面向鋼軌的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的挑戰(zhàn)與應用

胡 泮,王海濤,田貴云,2,高運來,曾 偉

(1.南京航空航天大學 自動化學院，南京 211106； 2.紐卡斯爾大學 電子與計算機工程學院，紐卡斯爾 NE1 7RU)

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面向鋼軌的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的挑戰(zhàn)與應用

胡 泮1,王海濤1,田貴云1,2,高運來1,曾 偉1

(1.南京航空航天大學 自動化學院，南京 211106； 2.紐卡斯爾大學 電子與計算機工程學院，紐卡斯爾 NE1 7RU)

對面向鋼軌的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的挑戰(zhàn)和應用進行綜述。從傳感器優(yōu)化布置、能量采集和節(jié)能、時間同步和可靠性技術(shù)出發(fā)，提出了鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測背景下的挑戰(zhàn)；列舉了相關(guān)的有助于解決這些挑戰(zhàn)的應用。

無線傳感器網(wǎng)絡；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；優(yōu)化布置；能量

列車多運行在高速、重載、高密度的狀態(tài)下，因此作為承載列車運行的鋼軌的安全問題越來越受到重視。在20世紀20年代末，由于美國鐵路行業(yè)的需求，Elmer Sperry博士研制了用于鋼軌監(jiān)測的漏磁檢測方法，從此鋼軌結(jié)構(gòu)監(jiān)測開始成為新興的研究方向[1-2]。目前有多種方法可實現(xiàn)對鋼軌的監(jiān)測，如超聲法[3]、電磁法[4]、熱成像法[5]及脈沖渦流法[6]等，然而大多數(shù)無損檢測與評估方法仍無法實時提供完整結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是由沿著被測結(jié)構(gòu)的分布式傳感器網(wǎng)絡進行監(jiān)測的，數(shù)據(jù)通過有線電纜方式傳輸至監(jiān)測中心進行處理和分析[7]。科技的發(fā)展帶動了傳感器技術(shù)、電子封裝、信號處理、診斷學、應用力學、材料科學等學科的技術(shù)突破，常規(guī)監(jiān)測技術(shù)逐步向連續(xù)、實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)完整性和自動化的方向發(fā)展[8]，而發(fā)展成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法中，基于Lamb波的損傷檢測方法已廣泛應用[9]于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中。在有線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，由于需要有線來實現(xiàn)功率和數(shù)據(jù)傳輸，從而增加了系統(tǒng)的復雜性和維護的困難程度，增加了系統(tǒng)的成本。例如，用于高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的每個傳感器通道的成本超過5 000美元；香港青馬大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，350個傳感器通道的總成本超過800萬美元[8]。

近年來，無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，它由目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)放置的大量傳感器節(jié)點，通過無線通信的方式，形成一個自組織的多跳網(wǎng)絡；該網(wǎng)絡可感知、采集和處理網(wǎng)絡所覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對象的參數(shù)信息，可在任何時間和環(huán)境條件下獲取大量信息。

通過在鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中引入無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)，可大大降低系統(tǒng)復雜性和安裝維護成本。某面向鋼軌監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)具有以下特點：① 不同的傳感器被安裝在鋼軌所需檢測位置；② 傳感器節(jié)點可對數(shù)據(jù)進行采集和預處理，節(jié)點間使用無線傳輸協(xié)議與基站進行通信；③ 基站整理數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心可實時分析數(shù)據(jù)并管理網(wǎng)絡節(jié)點。在這種背景下，筆者對基于無線傳感網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的挑戰(zhàn)和應用進行綜述。

圖1 面向鋼軌的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

1 關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡中，雖然定位、安全等方面問題很重要，但它們并非鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)注的焦點。與被應用于其他領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡應用相比，面向鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡有一些特殊的問題需要解決。具體將重點關(guān)注以下幾個方面的問題：傳感器優(yōu)化布置、節(jié)能和能量采集技術(shù)、時間同步和可靠性。

1.1 傳感器優(yōu)化布置

典型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般由三個主要部分組成：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)采集、預處理、傳輸和存儲)和健康評估系統(tǒng)(包括結(jié)構(gòu)診斷算法和數(shù)據(jù)管理)[10]。文中關(guān)注的傳感器系統(tǒng)部分，具體是指傳感器的布置是否能夠完整反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。

