無線傳感器技術在斜拉橋監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

　　摘 要： 本文提出了一種用無線傳感器對斜拉橋進行健康監(jiān)測的方案，采用基于分簇結構的兩層無線傳感器網(wǎng)絡，驗證了無線傳感器網(wǎng)絡技術在橋梁健康監(jiān)測領域應用的可行性。
　　關鍵詞： 無線傳感器 監(jiān)測系統(tǒng) 斜拉橋 應用
　　
　　1.概述
　　1.1無線傳感器技術簡介
　　無線傳感器網(wǎng)絡是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信技術自組織構成的網(wǎng)絡，它集成了傳感器、微機電系統(tǒng)和網(wǎng)絡三大技術，目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋圍內(nèi)感知對象的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者，是以數(shù)據(jù)處理為中心的系統(tǒng)。它是信息技術的新領域，其應用范圍已經(jīng)深入到了人類社會的每一個角落，在軍事和民用領域均有非常廣闊的應用前景。
　　無線傳感器節(jié)點由以下幾部分組成：1）由微處理器或微控制器構成的計算子系統(tǒng)，負責控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議及處理傳感數(shù)據(jù)的算法；2）用于無線通信的短距離無線收發(fā)電路，即通信子系統(tǒng)；3）由一組傳感器和激勵裝置構成的傳感子系統(tǒng)；4）能量供應子系統(tǒng)，包括電池和交直流轉(zhuǎn)換器。
　　1.2斜拉橋監(jiān)測系統(tǒng)簡介
　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的特大型橋梁進入了人們的視野，這些交通基礎設施在人們的經(jīng)濟生活中發(fā)揮著巨大的作用。橋梁事故的頻繁發(fā)生引起了人們的日益重視，特別是新中國建國初期建成的橋梁多數(shù)已接近設計規(guī)定的基準使用期。因此我們迫切需要對這些橋梁的運行狀況進行監(jiān)測，確保人們的生命財產(chǎn)安全。
　　斜拉橋的出現(xiàn)與吊橋一樣，是比較古老的，但現(xiàn)在的斜拉橋，已完全不同于古代的斜拉橋了。現(xiàn)代斜拉橋具有造型美觀、充分利用和發(fā)揮結構材料性能、結構剛度優(yōu)于懸索橋和其他類型橋梁、有效和快速的施工、造價低、結構受力合理等突出優(yōu)點，因而現(xiàn)代斜拉橋的建設和發(fā)展非常迅速，橋梁跨度一次又一次地被刷新，對斜拉橋進行健康監(jiān)測就顯得日益必須和重要。
　　2.系統(tǒng)實現(xiàn)
　　2.1傳感器節(jié)點的設置
　　斜拉橋主要的組成構件是主梁、索塔和斜拉索。其理想的受力狀態(tài)是斜拉索受拉，主梁、索塔盡可能小地承受彎矩或不受彎矩而僅受壓力作用，因此斜拉索索力的大小和變化情況直接決定著主塔，以及整體結構的受力、變形狀態(tài)。主梁、索塔是斜拉橋的主要承重構件，在恒載和不同荷載的情況下，其內(nèi)力必將發(fā)生變化。因此，主梁和索塔的空間位置及變化情況是反映斜拉橋營運狀態(tài)的一項重要指標。
　　斜拉橋的橋面是直接承受交通荷載的構件。在恒載及各種交通荷載的作用下，其主梁線性及撓度變化是反映主梁工作狀態(tài)的重要參數(shù)。另外對于混凝土為主要材料的主梁，在多次重復荷載的作用下，其結構性能會因疲勞而逐漸退化直至破壞。而主梁自振特性是取決于主梁本身的材料特性及剛度、質(zhì)量和其分布規(guī)律的參數(shù)。對主梁自振特性進行測試，了解其振動頻率、振型等的變化情況，是分析主梁結構性能老化程度的主要依據(jù)。
　　因此，在斜拉橋的關鍵部位放置相關傳感器進行有關參數(shù)的測量就顯得尤為重要，特別是斜拉索索力、橋面振動、橋面應變，以及溫度的測量。
　　2.2無線傳感器網(wǎng)絡的設計
　　傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線的方式，傳感器布設在一些重要的節(jié)點上，傳感器與控制監(jiān)測中心之間通過光纜連接。這種有線監(jiān)測系統(tǒng)存在較多缺點：首先是成本高，系統(tǒng)使用的光纜和專用傳感器價格昂貴，在橋梁健康監(jiān)測中，系統(tǒng)的安裝開銷很大，據(jù)統(tǒng)計，監(jiān)測系統(tǒng)的安裝開銷占整個系統(tǒng)開銷的25％。其次是可靠性差，光纜會隨著使用時間逐漸老化，在人為破壞，以及強風、地震等惡劣氣候的作用下，線路很容易遭到破壞而不能提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。因此，我們采用一種基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。圖1顯示了兩種監(jiān)測系統(tǒng)的平面結構圖。
