全功能無線同步橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應用*

劉志強,李 娜,喻 言,毛幸全,楊志濤,牛立群

(1.中交公路規(guī)劃設計院有限公司,北京 100088;2.大連理工大學電子科學與技術學院,遼寧 大連 116024)

?

全功能無線同步橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應用*

劉志強1,李 娜1,喻 言2*,毛幸全1,楊志濤2,牛立群2

(1.中交公路規(guī)劃設計院有限公司,北京 100088;2.大連理工大學電子科學與技術學院,遼寧 大連 116024)

大型橋梁在改善城市交通狀況及促進社會經濟發(fā)展等方面起著重要作用。長期監(jiān)測運營中的橋梁,并及時評估其安全狀況對保障人們生命財產安全方面具有重要意義。開發(fā)了可以綜合監(jiān)測橋梁結構的全功能無線傳感系統(tǒng),提出了精度滿足系統(tǒng)要求、能量開銷更低的時間同步算法LP-TPSN。并對廈門某懸索橋進行了橋面振動測試。結果表明,該無線監(jiān)測系統(tǒng)測試橋面振動準確度高,同時具有操作方便、實時性好、同步開銷低等特點,在橋梁結構監(jiān)測及狀態(tài)評估領域中有良好的應用前景。

大型橋梁;全功能;無線傳感系統(tǒng);時間同步

大型橋梁通常由橋面、橋墩、斜拉索或懸索組成,橋梁的每個部位在橋梁結構中起著至關重要的作用。在長期承受荷載的作用及遭受自然環(huán)境的侵蝕下,橋梁結構將會受到損傷[1-3]。全面地監(jiān)測橋梁各個部位才能綜合地評估整個橋梁的安全狀態(tài)。本文開發(fā)了可以同時監(jiān)測橋梁整體信息、局部信息及環(huán)境信息的全功能無線傳感系統(tǒng)。

在橋梁監(jiān)測中,很多傳感器節(jié)點協(xié)同工作,共同完成數(shù)據(jù)的采集,而這些節(jié)點只有同步采集才能保證數(shù)據(jù)分析的結果是有效的。由于節(jié)點本身的差異及環(huán)境因素的影響[4-5],各個節(jié)點的時鐘是不同步的。為了使節(jié)點時鐘保持同步,研究了經典時間同步算法TPSN,并提出了一種改進型時間同步算法LP-TPSN。

1 全功能無線橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體架構

根據(jù)橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)的原理,所開發(fā)的系統(tǒng)包括全功能無線傳感器系統(tǒng)和監(jiān)測中心。可以對橋梁進行實時監(jiān)測,系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

首先,由構成樹狀網絡拓撲結構的全功能無線傳感系統(tǒng),對結構信息數(shù)據(jù)進行采集并完成無線傳輸。所有節(jié)點間以ZIGBEE協(xié)議進行相互通信。監(jiān)測中心通過數(shù)據(jù)線發(fā)送控制命令給根節(jié)點,并且根節(jié)點作為整個網絡的控制中心。根節(jié)點收到來自監(jiān)測中心的控制命令后,再發(fā)送相應的操作命令給自己的子節(jié)點,子節(jié)點再重復這個過程,直到網絡內所有的節(jié)點都收到操作命令。收到操作命令的節(jié)點通過外接傳感器或內置集成傳感器對結構的相關信息數(shù)據(jù)進行記錄采集,并將數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送到父節(jié)點,最終全部發(fā)送到根節(jié)點。根節(jié)點再將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心。

其次,監(jiān)測中心由PC機和數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)軟件組成,其中采集管理軟件連接著數(shù)據(jù)庫,通過軟件界面可以對數(shù)據(jù)庫進行操作。數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)可以發(fā)送控制命令,全功能無線傳感系統(tǒng)收到控制命令后,對橋梁結構的關鍵信息進行采集,并返回這些數(shù)據(jù)信息。采集系統(tǒng)監(jiān)聽PC機串口獲取數(shù)據(jù),實時顯示數(shù)據(jù)波形。同時數(shù)據(jù)被實時插入數(shù)據(jù)庫中,并且采集系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)庫進行操作及簡單的數(shù)據(jù)分析。

