橋樑結構健康監測系統 - 安璣有限公司 AnKEY

專案概述

本專案為一套部署於工業級邊緣運算設備的橋樑結構健康監測系統，專門用於大型橋樑纜線的即時張力監測與分析。系統採用先進的訊號處理技術，能夠 24/7 自主運行，為橋樑結構安全提供可靠的數據支持。

                核心價值：透過振動訊號分析自動計算纜線張力，實現非接觸式的結構健康監測，有效降低人工檢測成本並提高安全性。
            

4

通道同步監測

1kHz

取樣頻率

24/7

自主運行

30分

循環週期

核心功能

多通道數據採集

4 通道加速度感測器同步監測，1kHz 高頻採樣，確保訊號品質

訊號處理分析

FFT 頻域分析、Hanning 窗函數處理、自動峰值偵測與諧波分析

張力計算

採用雙頻振動法，自動偵測自然頻率並計算纜線張力（公噸）

溫度監測

整合 PT100 溫度感測器，透過 Modbus TCP 即時讀取環境溫度

數據管理

自動匯出 CSV 格式數據至 USB 儲存裝置，支援原始數據、FFT 結果、自然頻率三種格式

遠端上傳

RESTful API 自動上傳監測數據至雲端伺服器，支援重試機制

技術架構

硬體平台

主控設備：工業級 DAQ 裝置（Linux ARM64 架構）
感測器：4 通道加速度感測器（差動轉單端轉換）
溫度監測：PT100 溫度感測器搭配乙太網路 RTD DAQ
儲存裝置：USB 隨身碟用於本地數據備份

軟體技術

Python 3.9 NumPy SciPy Modbus TCP RESTful API FFT 分析

核心演算法

FFT 頻域分析：使用 Hanning 窗函數進行訊號預處理，提高頻譜解析度
自然頻率偵測：自動搜尋峰值並驗證 2:1、3:1、4:1 等諧波關係
智慧頻率聚類：採用自適應容差進行頻率分組，提高偵測準確性
雙頻振動法：基於纜線振動理論計算張力值（公噸）

                程式架構特色：採用超精簡單檔設計（~716 行），功能式程式設計風格，最小化相依套件（僅 4 個外部套件），確保在嵌入式環境的穩定性與可維護性。
            

系統特色

工業級可靠性

24/7 全天候自主運行，無需人工介入
完善的錯誤處理與重試機制
雙重數據備份（本地 USB + 雲端上傳）
每讀取一次連線策略，避免長時間連線問題

精密訊號處理

1kHz 高頻取樣確保訊號完整性
FFT 頻域分析提供精確的頻率解析
自動諧波關係驗證，降低誤判率
通道專屬纜線參數設定（C6、C8、C10、C12）

高效能運算

針對嵌入式 ARM64 平台優化
精簡架構降低資源消耗
30 分鐘循環週期，平衡效能與電力消耗
智慧快取機制提升處理速度

應用場景

本系統適用於各類大型橋樑的結構健康監測，特別是：

斜張橋：監測斜拉索張力變化，確保結構安全
懸索橋：追蹤主纜與吊索的張力狀態
拱橋：監測吊桿張力分布
預防性維護：提早發現異常趨勢，降低維護成本
長期監測：建立歷史數據庫，分析結構退化趨勢

技術亮點

嵌入式專業

深度整合工業級硬體，針對 ARM64 平台優化，展現嵌入式系統開發能力

訊號處理

實作完整的 FFT 分析流程，包含視窗函數、峰值偵測、諧波分析等進階技術

IoT 整合

結合 Modbus TCP、RESTful API、本地儲存等多種通訊協定，打造完整 IoT 解決方案

專案成果

本系統已成功部署於實際橋樑環境，穩定運行並提供可靠的監測數據：

實現 4 條纜線的同步即時監測
自動計算張力值，範圍涵蓋 80-130 公噸
溫度監測範圍 20-35°C，確保環境因素追蹤
每 30 分鐘完成一次完整監測循環
數據成功上傳率達 100%（雙重備份機制）