　　一個基于分簇結構的兩層無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示。為了節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸過程中所消耗的能量，網(wǎng)絡根據(jù)節(jié)點間距離的遠近劃分成簇，每個簇由相互靠近的傳感器節(jié)點組成。簇首作為本地站點控制者（LSM）沒有能量的限制，它負責協(xié)調(diào)和收集簇內(nèi)節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡由兩層子系統(tǒng)構成：底層子系統(tǒng)由低數(shù)據(jù)率、低傳輸范圍和能量受限的傳感器節(jié)點組成，上層子系統(tǒng)是由高數(shù)據(jù)率、大傳輸范圍和沒有能量限制的簇首節(jié)點組成。在系統(tǒng)監(jiān)測過程中，底層傳感器節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)傳送給上層相應的簇首，簇首對數(shù)據(jù)進行簡單的融合后可以直接傳送給監(jiān)測中心進行處理，也可傳送給其他簇首進行再次融合后傳送給監(jiān)測中心。
　　底層傳感器節(jié)點由節(jié)點控制器、無線收發(fā)器、靜態(tài)存儲器，以及與測量橋梁相關參數(shù)的傳感器模塊等構成。節(jié)點可以實現(xiàn)兩類情況的監(jiān)測，即極端事件監(jiān)測和長期監(jiān)測。為了盡可能地降低能量損耗以延長整個系統(tǒng)的生存時間，節(jié)點存在四種操作狀態(tài)：睡眠、更新、半喚醒和喚醒。在睡眠狀態(tài)中，無線收發(fā)器和傳感器模塊都處于休眠狀態(tài)，控制器周期性接通電源以便監(jiān)測可能發(fā)生的極端事件。在更新狀態(tài)中，傳感器模塊處于休眠狀態(tài)，控制器和無線電收發(fā)器被打開。狀態(tài)的更新由簇首和控制器之間的通信過程實現(xiàn)。在半喚醒狀態(tài)中，無線收發(fā)器休眠，傳感器模塊和控制器都處于打開狀態(tài)，該狀態(tài)下沒有數(shù)據(jù)傳送，但是有數(shù)據(jù)采樣輸出行為。在喚醒模式中，無線電收發(fā)器、傳感器模塊和控制器都處于打開狀態(tài)，此時傳感器輸出采樣數(shù)據(jù)并利用無線收發(fā)器接收和傳輸數(shù)據(jù)。
　　簇首節(jié)點主要包括兩個無線收發(fā)器和一個簇首控制器。第一個無線收發(fā)器用來和簇首內(nèi)的傳感器節(jié)點通信；另外一個無線收發(fā)器用來和相鄰的簇首節(jié)點或監(jiān)測中心通信。
　　2.3無線傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)
　　無線橋梁監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測以下兩種情況：極端事件監(jiān)測和長時間周期性的監(jiān)測。
　　當橋梁測量的相關參數(shù)的值超過預定閥值時，就認為發(fā)生了極端事件。極端事件發(fā)生后，如果測量值在一個閥值事件間隔內(nèi)返回到閥值以下，就認為極端事件結束。當傳感器探測到某個極端事件發(fā)生時，它就進入激活狀態(tài)。節(jié)點一方面增加對所需測量數(shù)據(jù)輸出的采樣頻率并向存儲器記錄數(shù)據(jù)。另一方面需要記錄事件發(fā)生的本地時鐘時間，然后和簇首同步，按照簇首的時鐘同步本地時鐘，修改已記錄事件發(fā)生的時間。節(jié)點與簇首之間的通信采用TDMA機制，簇首接收節(jié)點的數(shù)據(jù)后發(fā)送給監(jiān)測中心。
　　對于長期的監(jiān)測，監(jiān)測中心采用時間調(diào)度表來記錄監(jiān)測部位振動信息發(fā)生的時間。調(diào)度表根據(jù)所期望或已存在的環(huán)境條件被制定后傳送給網(wǎng)絡中的簇首。長期監(jiān)測過程中，傳感器節(jié)點通常處于睡眠狀態(tài)，每天在統(tǒng)一時間間隔內(nèi)的固定時刻被喚醒，然后進入更新狀態(tài)。被喚醒的節(jié)點需要和簇首進行同步，然后檢查所有調(diào)度更新。假如節(jié)點發(fā)現(xiàn)在下一個時間間隔內(nèi)預先安排了監(jiān)測狀態(tài)，它就通過設置喚醒定時器來保證在調(diào)度時間內(nèi)被喚醒并進入喚醒狀態(tài)，當節(jié)點和簇首的同步過程完成后，它們就在預先設定的時間間隔內(nèi)交替采用喚醒狀態(tài)和半喚醒狀態(tài)來傳送采樣數(shù)據(jù)。
