無線傳感橋梁監測的高寒解決方案

文/黑龍江省公路勘察設計院

獲獎等級：三等獎

項目名稱：高寒地區橋梁結構健康監測無線傳感網關鍵技術

無線傳感網絡是橋梁健康監測技術的未來，然而在推廣應用過程中卻面臨著諸多技術挑戰。為此，“高寒地區橋梁結構健康監測無線傳感網關鍵技術”項目針對高寒地區橋梁健康監測無線傳感系統面臨的諸多瓶頸問題，例如電池損耗快、工作壽命短、漂移嚴重、網絡能耗不平衡、數據傳輸不穩定等，開展了一系列關鍵技術攻關，旨在進一步降低惡劣環境下無線傳感網絡的能耗，延長健康監測系統的壽命，從而實現高精度測量、數據穩定傳輸、高效準確評估，并通過實際工程案例驗證該項技術的可行性和可靠性。

在無線傳感器方面，該項目研發了面向低功耗無線傳感器的全系列集成硬件IP設計。其結果顯示模數轉換ADC能耗降低75%，分辯率提升7.3倍，突破了低能耗與高分辯率之間的矛盾；數字處理單元在不增加面積與延時的前提下，能耗降低39%以上，突破了低能耗與高性能之間的矛盾；獨創的軟總線架構，極大地縮短了硬件產品的研發周期，提升了產品質量。

在無線網絡通信方面，該項目開發了B-Stack無線傳感網絡，使高寒惡劣自然環境下低丟包率與低信道占有率達到國際領先水平；依托子空間投影——稀疏恢復深度學習框架，采用時間相關稀疏貝葉斯學習算法消除了漂移；發明了局部迭代估計與全局單包傳播的時間同步協議，實現了國際領先的10μs級同步數據采集，提升了振型等參數的測量精度。

在結構監測方面，該項目發明了索撐橋梁索群索力振動法測量的等代鉸接梁插值模型、基于比弦模型的兩端固接邊界拉索索力測量方法、拉索截面抗彎剛度識別方法，實現了高精度振動法索力識別，其研究成果達到國際領先水平。

基于上述硬件和算法開發的高寒地區橋梁結構健康監測系統，具有實時數據處理分析功能，可自動生成安全評價報告，其預警信息和系統狀態信息將自動發送到主管部門負責人手機。

目前，“高寒地區橋梁結構健康監測無線傳感網關鍵技術”已成功應用于高寒地區橋梁結構健康監測系統中。據統計，近5年來，該項目累計實現直接經濟效益1.2億元。其中，2017年，黑龍江省烏蘇大橋建成高寒地區第一個橋梁長期監測無線傳感網，橋址所在位置極端最低溫度可達零下40攝氏度。此后，該項目的研究成果還陸續應用于哈爾濱四方臺大橋、哈爾濱繞城高速松花江大橋。

1.5萬余公里勘察設計路

作為該項目的主要完成單位之一，黑龍江省公路勘察設計院創建于1958年，是全國十個首批獲得交通部頒發的公路工程勘察與公路工程設計“雙甲級”設計院之一，是中國公路勘察設計協會和中國公路學會理事單位。現持有國家工程勘察綜合甲級，公路行業（公路、特大橋梁、特長隧道，交通工程）專業甲級；工程咨詢甲級；工程監理甲級，市政行業(橋梁工程、道路工程)行業乙級,建筑行業（建筑工程）乙級等資質。主營業務為各等級公路、橋梁的勘察設計，工程咨詢、交通工程、工程監理、工程地質勘探、舊橋加固與檢測、土工試驗等工程技術服務，以及建設工程總承包。該院于2000年通過了ISO9001質量體系的認證。

近年來，該院累計完成1.5萬余公里高等級公路，900余座大型及特大型橋梁勘察設計工作。在已建成的公路、橋梁中，先后獲得國家、部、省級優秀勘察設計和科技進步獎80多項，并于2018年榮獲中國建設工程魯班獎、中國土木工程詹天佑獎。