智能手机结构健康云监测技术

0 引 言

近十几年来，作为保障大型工程结构安全的有效措施， 结构健康监测领域的研究与应用取得了长足发展。中国很多大 跨桥梁，例如舟山西堠门大桥、虎门大桥、江阴长江大桥等， 都安装了结构健康监测系统，针对温度、车辆荷载、应变、挠度、 拉索振动、主梁振动等参量进行长期监测与评定 [1]。结构健 康监测技术已经日臻成熟。但是，同样也存在一些需要考虑完 善的问题。结构健康监测系统目前大部分安装在大型工程结 构中，如大跨桥梁，大坝，超高层结构，海洋平台等，需要昂 贵的传感系统，数据采集系统和数据传输系统，同时需要专 业人员来实施操作。然而，对于一些小型的工程结构，由于 其造价高、专业性强的特点限制，则很少进行监测。开发适用 于普通群众参与的低成本、零成本、快速、简单、便捷的监 测技术十分必要 [2]。

智能手机作为目前发展最为迅速的一种通讯工具，已拥 有了技术先进的硬软件集成平台，是物联网建设中非常重要的 一个环节。目前智能手机已经在一些领域得到应用，比如人体 的健康监测 [3,4]、汽车碰撞 [5,,6]、家电控制 [7]、图书馆管理 [8]、 运动识别 [9-11] 等。智能手机内置传感、网络通讯、计算分析及 存储等功能，为其在结构健康监测中的应用提供可能性。本 研究团队于 2011 年率先提出基于智能手机的结构健康云监测 方法，并开展了系统的研究。首次将智能手机应用于结构健 康监测中，证实了其可行性与有效性 [12] ；应用内置传感器和 研发手机外接传感模块成功测试结构振动加速度进而实现索 力的测量 [13-15] ；应用内置陀螺仪进行倾角监测，并用于星海湾 跨海大桥钢桁梁吊装监测 [16] ；基于手机人机交互式界面开发 地震烈度、损伤统计分析软件 [17,18] ；开发了基于视频位移监测 原理的智能手机位移监测程序 D-Viewer，并在苹果商店与安 卓 App 应用平台发布。2015 年 7月，在第 7 届智能结构健康 监测国际会议（SHMII 2015）上组织了“智能手机结构健康云 监测与应用”的专题峰会 [18]。本文提出了基于智能手机的结 构健康云监测技术，并开发了结构健康智能手机云监测系统猎 户座云细胞（Orion CC）应用于桥梁拉索索力测试中，测试结 果证明了该软件的便捷性及高效性。并建立了结构云监测数据 共享平台 www.cloudshm.com，此开放式平台为数据上传、共 享及实现大数据云计算提供了可能。

1 智能手机结构健康安全云监测构架 

本文提出的基于智能手机的结构健康安全云监测技术构 架如图 1 所示。该结构包括感知控制层、网络传输层、信息汇 聚层、数据加工层、诊断决策层和信息输出层。

在人们的日常生活中，智能手机扮演着重要的角色，其内 置传感器、网络与存储功能可以为结构健康云监测技术的实 现提供可能。通过手机内部传感器获得结构或环境的一些参 数，例如地理位置信息、温度、加速度、倾角、位移等，其交 互式界面也可应用到地震烈度调查获得烈度信息。因手机数 量庞大，只要有对应的监测软件便可得到监测信息，所以手机 的使用会使大众参与式监测成为可能。获得数据后，通过手机网络信号将数据上传至服务器或网站，使监测大数据汇聚。 然后对大数据进行加工分析，得到结构的物理参数改变情况。 进而进入诊断决策层，通过结构物理特性的改变对结构损伤 情况进行评定，最后输出结构安全信息。基于输出的结构安 全或损伤信息，提供相应的安全措施，并反馈至手机用户端， 给予指导和帮助。

2 结构健康智能手机云监测系统 Orion CC 

2.1 程序的设计 

结构健康智能手机云监测系统以程序“猎户座云细胞” 为基础，该程序英文名为 Orion CC（Orion Cloud cell）。建立 在 iPhone 平台上，可以调用手机内部摄像头、加速度传感器、 陀螺仪等进行数据采集，获得采集图像、加速度和倾角等数据， 并可获得地理位置信息。然后数据分析功能可以计算得到索 力测试所需参数。所有的采集数据和索力数据都可以通过网 络上传至数据共享平台 www.cloudshm.com。目前，该程序已 发布至 App Apple store，可供用户免费下载。软件下载地址为： https ：//itunes.apple.com/cn/app/orion-cc/id951253417?mt=8。

2.2 程序功能 

该程序的部分界面如图 2 所示。图 2（a）为该程序的主 界面，主要包括以下几个功能 ： 

（1）当前位置的采集，用来获取当前所做监测的具体位 置信息。

（2）采集项目的建立，用来建立当前所做测试的数据库， 可进行采集的项目如图 2（b）所示。

（3）数据分析，对所建项目的加速度采集数据进行分析， 可以得到加速度时程曲线及频谱图，通过选取不同阶次的频 率值计算频差值如图 2（c）所示。并结合索的参数，快速进 行索力计算如图 2（d）所示。

2.3 程序功能的网络扩展 

该程序所采集的数据可以通过网络上传至结构云监测数 据共享平台 www.cloudshm.com。若要实现这一功能，首先要 注册账户，使之成为手机端与网站的用户。该账号对于手机端 与网站端是通用的。进行采集时，通过自己的账户进行登录如 图 3 所示，继而进入图 2（a）的主界面，实现所需功能。