　　在如圖3所示的系統(tǒng)中，簇B節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)酱厥譈，簇首B將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到簇首A，再由簇首A把數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測中心。而簇A節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是由簇首A直接傳送給監(jiān)測中心。系統(tǒng)在周期監(jiān)測和極端事件監(jiān)測兩種場景下的運行過程如下。
　　在周期監(jiān)測中，監(jiān)測中心、簇首節(jié)點和傳感器節(jié)點都被接通電源。傳感器節(jié)點和簇首同步，然后等待簇首發(fā)送一個觸發(fā)數(shù)據(jù)包。在監(jiān)測中心給簇首A發(fā)出要求采樣的數(shù)據(jù)包后，簇首A把這個數(shù)據(jù)包傳輸給簇首B，然后廣播這個數(shù)據(jù)包。傳感器節(jié)點收到觸發(fā)數(shù)據(jù)包后開始采樣數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首。當傳感器監(jiān)測到振動時，可以發(fā)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)隨著振動而變化。一旦完成了預先定義的采樣數(shù)之后，傳感器節(jié)點便停止采樣，然后等待來自簇首的另一個采樣觸發(fā)數(shù)據(jù)包。
　　
　　在極端事件監(jiān)測中，系統(tǒng)啟動后傳感器節(jié)點最初的狀態(tài)是空閑的，它不偵聽任何數(shù)據(jù)包。傳感器監(jiān)測到振動后，一旦采樣值超過預先定義的參數(shù)閥值，節(jié)點便開始記錄數(shù)據(jù)，同時啟動無線射頻裝置。節(jié)點與簇首間的同步完成后開始向監(jiān)測中心發(fā)送數(shù)據(jù)。接收的數(shù)據(jù)是隨著輸入擾動而變化的，當事件停止就終止傳送數(shù)據(jù)，然后關閉無線收發(fā)器。
　　3.結語
　　構建無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)需要考慮以下一些挑戰(zhàn)性的問題。
　　（1）節(jié)能的數(shù)據(jù)傳送。對于一些大型橋梁，傳感器節(jié)點需要分布在橋梁的各個角落，其中大部分離監(jiān)測中心很遠。而無線監(jiān)測系統(tǒng)中，由于無線傳輸?shù)木嚯x有限并且傳感器節(jié)點只依靠電池供電的方式工作，如何遠距離的傳送數(shù)據(jù)，以及如何節(jié)省能量以便盡量延長系統(tǒng)的維護周期是構建無線監(jiān)測系統(tǒng)所需要考慮的關鍵問題。
　　（2）無線傳感器的選擇。傳統(tǒng)的健康監(jiān)測傳感器具有價格昂貴、布設困難和消耗能量大等缺點，不適合應用在無線監(jiān)測中。隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的出現(xiàn)與發(fā)展，傳感器在成本和能量消耗上已經(jīng)大大降低。選擇價格合適、性能符合要求的傳感器也是很重要的。
　　（3）數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率。在橋梁健康監(jiān)測的準實時系統(tǒng)中，需要考慮測量橋梁響應時傳感器節(jié)點中數(shù)據(jù)的產(chǎn)生率，它給出了接近實時性能的系統(tǒng)吞吐量需求。
　　（4）數(shù)據(jù)的同步。在無線監(jiān)控環(huán)境中，由于從傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采樣到監(jiān)測站接收數(shù)據(jù)的延時是不可控的，因此系統(tǒng)必須提供分布傳感器數(shù)據(jù)同步的方法。
　　無線傳感器網(wǎng)絡是一種新興網(wǎng)絡，盡管它還不是很成熟，但隨著越來越多的關注和研究，會有很多技術方案為無線傳感器網(wǎng)絡提供各種支持。無線傳感器網(wǎng)絡的靈活性、容錯性、高感知能力、低費用，以及快速布局等特點決定了它的應用領域必將極為廣泛，必然會對人們的生活產(chǎn)生巨大而深遠的影響。
　　
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