傳感器系統(tǒng)是鐵路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。從理論上講，傳感器節(jié)點的數(shù)量越多，越能夠獲得全面的結(jié)構(gòu)響應信息。但由于成本等客觀因素的限制，傳感器節(jié)點的數(shù)量總是有限的，如何安排有限數(shù)量的傳感器并通過優(yōu)化布置傳感器來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài)信息的獲取是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 節(jié)能和能量采集技術(shù)

鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通常被部署在偏遠并且無電源供應的地點[12]，所以傳感器節(jié)點通常只可采用電池供電。這樣，如何降低節(jié)點的能量消耗[13]并盡可能通過能量采集技術(shù)對電池進行充電，成為系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

對于一個傳感器節(jié)點，大部分的能量要用在數(shù)據(jù)采集、預處理和傳輸上。則，傳感器節(jié)點每個部分的能量消耗主要體現(xiàn)在以下方面：

(1) 數(shù)據(jù)采集時，不同傳感器的響應時間是不同的，從傳感器開始工作，到輸出一個穩(wěn)定的精確信號需要一定的時間，此時傳感器的工作電流不能被忽略。

(2) 數(shù)據(jù)預處理時，測量傳感器信號需進行一系列預處理，包括濾波、放大并被節(jié)點的AD采用，因此模擬電路的功耗不可忽視。

(3) 數(shù)據(jù)傳輸時，通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點或協(xié)調(diào)節(jié)點也需要一定的時間，而這個無線傳輸期間的功耗是比較大的。

為了確保無線傳感器網(wǎng)絡的長時間工作，研究人員已開始尋求替代能源。通過收集環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電能再給無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點充電是一種具有廣闊前景的方法，但目前各種能量采集方法大多無法提供持續(xù)的能源供應，因此采集零星可用的能源成為了新的研究方向[15]。

1.3 時間同步

時間同步是資源調(diào)度和管理的重要前提，它在無線傳感器網(wǎng)絡中具有重要的意義。不同的監(jiān)測和缺陷診斷方法對于時間同步有不同需求，如應用于壓電陣列技術(shù)時，尤其采用時域分析方法分析鋼軌結(jié)構(gòu)不同測量點的測量數(shù)據(jù)時更需要精確的時間同步。無線傳感網(wǎng)絡中時間同步誤差源包括：發(fā)送時間、訪問時間、傳播時間和接收時間。其中，發(fā)送時間[16]是構(gòu)建消息并將消息發(fā)送到MAC層所花的時間；訪問時間[16]是等待無線通信信道空閑時產(chǎn)生的時間，其受信道條件的影響。

1.4 可靠性

可靠性是決定網(wǎng)絡性能的重要因素之一[17]，其又包括設備的可靠性和通信的可靠性。

從設備的可靠性來說，節(jié)點通常部署在惡劣的環(huán)境中，故在進行無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點設計時，必須充分考慮環(huán)境的影響，如采用耐高低溫、防水、漏電保護設計等。

從通信可靠性的角度來說，灰塵、污垢、高濕度水平和太陽輻射都會引起節(jié)點故障，并降低信號強度[17]，從而可能對鏈路連接和數(shù)據(jù)間歇性發(fā)送產(chǎn)生負面影響。這都是設計時應考慮的因素。

2 應用現(xiàn)狀

2.1 傳感器優(yōu)化布置

在傳感器的優(yōu)化布置方面,JIN[18]提出了一種結(jié)合改進聲搜索(HS)和模態(tài)保證準則(MAC)算法，優(yōu)化傳感器布置的方式。文獻[19]采用最大期望效用理論和貝葉斯線性模型，用于優(yōu)化傳感器的位置，同時提升了模態(tài)識別性能。為了避免模態(tài)參數(shù)和測量響應之間的非線性關(guān)系，文獻[19]通過模態(tài)響應選擇優(yōu)化的傳感器位置。

2.2 節(jié)能與能量采集傳感器節(jié)點一旦能量消耗殆盡，將不能正常工作。已經(jīng)有大量文獻對節(jié)點節(jié)能進行了研究，文章關(guān)注的是能源的采集問題。近年來，收集各種環(huán)境能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能的研究逐漸成為熱點[15]。目前，被認為適用于無線傳感網(wǎng)絡的環(huán)境能量主要有太陽能、機械能(振動或應變)、熱能和電磁能[20]。