1.2 全功能無線傳感器節(jié)點

在監(jiān)測系統(tǒng)中,傳感器節(jié)點的功能是對橋梁多種信息進行采集、打包處理及無線發(fā)送。本課題采用了嵌入式技術和MEMS(微機電)技術[6-8]開發(fā)了全功能無線傳感器節(jié)點,節(jié)點的硬件部分主要包括傳感器單元及接口電路、微處理單元及存儲單元、無線通信單元及電源管理單元。其中傳感器包括力平衡式加速度傳感器、MEMS加速度傳感器、應變計、傾角傳感器、溫濕度傳感器等,實現(xiàn)對橋梁各個部位的關鍵信息的監(jiān)測。傳感器節(jié)點的封裝圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點封裝

2 時間同步算法

時間同步對于保證傳感器網絡有效工作有著至關重要的作用。當無線傳感器節(jié)點被布設到環(huán)境中,所有的無線節(jié)點組成一個無線網絡,然后以協(xié)同的方式共同完成被測目標的多點數(shù)據(jù)采集和傳輸。時間記錄著事情發(fā)生的時刻,是確保采集的數(shù)據(jù)具有意義的關鍵。通常情況下,被測物體需要多個傳感器節(jié)點在相同時刻開始采集數(shù)據(jù),才能實現(xiàn)傳感器網絡的定位、數(shù)據(jù)融合、協(xié)同睡眠、TDMA調度等[9-12]。

2.1 TPSN算法

2.1.1 TPSN算法的原理

TPSN由SaurabhGaneriwal等在2003年提出的一種基于網絡分層的時間同步算法。該算法采用雙向交換消息的方式進行同步,其過程由層次發(fā)現(xiàn)和時間同步兩階段組成。

①層次發(fā)現(xiàn)階段

在層次發(fā)現(xiàn)階段,每個節(jié)點都默認設置一個節(jié)點號(ID)和層次號(Level Number)(默認為0),并按等級進行分層,等級相同的節(jié)點同屬于一個層次,最終形成一個樹狀網絡。首先設置根節(jié)點的層次號為0,由根節(jié)點發(fā)起分層,其廣播一個分層信息包,該信息包包括自身的節(jié)點號及層次號。收到信息的節(jié)點將層次號加1,作為自己新的層次號,接著該節(jié)點再廣播一個新的分組信息包。其包括自身的節(jié)點號和新的層次號,這樣依次進行下去,直到所有的節(jié)點被分配一個新的層次號,已經收到信息包的節(jié)點不再接收其他節(jié)點發(fā)送的信息包。節(jié)點分層后的網絡結構如圖3所示。

圖3 TPSN算法層次發(fā)現(xiàn)階段

②時間同步階段

TPSN算法采用了雙向同步機制,節(jié)點間通過交換時間信息來計算時間偏差和傳播延遲,對時間偏差進行補償,從而實現(xiàn)節(jié)點間的時間同步。首先,根節(jié)點廣播一個時間消息包,層次號為1的節(jié)點收到信息包后與根節(jié)點雙向交換消息進行時間同步,完成同步后,下一層的節(jié)點再與上層的節(jié)點以同樣方式完成同步,最終完成全網的同步。

節(jié)點間的雙向時間同步過程如下:首先,父節(jié)點廣播一個消息包,發(fā)起同步信號,子節(jié)點接收到后立即返回一個時間信息包,該時間信息包包括發(fā)送時的時間戳T1,并且是在MAC層記錄。父節(jié)點接收到時間信息包后,記錄下時間戳T2,也包括T1。接著父節(jié)點再向子節(jié)點發(fā)送一個時間信息包,該信息包包括時間戳T1、T2及發(fā)送該時間包時記錄下的時間戳。最后子節(jié)點接收到后,立即記下接收時刻的時間戳T4。假設兩節(jié)點之間的信息傳播時間是td,時間偏差是γ,則T1+γ+td=T2,T3-γ+td=T4,則可以得到時間偏差為γ=[(T2-T1)-(T4-T3)]/2,傳播時間為td=[(T4+T2)-(T3+T1)]/2,因此子節(jié)點調整自己的時間為t-γ,從而將自己同步到父節(jié)點。這個過程中兩個節(jié)點之間信息交換以及時間戳標記示意圖如圖4所示。

圖4 TPSN算法同步階段

TPSN算法采用雙向信息交換機制,并且交換信息時是在MAC層上記下時間戳,因此其具有很高的同步精度。但是所有節(jié)點與上層節(jié)點的同步都要雙向交換信息,所以同步過程中能量開銷也非常大。