当完成所有采集和计算后，将项目进行同步，此次监测 的数据包括位置信息、加速度、索力等，便可同步至网站，实 现数据共享。

3 Orion CC 在桥梁索力监测中的应用 

3.1 Orion CC 概述 

Orion CC 程序可以进行索力的快速计算。该方法的基本 原理是振动法测试索力，通过加速度传感器获得斜拉索的振 动信息，得到加速度时程曲线，并对其做傅里叶变换，得到频 谱图。从频谱图中可以获得振动基频，即第一阶频率，其与 索力有固定的关系。但是实际工程中，第一阶频率往往不明显，现场工程师通常选取频差值进行索力的计算。其计算公式为 ： F=4ml2Δf2，m 为索的质量线密度，l 为索长，Δf 为频差值。

当数据与网站同步后，监测大数据便上传至网站。从网 站上可以观察所有上传的监测项目，监测大数据的汇聚效率大 大提高，任何人都可以上传，访问与共享数据。该方法也可以 推广至土木工程结构的其他监测项目，使监测大数据汇总至 网站，并对其进行大数据分析，自然灾害来临时，结合数据上 传情况，快速的进行区域灾害评定。 

3.2 星海湾大桥索力测试

3.2.1 测试现场描述 

将 Orion CC 应用于星海湾跨海大桥的索力测试中，通过 Orion CC 所得索力与 Matlab 后期处理的对比，来判断该软件 的可行性。 

星海湾大桥立面图如图 4 所示，所做测试为 15 ～ 18 组。 每组包含两根吊杆，测试 15 ～ 17 号的各一根，及18 号的两 根吊杆。测试当天天气为－ 8 ℃，海上风力 8 ～ 9 级，现场 条件恶劣。

以第 18 组吊杆为例，现场的实验照片如图 5 所示。使用 带有可触屏固定套的子母带将其固定在吊杆上，使其自由激振 或者给予人工振动。获得加速度数值。最后使用软件 Orion- CC，结合吊杆参数获得索力数据。 

3.2.2 测试结果 

通过现场对 5 根吊杆进行测试，每组测试 3 次，由手机 直接得到频差与 Matlab 后期对比，对比结果如表 1 所列。

由表 1 可以看出，在对同一根吊杆的测试中，每次测试 用两种方法得到的结果相差很小。最大也不到 1%。而对于每 根索 3 组的测量数据，该软件 Orion CC 进行频差分析所得频 差也很接近，误差均低于1%。总体来说保持在很小的误差之内， 采用 Orion CC 进行数据采集并分析，结果重复性良好。

由以上在实际结构中进行监测的结果证明，该软件可以 在实际结构中进行应用，而且体现了良好的稳定性。相比其他 监测方式来说，方便、快捷是最大的优势。目前 Orion CC 已 经发布到 App Store，所有人都可以免费下载，而只要安装了 该软件，任何对桥梁索力感兴趣的人都可以自己进行监测了解， 降低了对专业性的要求。该方法无需任何专业设备即可实现 对桥梁索力的测试，极大地降低了索力测试成本。

4 结构云监测数据共享平台 

Orion CC 手机云监测系统作为一个高效且便捷的健康监 测信息采集和传输平台，同时具备数据处理和网络上传等功能， 用户可将采集到的数据通过网络上传至服务器终端，即结构云 监测数据共享平台，为后期结构健康监测提供数据支持，同 时也因该系统具有公众可参与性强的特点，为应急状态下的大 区域结构安全快速监测提供了可能。

结构云监测数据共享平台支持用户注册，注册后用户可 以登陆个人账号建立相应的监测主项目和相应的子项目，然后 完成相应的监测数据采集工作，用户在数据处理后可以选择 网络同步功能来上传相应的监测数据。该平台目前支持图像信 息、地理位置信息以及软件后处理数据信息的网络上传。用户 只需登录结构云监测数据共享平台 www.cloudshm.com 即可 对个人监测信息进行管理，如图 6 所示。

友好的手机操作界面不仅为专业的工程技术人员提供了 方便、节约了成本，同时也因其高效便捷易操作等优点而使其 更易于被公众接受，主动参与到结构健康监测活动，在应急 情况下则为大区域的结构安全快速健康评估提供了可能。这 是常规的结构健康监测系统无法实现的。该结构云监测数据 共享平台可以将用户采集作业时的地理位置信息和相应的项目 名称显示在地图中，为便于公众查看，这里给出如图 7 所示的 示例图。

本研究中心开发的结构云监测数据共享平台，不仅为用户提供了数据的在线管理，同时也为公众参与结构健康监测 提供了交流和信息共享的平台，为实现大区域内结构安全快速 评估提供了数据支持和可能。

5 结 语

本文提出了一种基于智能手机的结构健康云监测方法， 在 iPhone 手机上开发了 Orion CC 智能手机云监测系统，并将 之应用在实际工程索力测试中，测试结果证明了其可行性和便 捷性。建立了结构云监测数据共享平台 www.cloudshm.com， 只要注册账户，便可实现数据上传与共享，便于监测大数据的 融合、分析与安全快速评估。目前 Orion CC 数据与网站可以 成功实现同步和共享，使得结构健康云监测的大数据收集与 评定成为可能。智能手机结构健康云监测领域的研究将是当 前传统结构健康监测技术的重要补充。同时该方法使得公众 参与的结构安全手机云监测大数据采集成为可能，将能够获 得传统结构健康监测所无法获得的监测与评定结果。