水工设施结构物健康监测终端的关联度后得出船闸水工设施结构物的健康监测
状态，并给出针对性的养护建议。

本发明的监测方法进一步设置为：所述灰色关联度分析方法具体为，

3-1)将30天的原始监测数据初始化，去量纲后，并作为数列：

X₀＝{x₀(k)|k＝1,2,...,n}＝{x₀(1),x₀(2),...,x₀(n)}

其中，X₀为获取的数列，x₀(k)为K位置水工设施结构物健康监测终端获取参数去量
纲后的数值，n为自然数；

3-2)计算关联系数：

${\mathrm{\ξ}}_i\left(k\right)=\frac{\min \min |x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|+\mathrm{\ρ}\max \max |x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|}{|x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|+\mathrm{\ρ}\max \max |x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|}$

其中，ξ_i(k)为参数K的关联系数，x_i(k)为参数K在i位置的对应数值，ρ为分辨系数；

3-3)计算不同待测位置处的水工设施结构物健康监测终端的各相关的关联度：

$r_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ζ}}_i\left(k\right)$

3-4)排列关联度资料：

$x_i=(1,\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(2\right)},\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(3\right)},\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(4\right)}...)$

其中，x_i为第i个对象的关联度；

3-5)依据关联度从大到小的排序，给出关联度的排序前三项；

3-6)根据关联度的排序前三项，得出船闸水工设施结构物的健康监测状态，并给
出针对性的养护建议。与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提供的监测系统，通过水工设施结构物健康监测终端、数据汇聚点和数据
传输与分析系统的设置，实现方便部署，可替代现有的传统的人工检测、人工排水、人工养
护等一系列前期工作，监测高效可靠，可为船闸提供早期预警及实时监控，维护成本低，使
用寿命长，经济而实用，还有利于与其他信息化系统进行扩展兼容。

本发明提供的监测方法，利用分布式感知的水工设施结构物健康监测终端，数据
汇聚点的无线传输，以及数据传输与分析系统的灰色关联度分析方法等，面向船闸水工设
施结构物的现状与运行特点，根据船闸水工设施结构物的特点，选择船闸运行的关键待测
位置，得出船闸水工设施结构物的健康监测状态，并给出针对性的养护建议，实时性好，响
应快速，维护成本低、应用范围广，可实现较大的社会效益、经济效益，可较好的应用于现有
船闸和新建船闸。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下
面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统的结构框图；

图2为本发明一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统中结构物健康监测终
端的结构框图；

图3为本发明一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统的监测方法的流程
图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统，包括若干个水工设施
结构物健康监测终端，均与若干个所述水工设施结构物健康监测终端相连的数据汇聚点，
以及与数据汇聚点相连的数据传输与分析系统。

若干个所述水工设施结构物健康监测终端分别安装在船闸的若干个待测位置处，
每个水工设施结构物健康监测终端用于获取对应待测位置处的监测数据、并将监测数据传
输至数据汇聚点。

其中，若干个所述待测位置处包括闸门、闸室、闸首和引航道，对应安装的若干个
所述水工设施结构物健康监测终端分别为闸门结构物健康监测终端、闸室结构物健康监测
终端、闸首结构物健康监测终端和引航道结构物健康监测终端；所述闸门结构物健康监测
终端用于采集闸门的应变分布信息，所述闸室结构物健康监测终端用于采集闸室的系船柱
感应电压信息，所述闸首结构物健康监测终端用于采集闸首的阀门启闭设备电压信息，所
述引航道结构物健康监测终端用于采集引航道的峰值水压信息。

所述数据汇聚点和数据传输与分析系统均部署在船闸的闸首工作间(或船闸调度
室)，数据汇聚点用于接收监测数据、并将监测数据发送给数据传输与分析系统，数据传输
与分析系统用于对监测数据进行管理和分析、并得出船闸结构物的健康监测状态。

如图2所示，若干个所述水工设施结构物健康监测终端均包括控制模块(即CPU模
块)，分别与控制模块相连的转换模块、传输模块和电源模块，以及与转换模块相连的信息
采集模块。所述水工设施结构物健康监测终端安装在防护等级为IP54的机柜内，防水性能
好，使用寿命长。

所述信息采集模块采用型号为DAM7021的采集器，用于采集待测位置处的监测数
据模拟量；所述转换模块为与信息采集模块相匹配的AD转换器，用于将监测数据模拟量转
换成监测数据数字量。

所述控制模块用于接收和存储监测数据数字量、并将监测数据数字量通过传输模
块传输至数据汇聚点，包括依次相连的中央处理器和存储模块，所述中央处理器采用
LPC2210芯片，所述存储模块采用型号为K6F8016U6D的FLASH模块。

所述传输模块采用型号为STR30的微功率无线数据传输模块，用于数据传输；所述
电源模块用于供电。

所述数据汇聚点包括节点控制器，与节点控制器相连的节点传输模块和供电电
源。

本发明还提供一种船闸水工设施结构物健康监测的监测系统的监测方法，如图3
所示，包括以下步骤：

1)通过分别安装在船闸的若干个待测位置处的若干个水工设施结构物健康监测
终端获取对应待测位置处的监测数据，每个水工设施结构物健康监测终端按1天/次为单位
积累原始监测数据、并将原始监测数据汇聚至数据汇聚点；

2)通过数据汇聚点将汇聚的原始监测数据发送给数据传输与分析系统，数据传输
与分析系统收集30天的原始监测数据；

3)数据传输与分析系统根据30天的单值，应用灰色关联度分析方法分析不同待测
位置处的水工设施结构物健康监测终端的关联度后得出船闸水工设施结构物的健康监测
状态，并给出针对性的养护建议。

其中，所述灰色关联度分析方法具体为，

3-1)将30天的原始监测数据初始化，去量纲后，并作为数列：

X₀＝{x₀(k)|k＝1,2,...,n}＝{x₀(1),x₀(2),...,x₀(n)}

其中，X₀为获取的数列，x₀(k)为K位置水工设施结构物健康监测终端获取参数去量
纲后的数值，n为自然数；

3-2)计算关联系数：

${\mathrm{\ξ}}_i\left(k\right)=\frac{\min \min |x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|+\mathrm{\ρ}\max \max |x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|}{|x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|+\mathrm{\ρ}\max \max |x_0\left(k\right)-x_i\left(k\right)|}$

其中，ξ_i(k)为参数K的关联系数，x_i(k)为参数K在i位置的对应数值，ρ为分辨系数，
一般取0.5；

3-3)计算不同待测位置处的水工设施结构物健康监测终端的各相关的关联度：

$r_i=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ζ}}_i\left(k\right)$

3-4)排列关联度资料：

$x_i=(1,\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(2\right)},\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(3\right)},\frac{x_i\left(1\right)}{x_i\left(4\right)}...)$

其中，x_i为第i个对象的关联度；

3-5)依据关联度从大到小的排序，给出关联度的排序前三项；

3-6)根据关联度的排序前三项，得出船闸水工设施结构物的健康监测状态，并给
出针对性的养护建议。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽
然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人
员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰
为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质
对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围
内。