2.1.2 TPSN算法的改進及研究現(xiàn)狀

由于TPSN算法的具有較高的同步精度,且可以實現(xiàn)全網的同步,因此該算法比較適合傳感器節(jié)點較多且對同步精度要求較高的網絡中。但是該算法同步過程中的能量開銷太大,而且每過一段時間就需要同步一次。而傳感器網絡由于其自身小型化的特點以及工作環(huán)境的限制,無法攜帶大量能源,減少能量開銷非常重要。所以,TPSN算法如何進行優(yōu)化,保證同步精度滿足需求的同時,減少能源開銷是一個重要的研究方向。

國內部分學者[13-14]采用了減少時間同步過程中信息交換的次數(shù),減少能量交換,從而提出了基于TPSN的改進型算法。其中一個重要的方向是在交換信息的過程中采用雙向交換機制和單向交換機制相結合的方法。如西安電子科技大學的陳伊卿[14]提出了改進型算法ITPSN,該算法的原理如下:

網絡層次分配完成后,由父節(jié)點發(fā)起時間同步。首先,父節(jié)點廣播一個消息包,指定其中一個子節(jié)點與其進行雙向交換消息同步,并記錄下時間戳T1,所有其他子節(jié)點接收到消息包之后記錄下時間戳t1,指定節(jié)點記下時間戳T2,作為自己接收到消息的時刻。接著,只有指定節(jié)點向父節(jié)點返回消息包,并記下時間戳T3,返回消息包中包含了T3。父節(jié)點接收到消息后記下時間戳T4,然后計算出指定子節(jié)點與它的時間偏差θ;其再發(fā)送一個消息包,這個消息包含有指定節(jié)點記錄下來的時間戳T2和相對于父節(jié)點的時間偏差θ。所有的子節(jié)點接收這個消息包,其中指定節(jié)點根據(jù)時間偏差θ,將自己的本地時鐘同步到父節(jié)點。其他子節(jié)點根據(jù)第1次接收到時間消息包時的時間戳及指定節(jié)點記錄下的T2,先計算出自己與指定子節(jié)點的時間偏差Δ=t1-T2,然后再根據(jù)指定節(jié)點與父節(jié)點的時間偏差θ,將自己的本地時鐘t改為t-Δ+θ,從而達到與根節(jié)點的同步。這種改進型的算法很大程度上減少了消息交換的次數(shù),有效的減少了時間同步過程中的能量消耗。其同步過程的示意圖如圖5所示。

圖5 ITPSN算法同步過程

2.2 LP-TPSN算法

2.2.1 LP-TPSN算法提出的依據(jù)

以上算法ITPSN通過改變時間同步過程的信息交換方式,采用雙向信息交換和雙向信息交換相結合的方式,減少了信息交換次數(shù),從而降低了能量開銷。通過分析發(fā)現(xiàn),在節(jié)點時間同步過程中,無線射頻模塊發(fā)送和結束消息時的能耗在整個能量開銷中的比例較大。因此同步過程中的能量開銷大小最終由無線射頻模塊的發(fā)射功率、接收功率、傳輸數(shù)據(jù)包大小、消息傳輸?shù)拇螖?shù)等決定。通常情況下,射頻模塊的發(fā)射功率比接收功率大很多。因此,在同步過程中,減少信息發(fā)射的次數(shù),系統(tǒng)能耗也將隨之下降。

本課題從減少時間同步過程中消息的發(fā)射次數(shù)的角度出發(fā),提出一種層次優(yōu)化的改進型TPSN算法LP-TPSN。該算法在傳感網絡形成分層網絡后,對網絡的層次進行優(yōu)化,減少消息發(fā)射的次數(shù),最終達到進一步降低能量開銷的目的。

2.2.2 LP-TPSN算法的原理

首先,傳感器節(jié)點已經形成了層次型網絡,每個節(jié)點都被分配了層次號,層次號相同的節(jié)點處于網絡的同一級中。在分層的過程中,由每一層次的父節(jié)點發(fā)送分層消息包尋找自己的子節(jié)點并作為下一層次的節(jié)點。TPSN算法中,當子節(jié)點最先收到某個上一層節(jié)點發(fā)送的消息包時,就宣布該節(jié)點是自己的父節(jié)點,并不再接收其他節(jié)點發(fā)送的消息包。事實上,如果子節(jié)點在多個上一層次節(jié)點的通信距離接收范圍內,那么該子節(jié)點可能會收到多個上一層節(jié)點發(fā)送的分層消息包。