然而，使用最廣泛的太陽能電池板的供電方式，也有一些實際的缺點，如電池板需要經(jīng)常清洗，天氣惡劣時太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率[21]會降低。筆者主要介紹兩種能量采集器：壓電[22]和電磁能量采集器[23]。

(1) 壓電振動能量采集器

壓電材料在受機械應變時可產(chǎn)生電能，如應變施加在軌道上或列車駛過時輪對與鋼軌接觸可產(chǎn)生電能[21]。壓電材料具有能夠承受惡劣環(huán)境并可提供大量能量的優(yōu)點。WISCHKE[24]發(fā)現(xiàn)鐵路軌枕具有可用的振動能量和足夠的安裝空間，設計了壓電振動采集器并配備了電源接口電路。NELSON[25]利用軌道的垂直運動產(chǎn)生的能量，并可產(chǎn)生1 mW的平均功率。

(2) 電磁振動能量采集器

電磁式振動能量采集器(EM-VEHs)的設計依據(jù)法拉第電磁感應定律[21]的工作原理。ZHU[26]改進了Halbach陣列，增加了能量采集器的輸出功率。LEE[27]通過拓撲優(yōu)化方法提出了一種電磁能量采集器，顯著提高了采集器電磁性能。

2.3 時間同步

時間同步是影響無線傳感網(wǎng)絡性能的重要組成部分。時間不同步，不僅會影響能量的消耗，而且影響結(jié)構(gòu)損傷識別算法的效果。QIU[28]提出了一種基于生成樹的時間同步算法(STETS)，有效地結(jié)合了兩個時間同步方案：發(fā)送-接收協(xié)議(SRP)和接收-接收協(xié)議(RRP)。在文獻[29]的研究中提出了一種按需時間同步協(xié)議，命名為AOTSP；通過理論分析和仿真結(jié)果，其具有以下優(yōu)點：① 弱的空間集聚效應；② 相當?shù)偷耐ㄐ懦杀?；?低的計算復雜度；④ 精度高；⑤ 高可擴展性。

3 結(jié)語

無線鋼軌結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，更利于對鋼軌狀態(tài)進行無線監(jiān)測，為列車運行提供安全保障。但在傳感器優(yōu)化布置、節(jié)能和能量采集、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)上存在挑戰(zhàn)。盡管無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在鐵路無損檢測領(lǐng)域中仍有一段相當長的路要走，但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展，其將在無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域有著更廣泛的應用。

[1] ALLISON A B. Sperry rail service[J]. Bull Natl Railway Historical Soc, 1968,33:6.

[2] CLARK R. Rail flaw detection: overview and needs for future developments[J]. NDT & E International, 2004, 37(2):111-118.

[3] ZENG W, WANG H, TIAN G, et al. Detection of surface defects for longitudinal acoustic waves by a laser ultrasonic imaging technique[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 2015, 127(1):415-459.

[4] TIAN G Y, SOPHIAN A. Study of magnetic sensors for pulsed eddy current techniques[J]. Insight, 2005, 47(5):277-279.

[5] GAO Y, TIAN G Y, WANG P, et al. Ferrite-yoke based pulsed induction thermography for cracks quantitative evaluation[C]∥2015 IEEE Far East NDT New Technology & Application Forum.[S.l]:[s.n], 2015:197-201.

[6] TIAN G Y, SOPHIAN A. Defect classification using a new feature for pulsed eddy current sensors[J]. Ndt & E International, 2005, 38(1):77-82.

[7] FEDERICI F, ALESII R, COLARIETI A, et al. Design of wireless sensor nodes for structural health monitoring applications[J]. Procedia Engineering, 2014, 87:1298-1301.

[8] SU Z, YE L. Identification of damage using Lamb waves: from fundamentals to applications[M]. Springer London: Springer Science & Business Media, 2009:1-12.

[9] QIU L, YUAN S. On development of a multi-channel PZT array scanning system and its evaluating application on UAV wing box[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2009, 151(2):220-230.

[10] MUFTI A A. Structural health monitoring of innovative canadian civil engineering structures[J]. Structural Health Monitoring, 2002, 1(1):89-103.

[11] FIDANOVA S, MARINOV P, ALBA E. Ant algorithm for optimal sensor deployment[J]. Studies of Computational Intelligence, 2012,399(5):21-29.

