無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

劉首林

上海市政工程檢測(cè)中心有限公司 上海 201112

前言：我國(guó)大多數(shù)的橋梁的使用年限已超過(guò)五十年，并且伴隨著交通壓力的增加、環(huán)境腐蝕性、疲勞效應(yīng)等因素，造成橋梁結(jié)構(gòu)承載能力降低和耐久性下降，而橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，使管理者可及時(shí)采取措施防止橋梁坍塌、局部破壞。將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到橋梁健康監(jiān)測(cè)工作中，能夠有效得到穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

一、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組成

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)利用大量的傳感器設(shè)備對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的各物理量進(jìn)行直接獲取，然后利用自身的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，將其進(jìn)行匯集，并上傳到更高層次的數(shù)據(jù)處理和分析中心。傳感器能夠接受中心的數(shù)據(jù)信息來(lái)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整自身的檢測(cè)信息，從而實(shí)現(xiàn)物與物的互聯(lián)控制。

通常情況下，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)層、網(wǎng)關(guān)層、匯聚節(jié)點(diǎn)層構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)層主要在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)最下層形成信息接收模塊，其主要的功能是利用傳感器進(jìn)行采集信號(hào)，然后數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和處理器的處理后，再由射頻模塊將其上傳到網(wǎng)關(guān)層；網(wǎng)關(guān)層作為中間模塊，其內(nèi)部的控制節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)接收匯聚層所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過(guò)控制指令進(jìn)行調(diào)整，使其能夠符合實(shí)際情況，然后由射頻模塊發(fā)送到傳感器中，提高無(wú)線傳感運(yùn)行效率。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸功耗較低且外界影響因素較多，需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同工作，才能完成數(shù)據(jù)傳輸，這些數(shù)量較多的傳輸節(jié)點(diǎn)被統(tǒng)稱為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能接受不同層次的數(shù)據(jù)信息，然后將其匯總處理，并傳輸?shù)侥骋粋€(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)中往往含有較高層次的網(wǎng)絡(luò)，然后伴隨著空間信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，這些含有較高層次網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)屬于匯聚節(jié)點(diǎn)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過(guò)程中具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)無(wú)線傳感器的底層能夠由一個(gè)傳感器控制多個(gè)傳感器，其還能掛載具有作用的器件，不需要在底層布置過(guò)多的控制節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)省施工成本；(2)由于控制節(jié)點(diǎn)內(nèi)部含有射頻模塊，具有數(shù)據(jù)接收和發(fā)送能力，可以被用作網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

二、用于橋梁健康監(jiān)測(cè)的傳感器

橋梁監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有外部環(huán)境監(jiān)測(cè)、通行荷載監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位內(nèi)力（應(yīng)力）監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)及結(jié)構(gòu)自振特性監(jiān)測(cè)等。

橋梁的外部環(huán)境是監(jiān)測(cè)橋梁所處的物理化學(xué)環(huán)境，為隨后的橋梁耐久性評(píng)估提供原始數(shù)據(jù)，主要是對(duì)溫度、濕度和等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所使用的傳感器主要有測(cè)量溫度的熱電偶、熱電阻式溫度計(jì)或光纖光柵溫度傳感器,測(cè)量濕度的電容式濕度計(jì),測(cè)量風(fēng)速的機(jī)械電磁式或超聲式風(fēng)速儀。

橋梁的荷載檢測(cè)包括風(fēng)、地震、溫度、交通荷載等，所使用的傳感器有記錄風(fēng)向、風(fēng)速進(jìn)程歷史的風(fēng)速儀，記錄溫度的溫度計(jì)，記錄交通荷載的動(dòng)態(tài)地秤，記錄地震作用強(qiáng)震儀，記錄車流情況和交通事故攝像機(jī)。

橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力，應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以定量反映出主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力變化情況，使用的傳感器有光纖光柵應(yīng)變傳感器、振弦式應(yīng)變計(jì)等。

結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)監(jiān)測(cè)中主要是對(duì)橋梁關(guān)鍵部位的靜態(tài)位置、動(dòng)態(tài)位置、沉降、傾斜、線形變化、位移等，所使用的傳感器有位移計(jì)、傾角儀、GPS、電子測(cè)距器、數(shù)字照像機(jī)等。

結(jié)構(gòu)自振特性監(jiān)測(cè)包括振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為加速度及速度，得到橋梁動(dòng)力特性參數(shù)的變化，以判斷結(jié)構(gòu)的剛度是否降低和局部破壞狀況，所用到的設(shè)備為加速度傳感器及速度傳感器等。

通過(guò)分析橋梁健康監(jiān)測(cè)方面參數(shù)及儀器可知，需要應(yīng)用眾多的復(fù)雜精密的傳感器，來(lái)保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在安裝精密傳感器時(shí)，還需要保證工作條件的合理性，但是大多數(shù)的橋梁環(huán)境不能滿足精密傳感器運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，降低檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，是阻礙無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用的因素。如果在橋梁健康監(jiān)測(cè)工作中，只使用對(duì)外部環(huán)境要求較低的傳感器，能夠提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果。