LP-TPSN算法的關鍵就是,當子節(jié)點最先收到某個上一層節(jié)點發(fā)送的消息包時,宣布該節(jié)點是自己的父節(jié)點的同時,選擇繼續(xù)接收上一層其他節(jié)點的消息包,收到消息包后,就把發(fā)送消息包的節(jié)點當作自己的備用父節(jié)點存儲起來。當整個傳感器網絡形成之后,就對所有父節(jié)點進行判斷,當某個父節(jié)點的所有子節(jié)點都有備用父節(jié)點時,就宣布放棄自己所有的子節(jié)點。如圖6所示,7號和8號都是3號的子節(jié)點,但是都有備用父節(jié)點,即2號。因此3號宣布放棄自己的所有的子節(jié)點,那么7號和8號就變成了2號的子節(jié)點。這樣,逐步優(yōu)化,最終完成了整個網的層次優(yōu)化。

圖6 LP-TPSN原理示意圖

對網絡的層次結構進行優(yōu)化的最終目的是減少節(jié)點發(fā)射信息的次數(shù),從而減少同步過程中的能量開銷。同ITPSN的同步階段一樣,LP-TPSN也采用了雙向交換消息同步和單向發(fā)送消息同步相結合的方式。在層次優(yōu)化之前,2號與兩個子節(jié)點進行同

步,其中2號的子節(jié)點5號與2號進行雙向同步,6號與2號單向同步,并參考5號計算時間偏差,最終完成同步。3號節(jié)點與其子節(jié)點具有相同的同步過程。在雙向同步的過程中,一共需要進行3次信息發(fā)送,所以這兩個子網絡同步過程中,共進行了6次信息發(fā)射。而在層次優(yōu)化之后,2號與3號節(jié)點與5號、6號、7號、8號節(jié)點之間的同步只需要進行一次雙向同步,因此這兩個子網絡完成同步,一共只需進行3次信息發(fā)射,并且接收信息次數(shù)不變。這樣,優(yōu)化后的網絡總的信息發(fā)射次數(shù)減少了,繼而降低了整個系統(tǒng)的功耗。圖7展示了優(yōu)化后的網絡同步過程。LP-TPSN算法的流程圖如圖8所示。

圖7 LP-TPSN算法優(yōu)化后同步階段

圖8 LP-TPSN算法流程圖

2.3 算法的建模及仿真

為了驗證 LP-TPSN 的可行性,采用了軟件建模進行仿真。采用VC++6.0編譯環(huán)境及C++編程語言對無線傳感器節(jié)點進行建模。無線節(jié)點模型主要包括處理機、發(fā)射機、接收機以及本地時鐘組成。

其中,處理機的主要功能是處理消息交換過程中的相關數(shù)據(jù)。發(fā)射機的功能是發(fā)射分層消息和同步消息。接收機的功能是接收分層消息和同步消息。本地時鐘模塊給節(jié)點分配一個本地時鐘,作為節(jié)點的本地時鐘計時。

2.4 仿真結果及分析

2.4.1 TPSN、ITPSN、LP-TPSN 3種算法時間同步精度仿真

在仿真中,將節(jié)點的分布范圍設置成半徑等于2 000 m的圓形區(qū)域內,節(jié)點通信距離設置300 m,節(jié)點數(shù)量設置100個。為了模擬真實環(huán)境,所有節(jié)點由隨機函數(shù)隨機生成,自組織組成網絡。總共進行30次仿真,對仿真結果求平均值,進行統(tǒng)計。而且,每次仿真都是重新隨機生成節(jié)點,以便統(tǒng)計出節(jié)點在自組織形成不同層次結構時的仿真結果。仿真結果如圖9所示。

圖9 同步誤差仿真

由仿真結果可以可知,改進的算法LP-TPSN和ITPSN相比,同步誤差幾乎相同,因為兩者的同步階段運用了相同的機制,都是雙向交換信息和單向發(fā)送信息結合的方式。而這兩者都比TPSN的同步精度略低,因為TPSN所有子節(jié)點和父節(jié)點的同步都是雙向信息交換的方式,因而具有更高的時間同步精度。