[12] HODGE V J, O′KEEFE S, WEEKS M, et al. Wireless sensor networks for condition monitoring in the railway industry: A survey[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2015, 16(3):1088-1106.

[13] ANASTASI G, CONTI M, DI FRANCESCO M, et al. Energy conservation in wireless sensor networks: A survey[J]. Ad Hoc Networks, 2009,7(3): 537-568.

[14] GUPTA P, KAKDE B. Challenges and design issues in WSN[J]. International Journal of Science, Engineering and Technology Research, 2014, 3(11):3126-3131.

[15] SEAH W K G, TAN Y K, CHAN A T S. Research in energy harvesting wireless sensor networks and the challenges ahead[M]. Autonomous Sensor Networks: Springer Berlin Heidelberg, 2012:73-93.

[16] SONG S, HE L, JIANG Y, et al. Wireless sensor network time synchronization algorithm based on SFD[J]. Advances in Wireless Sensor Networks Communications in Computer and Information Science, 2013, 334(2): 393-400.

[17] SALAM H A, KHAN B M. IWSN-standards, challenges and future[J]. IEEE Potentials, 2016, 35(2):9-16.

[18] JIN H, XIA J, WANG Y Q. Optimal sensor placement for space modal identification of crane structures based on an improved harmony search algorithm[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE A, 2015, 16(6):464-477.

[19] LI B, DER K A. Robust optimal sensor placement for operational modal analysis based on maximum expected utility[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2016, 75:155-175.

[20] VULLERS R J M, SCHAIJK R V, VISSER H J, et al. Energy harvesting for autonomous wireless sensor networks[J]. Solid-State Circuits Magazine, IEEE, 2010, 2(2):29-38.

[21] KHAN F U, AHMAD I. Review of energy harvesters utilizing bridge vibrations[J]. Shock & Vibration, 2016, 2016(2):1-21.

[22] JEON Y B, SOOD R, JEONG J H, et al. MEMS power generator with transverse mode thin film PZT[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2005, 122(1):16-22.

[23] CHIU M C, CHANG Y C, YEH L J, et al. Optimal design of a vibration-based electromagnetic energy harvester using a simulated annealing algorithm[J]. Journal of Mechanics, 2012, 28(4):691-700.

[24] WISCHKE M, KRONER M, WOIAS P, et al. Vibration harvesting in traffic tunnels to power wireless sensor nodes[J]. Smart Materials & Structures, 2011, 20(8):85014-85021.

[25] NELSON C A, PLATT S R, ALBRECHT D, et al. Power harvesting for railroad track health monitoring using piezoelectric and inductive devices[C]∥The 15th International Symposium on: Smart Structures and Materials & Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.[S.l.]: International Society for Optics and Photonics, 2008.

[26] ZHU D, BEEBY S, TUDOR J, et al. Increasing output power of electromagnetic vibration energy harvesters using improved Halbach arrays[J].Sensors & Actuators A Physical,2013,203(12):11-19.

[27] LEE J, YOON S W. Optimization of magnet and back iron topologies in electromagnetic vibration energy harvesters[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2014, 51(6):1.

[28] QIU T, CHI L, GUO W, et al. STETS: A novel energy-efficient time synchronization scheme based on embedded networking eevices[J]. Microprocessors & Microsystems, 2015, 39(8):1285-1295.

[29] HUANG G, ZOMAYA A Y, DELICATO F C, et al. An accurate on-demand time synchronization protocol for wireless sensor networks[J]. Journal of Parallel & Distributed Computing, 2012, 72(10):1332-1346.

Challenges and Applications of Structure Health Monitoring for Railway Based on Wireless Sensor Network

HU Pan1, WANG Hai-tao1, TIAN Gui-yun1,2, GAO Yun-lai1, ZENG Wei1

(1.College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, NE1 7RU, UK)

This paper reviews the recent progress for Wireless Sensor Network (WSN) based Structure Health Monitoring (SHM) technology for railway applications. Special challenges including optimal sensor placement, energy conservation and harvesting, time synchronization and reliability under the background of railway are enumerated. Case studies were made on related applications which may help to address these challenges.

WSN; SHM; Optimal placement; Energy

2016-06-22

國家重大儀器專項資助項目(61527803);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項目(KYLX16_0338)

胡 泮(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

王海濤，E-mail: htwang@nuaa.edu.cn。

10.11973/wsjc201612008

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0032-04