三、橋梁信息管理系統(tǒng)

在橋梁健康監(jiān)測(cè)中要保證采樣頻率和精度要保持一致性，才能得到準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于橋梁位移等測(cè)量只需要對(duì)其測(cè)量幾個(gè)小時(shí)便能得到數(shù)據(jù)信息，但如果檢測(cè)橋梁的自振特性、索力變化時(shí)，其變化周期極其短暫，需要較高的采樣頻率和精度高的傳感器，才能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。這種高精度高采樣頻率的傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息是海量的，例如在金門大橋健康監(jiān)測(cè)工作中，主要布置了63個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，所采用的傳感器精度較高，每天所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息差不多為2.5GB,在加上對(duì)外界環(huán)境的檢測(cè)數(shù)據(jù)，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的存儲(chǔ)量需要保證在50GB以上（以保留20天數(shù)據(jù)為存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)），故需要建立合理的橋梁信息管理系統(tǒng)才能有效解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題。

基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，建立科學(xué)性的橋梁信息管護(hù)系統(tǒng)，按照實(shí)際運(yùn)行情況，將其劃分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理庫(kù)、交通信息存儲(chǔ)管理庫(kù)、橋梁信息存儲(chǔ)管理庫(kù)等，在海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)入到管理系統(tǒng)中，能夠按照傳感器功能將其傳輸?shù)礁髯酉到y(tǒng)中，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，并為后期數(shù)據(jù)處理提供便利條件，從而提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果。

四、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)

（一）節(jié)點(diǎn)部署技術(shù)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在中應(yīng)用需要較高的經(jīng)濟(jì)成本，由于經(jīng)濟(jì)因素的制約，在橋梁健康監(jiān)測(cè)中所能使用的傳感器數(shù)量是有限的，鑒于此，需要重視節(jié)點(diǎn)部署技術(shù)的應(yīng)用，才能充分的利用有限數(shù)量的傳感器來(lái)發(fā)揮其最優(yōu)的數(shù)據(jù)采集。

一般情況下，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)專業(yè)人員或土木工程專業(yè)人員部署傳感器位置。如果是由計(jì)算機(jī)專業(yè)人員進(jìn)行部署傳感器位置，由于工作人員缺乏橋梁方面專業(yè)知識(shí)，所設(shè)置的傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)往往是不合理的，對(duì)于采集的數(shù)據(jù)信息，可參考性較低。這種部署方式不僅會(huì)浪費(fèi)大量的人力、物力，還會(huì)對(duì)后期橋梁健康監(jiān)測(cè)做出錯(cuò)誤的判斷，影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果是土木工程專業(yè)人員進(jìn)行部署傳感器位置，會(huì)忽略傳感器的工作環(huán)境和條件，導(dǎo)致傳感器的位置不能正常工作或數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量差。因此，在應(yīng)用節(jié)點(diǎn)部署技術(shù)時(shí)，需要綜合性的考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸條件和監(jiān)測(cè)條件，從而制定合理的傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的合理性和有效性。

（二）電能管理技術(shù)

橋梁健康監(jiān)測(cè)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也需要運(yùn)作較長(zhǎng)的時(shí)間，但設(shè)備的電池儲(chǔ)能有限，難以支撐長(zhǎng)時(shí)間工作，而采取人工更換電池方式會(huì)消耗時(shí)間成本。因此，在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分的應(yīng)用電源管理技術(shù)，采取最優(yōu)的方案來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用周期。

通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行分析可知，主要消耗電能的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和。隨著集成電路行業(yè)的發(fā)展，芯片體積在不斷的縮小且耗能被控制到極低的標(biāo)準(zhǔn)，傳感器模塊和處理模塊的耗能亦可以忽略不計(jì)，僅無(wú)線通信模塊耗能較大。為了有效降低無(wú)線通信模塊的耗能問(wèn)題，就必須要嚴(yán)格的控制傳感器各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送數(shù)量。在實(shí)際應(yīng)用中，主要采用duty-cycling 機(jī)制和網(wǎng)內(nèi)信息處理方法，其能夠根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能的目的。

（三）時(shí)間同步技術(shù)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一為時(shí)間同步技術(shù)，即需要有效同步各傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，為后期綜合性分析數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。各傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間控制是由本地時(shí)鐘所決定的，初始時(shí)刻的不同和設(shè)備誤差是造成傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間不同的原因。在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，各傳感器節(jié)點(diǎn)處應(yīng)用時(shí)間是通過(guò)利用各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息變化時(shí)間來(lái)確定，從而實(shí)現(xiàn)各傳感器時(shí)間同步的功能。

結(jié)論：

綜上所述，無(wú)線傳感技術(shù)具有低成本、易布置等優(yōu)勢(shì)，在橋梁健康監(jiān)測(cè)中具有較高的效果。在應(yīng)用中，可以根據(jù)橋梁實(shí)際情況，合理布置工作條件較低的傳感器，保證無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于傳感器所采集的海量數(shù)據(jù)，需要制定專用的橋梁信息管理系統(tǒng)，并定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，為橋梁維護(hù)工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。