2.4.2 TPSN、ITPSN、LP-TPSN 3種算法同步功耗仿真

在3種算法同步功耗仿真中,節(jié)點的數(shù)量分別設置成50、100、150、200、250、300進行仿真,每次仿真30次,同樣采用均值法對結果進行統(tǒng)計。分別統(tǒng)計出3種算法的整個同步過程中總的發(fā)射信息次數(shù)和總的接收信息次數(shù)。另外,以節(jié)點中的無線模塊的發(fā)射功率和接收功率(接收功耗25 mA,發(fā)射功耗160 mA)為依據(jù),假設節(jié)點每次發(fā)射或接收一次同步信息的時間為T(一般在us級),計算出3種算法分別在整個網絡一次同步過程中的能量消耗。仿真結果如下列圖所示。

圖10 總的接收次數(shù)仿真

從圖10和圖11可以看出,這3種算法中LP-TPSN同步過程中的信息接收次數(shù)是最少的,但是與ITPSN算法及TPSN算法的相差不是很大。當節(jié)點數(shù)量不斷增多時,LP-TPSN同步過程中的信息發(fā)射次數(shù)遠低于另外兩種算法。而TPSN的信息發(fā)射次數(shù)幾乎成倍數(shù)地增長,ITPSN相比于TPSN,明顯降低了發(fā)射次數(shù),當節(jié)點數(shù)量為300時,ITPSN算法的信息接收次數(shù)只有TPSN算法的一半。在LP-TPSN算法中,節(jié)點的數(shù)量逐步增加時,信息發(fā)射次數(shù)非常緩慢地增加。當節(jié)點數(shù)從200開始時,LP-TPSN算法的信息接收次數(shù)只有ITPSN的一半。這正是LP-TPSN算法的優(yōu)勢,LP-TPSN算法在分層階段,對網絡層次結構進行了優(yōu)化,使得在同步階段,信息發(fā)射次數(shù)和TPSN及ITPSN相比明顯減少,從而更加降低了網絡同步過程中的能量開銷。

圖11 總的發(fā)射次數(shù)仿真

另外從圖12也能看出,LP-TPSN算法在網絡進行一次同步過程中,其總的能量消耗大大降低,并且隨著節(jié)點數(shù)量增多,能量消耗具有緩慢增加的趨勢。在無線傳感器網絡的應用中,同步算法需要周期性執(zhí)行,如何減少整個網絡的開銷具有重要意義。因此,由以上分析可知,本課題所提出的改進型算法LP-TPSN雖然時間同步精度與TPSN算法相比略低,但是顯著降低了能量開銷,可以應用于大規(guī)模傳感器網絡的時間同步。

圖12 總的能量消耗仿真

3 實驗驗證及分析

為了驗證所開發(fā)無線系統(tǒng)可以準確地監(jiān)測橋梁的整體性態(tài),進行了實際橋梁測試實驗。實驗對象為廈門海滄大橋。廈門海滄大橋是由東渡互通立交引橋、東航道橋、西航道橋、西引橋、石塘立交橋等大型工程組成,全長為5 926.572 m。

海滄大橋的橋面測試場景圖如圖13所示,在橋面區(qū)域布設18個加速度計和6個無線節(jié)點,每個節(jié)點連接3個加速度計。對所有的節(jié)點進行同時實時采集,記錄橋面振動的加速度信號。

圖13 海滄大橋橋面測試場景

3.1 實驗數(shù)據(jù)及分析

將無線監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行時域分析,并列出部分傳感器記錄的數(shù)據(jù)的分析結果,如圖14和圖15所示。這些分析結果反應了橋面不同測試點的振動狀態(tài),其振動加速度大多在100 mg以內。

圖14 1號和2號加速度計記錄的數(shù)據(jù)時程圖

將采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算分析得到如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

從表1可以看出,系統(tǒng)噪聲較小,說明無線節(jié)點的低頻特性好,可以濾掉橋梁振動中的高頻噪聲;另外,在100 m～200 m范圍內數(shù)據(jù)丟包率較小,而且所采集的數(shù)據(jù)精度較高,因此,所研發(fā)的無線節(jié)點可以準確、有效地測量大型橋梁振動。

圖15 3號和4號加速度計記錄的數(shù)據(jù)時程圖

4 結論

本文第1部分介紹了全功能無線同步橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構以及傳感器節(jié)點的設計。第2部分重點討論了針對無線傳感器系統(tǒng)的時間同步算法。該部分研究了經典時間同步算法TPSN,描述了國內學者提出的改進算法ITPSN,并在前兩種算法的基礎上提出了一種改進算法LP-TPSN。通過算法仿真驗證及結果分析表明所提出的算法在保證同步精度滿足系統(tǒng)要求的同時,明顯降低了同步過程中總的能量開銷。最后對廈門某懸索橋進行了橋面振動測試,實驗數(shù)據(jù)分析結果表明所開發(fā)的系統(tǒng)在大型橋梁結構監(jiān)測及評估領域有很好的應用前景。

[1] Housner G W,Bergman L A,Caughey T K,et al. Structural Control:Past,Present,and Future[J]. Journal of Engineering Mechanics,1997,123(9):897-971.

