無線傳感器網絡在橋梁健康監測中的應用

（中電建冀交高速公路投資發展有限公司，河北石家莊050000）

橋梁工程在現代網絡交通系統中占據著極為重要的位置，同時，橋梁工程的質量和人們的交通出行、社會結構的完整及國家經濟的發展息息相關。現階段，國內諸多橋梁工程建造單位仍運用傳統的造橋工藝技術。盡管傳統的造橋工藝技術確有諸多值得參考之處，但是由于當時造橋材料和交通環境的制約，導致年代久遠的橋梁工程存在一定的安全隱患。為了保障人們的生命財產安全，需注重和提高橋梁的健康監測質量。

一、系統應用

（一）傳感子系統

傳感子系統是利用多樣化傳感器全程監測橋梁，并如實記錄所產生的數據。監測重點為結構響應與荷載(10ad)。其中諸如地震、溫度、風、交通荷載等屬于荷載范圍，而位移、加速度、應變等則屬于結構相應的范疇。針對荷載監測而言，采取動態地秤對交通荷載進行準確測定；在測量風荷時，可運用超聲式或螺旋式風速儀；通過光纖光柵溫度傳感器、熱電阻溫度計、熱電偶溫度計等測量溫度；利用地震儀監測地震。針對響應監測，測量可采取光纖光柵應變傳感器、振弦式應變計或電阻應變計等，借助壓電式加速度傳感器、電容式加速度傳感器或壓阻式加速度傳感器測量加速度；位移可以運用電子測距儀、傾角計、位移計等測量，就懸索橋、斜拉橋，其索力可以借助加速度或測量應變獲得。傳感器的具體選型主要應考慮測量范圍和測量精度。舉例來說，車輛與風載荷產生的微笑震動一般在幾百ug（g指的是重力加速度），對其的測量就可借助SDl221L型加速度傳感器，其具有測量范圍小、精度高的優勢；而由于自然災害，如地震等引起的大幅振動一般約為29，在測量上主要選擇ADXL202E型加速度傳感，其優勢在于測量范圍大、精度低。

（二）數據采集系統

數據采集系統需要選擇信息的信號，根據信號的傳輸頻率作出決定，這和系統的運行成本有著極為密切的聯系，所以必須借助實驗和檢測試劑情況，科學考慮相關設計。其次，為了保證采集結果的真實性，相關監測人員檢查和清晰化處理工程的硬件設施和所獲取的信號，最大化去除信號中的噪音，并將信息變成數字信號。在此過程中，需要采集節點共同開展，其在采集中一般會和其他變量因素有關，導致偶爾會有信號失真等情況出現。所以，在一般實際運行中，若是網絡信號比較穩定，展開實時傳輸；若是已經在節點處完成了存儲，則在完成采樣后一同處理傳輸；還有一種情況是采集信號在節點便已處理好，將加入算法加入節點后，可以獲得實時結果。

（三）數據傳輸子系統

平面結構中，全部階段的功能特點相同，但等級存在差異及缺少層次，同時可以將平面結構劃分成星型、樹形、線性等多種拓撲形式。以金門大橋健康監測系統為例，由于整個大橋具有很長的主跨，橋上共部署了64個傳感器節點，以此來組建成46跳的長線性拓撲結構，要想對寬帶予以全面的運用，并降低數據傳輸存在的時延，需使用管道傳輸方式，指的是距離K跳的階段對數據予以同時發送，同時K不小于3，從而保證信號被外界因素所影響。國外相關領域研究者研究設計的橋梁監測系統為樹形拓撲結構，根據基站構建多跳樹，0屬于根節點深度，其他節點則對自身節點與深度信息予以如實記載。數據傳遞過程中，節點要做的就是對自己發送的父節點及轉發目的地有關數據。有國外研究人員在高速公路橋健康監測系統之中應用了星型結構，且設計了20多個加速傳感器，將數據發送到系統之中。

在層次網絡中，節點主要分為三部分，即匯聚節點、中繼節點以及普通傳感器節點，其中匯聚與中繼節點涉及到的功能十分強大。有國外研究人員設計了兩層式無線傳感器網絡拓撲結構，其主要由3部分構成，分別是中央主節點CSM(centralsitemaster)、普通傳感器節點、外源供電的本地主節點LSM（localsitemaster）。其次，高層網絡在形成方面，需要將LSM和CSM的通信作為基礎。借助底層網絡，傳感器階段可報所搜集的信息迅速傳遞到LSM，而LSM則可以借助高層網絡把數據迅速傳遞到CSM。相關領域研究人員根據實際情況編訂了層次不同的橋梁監測體系，由傳感器節點、收集裝置及路由器形成三層拓撲結構，感器階段借助路由器發送數據，再由路由器集合多個傳感器的數據，發送給收集裝置。

二、技術應用

（一）節點部署

節點部署應用需要立足于橋梁建設工程的實際情況展開規劃，同時和施工單位預期的成本效益展開綜合排演。若是節點部署的設計質量好，則能顯著提高最終檢測的質量，同時可以有效完善整個系統的信息采集能力和信息輸送能力。但在選擇檢測系統的節點時，工作人員必須立足于監測點的實際情況展開操作。

（二）時間同步

在展開后期的數據分析和數據傳輸的過程中，前期節點和節點之間能否時間同步，直接影響了最終評估和分析的結構。同時，在現階段橋梁健康監測體系中，信息同步問題仍存在一定的缺陷。節點網絡的布置直接決定傳送速度，但節點在傳輸時，其他不穩定因素也會影響速度。

（三）能量管理

電力是無線傳感器運行不可或缺的重要支撐，要想整個系統長時間保持良好的運行狀態，必須獲得電力的支持，若電量耗盡時工作人員沒有第一時間更換，無線傳感器收集到的數據就會出現缺漏現象，導致結果丟失或延遲。

三、結語

經濟的迅猛發展導致交通荷載增速過快，通行流量遠遠超出設計需求，橋梁在運行一段時間后必然會發生一定程度的損毀。借助構建無線傳感器網絡，運用靜態測試數據的傳感技術及實時動態監測的信號監測分析橋梁結構，可以監測橋梁結構的健康，有利于降低橋梁使用過程中的安全隱患。