[2] 李愛群,丁幼亮,王浩,等. 橋梁健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)分析與評估——“結構健康監(jiān)測”研究進展[J]. 中國科學:技術科學,2012(8):972-984.

[3] 孫曉燕. 橋梁結構健康監(jiān)測技術研究進展[J]. 中外公路. 2006,26(2):141-146.

[4] Van Greunen J,Rabaey J. Lightweight Time Synchronization for Sensor Networks[C]//ACM International Conference on Wireless Sensor Networks and Applications,Wsna 2003,San Diego,Ca,Usa,September,2003:11-19.

[5] Sichitiu M L,Veerarittiphan C. Simple,Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks[C]//Wireless Communication and Networking,IEEE,2003,2:1266-1237.

[6] 呂西臣.嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的關鍵技術研究[D]. 鄭州:鄭州大學,2007.

[7] 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 and Distributed Computing,2012,72(10):1332-1346.

[8] Jang U J,Lee S G,Park J Y,et al. Fault-Tolerant WSN Time Synchronization[J]. Wireless Sensor Network,2010,2(10):739-745.

[9] Sundararaman B,Buy U,Kshemkalyani A D. Clock Synchronization for Wireless Sensor Networks:A Survey[J]. Ad Hoc Networks,2005,3(3):281-323.

[10] Sivrikaya F,Yener B. Time Synchronization in Sensor Networks:A Survey[J]. Network IEEE,2004,18(4):45-50.

[11] Elson J,Girod L,Estrin D. Fine-Grained Network Time Synchronization Using Reference Broadcasts[J]. Acm Sigops Operating Systems Review,2002,36(1):147-163.

[12] Su P. Delay Measurement Time Synchronization for Wireless Sensor Networks[J]. IRB-TR-03-013,Intel Research Berkeley Lab,2003.

[13] 陶志勇,胡明.基于等級層次結構的TPSN算法改進[J]. 傳感技術學報,2012,25(5):691-695.

[14] 陳伊卿.無線傳感器網絡時間同步算法研究[D]. 西安:西安電子科技大學,2011,18(4):45-50.

劉志強(1976-),男,工學博士,教授級高級工程師,主要研究方向為無線傳感器網絡、大型土木工程(建筑與橋隧軌)結構健康監(jiān)測和智能養(yǎng)護管理等,liuzhiqiang@hpdi.com.cn;

喻 言(1977-),教授,博士,博士生導師,研究方向為無線傳感器網絡,結構健康監(jiān)測等,yuyan@dlut.edu.cn。

Research and Application on Full-Function Wireless Synchronous Bridge Structural Monitoring System*

LIUZhiqiang1,LINa1,YUYan2*,MAOXingquan1,YANGZhitao2,NIULiqun2

(1.China Communications Construction Company,Beijing 100088,China;2.College of Electronic Science and technology,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China)

Large bridges play a significant role in the development of both the urban traffic condition and the social economy. It is of high importance to monitor the operational bridges and to assess their security from the perspective of people’s life and property safety. In this paper,a wireless bridge structure monitoring system was developed and a lower energy cost time synchronization algorithm LP-TPSN which can meet the system requirement was proposed. Then the deck vibration test of a bridge in Xiamen was carried out. The study shows that the wireless sensing system has the advantage of high accuracy,and the feature of easy operation,good instantaneity,and low overhead costs,which has a good application prospect in the field of structure monitoring and condition assessment of the bridges.

large bridges;full-function;wireless sensing system;time synchronization

項目來源:國家國際科技合作專項項目(2015DFG82080);遼寧百千萬人才工程項目;NSFC項目(5167082091,51678108);寧波市科技計劃項目(2015C110020);遼寧省高校優(yōu)秀人才計劃項目(LJQ2015028)

2016-07-31 修改日期:2017-01-17

TN92

A

1004-1699(2017)03-0484-07

C:6140;6150P;7210

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.025