無線通信在結構健康監測系統的應用研究綜述

王立新, 郭凰, 楊佳宇, 李爽, 李儲軍, 汪珂

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 西安 710043; 2.西安理工大學土木建筑工程學院, 西安 710048;3.長安大學信息工程學院, 西安 710064)

中國作為基建強國,擁有大量在建和運營的結構工程,公路、橋梁、隧道作為重要的基礎工程建設,在國民經濟的建設和發展中具有舉足輕重的作用。但在結構工程施工中,受地質條件、作業環境、施工工藝等的影響,可能導致結構工程本身產生一定的安全隱患,同時由于施工也可能對工程附近的地質結構和地表建筑物等造成不良影響。而運營過程中的大型結構,也經常受到外部環境因素的影響導致結構發生不同程度的損傷,從而影響其安全可靠的運營。因此結構健康監測(structural health monitoring,SHM)是結構工程建設和運營中必不可少的環節。

隨著傳感器技術、通信技術、大數據等信息技術的飛速發展,人工監測的方法很難滿足人們對結構健康監測的要求[1],自動化監測作為結構健康監測的主要手段,成為及時發現結構工程安全隱患,減少重大安全事故的重要途徑。而支撐自動化監測系統正常運行的關鍵是實時、準確、安全的數據傳輸,利用有線或無線的傳輸方式,構建數據通信網絡,掌握建筑工作狀態、及時發現結構損傷、評估建筑安全情況[2],實現監測系統高效、互動、自動遠控的功能,以便反饋結構工程建設各方,改善工程施工或運營,實現工程安全和高效并行建設。有線傳輸以其干擾小、可靠性高、保密性強等優點在結構監測工程中得到了廣泛應用,但有線通信因其部署費用高,系統擴展、使用維護難度大等不足使其應用受到了一定的限制,為了解決有線傳輸中存在的問題,隨著無線網絡技術的日新月異,無線傳輸技術在結構健康監測系統中的應用日趨成熟,逐漸成為近些年結構健康監測在智能化發展的過程中所采用的主要通信方式。如Morizt等[3]結合導波損傷監測與蘭姆波(Lamb wave)數據通信,成功檢測出金屬板上不同位置的不同損傷,但是傳輸距離十分有限;Behnam等[4]對無線傳感網絡的通信協議開展深入研究,發現常用的協議不能符合與結構健康監測系統相關的所有需求,因此,針對具體應用設計完全滿足結構健康監測應用要求的協議是有必要的。

在對結構健康監測系統基本組成進行分析的基礎上,現詳述WiFi、ZigBee、4G/5G、LoRa、NB-IoT等無線通信技術在結構健康監測中的應用現狀,并對不同的通信方式的性能進行分析;最后指出無線通信技術的結構健康監測中應用存在的問題和未來的研究方向。

1 結構健康監測系統基本組成

為了獲取工程的結構狀態信息,結構健康監測系統采集結構工程中的影響安全狀態的數據,通過通信網絡傳輸監測數據給監控中心,進行數據分析,確定現階段及未來一段時間工程地與附近區域的安全狀態,對將要出現的危險及時做出預警,使得管理人員采取相應的措施。

(1)數據采集。通過各類傳感器、攝像機以及其他儀器獲取監測對象、周圍環境的相關信息,將采集到的連續非電信號量轉化為相應電信號,對采集的數據進行處理之后通過通信節點傳輸給數據傳輸部分。數據采集是監測系統的前端,利用傳感器采集影響結構工程中安全狀態的指標參數,結構工程常見傳感器有應力、應變、位置、位移、速度等傳感器,環境監測有氣體、溫度、濕度等傳感器。

(2)數據傳輸是保證自動化監測系統正常運行的關鍵部分,及時、準確的數據信息才能為后續工作人員分析結構工程的各項狀態提供強有力的保障。因此,提高信息的有效性與可靠性就是數據傳輸部分需要完成的任務。數據傳輸可采用有線或無線傳輸方式,在單個節點難以滿足通信距離時,利用組網手段擴大傳輸覆蓋范圍。當前的無線網絡通常包含多種采用不同無線電接入技術的無線通信系統,形成異構網絡[5],如WiFi、ZigBee、4G/5G等方式。

(3)數據分析針對通信網絡傳輸的監測數據進行分析,可采用多種智能算法,提取相關信息,進行各種處理,包括數據預處理、多元數據融合、特征分析、評估建模、狀態辨識、態勢研判等,將數據圖表化、可視化,便于相關人員進行后續處理。

(4)數據應用有多重選擇,根據不同的需求選取不同應用,結構工程中的常見應用包括數據存儲、數據查詢、數據分析、應急預案、分級預警、繪圖顯示、動態評估等。

典型的結構健康監測系統架構如圖1所示。圖1中左側4部分分工明確,各負其責,為施工現場外的管理人員提供了“眼睛”“耳朵”和“大腦”。

圖1 結構健康監測系統總體架構[5]Fig.1 Overall architecture of structural health monitoring system[5]

2 常見無線通信技術及性能分析

結構健康監測系統中,無論是傳感器技術還是通信技術,都朝著高效、實時、準確的方向發展,傳統的人工測量及記錄的方式已不能滿足日益復雜的工程項目,而有線通信方式雖然能保證數據信息可靠的傳輸,但是在動態擴展的結構工程中部署太復雜。相對來說,無線通信組網只需增添新的節點,就能夠滿足工程動態擴展的需求。因此,本節對幾種常見的無線通信技術進行比對分析。

2.1 常見的無線通信技術

按網絡和功耗特性的不同,常見無線通信技術大致可分為三類:局域網(Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi等)、廣域網(3/4/5G、GPRS等)以及低功耗廣域網(Sigfox、LoRa、NB-IoT等)。本節介紹了其中幾種常見無線通信技術,對其原理、技術特點進行了說明。

2.1.1 ZigBee

紫蜂(ZigBee)是一種基于IEEE802.15.4協議的近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術[6],ZigBee工作在2.4 GHz頻段。

ZigBee協議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網絡層以及應用層,它和IEEE802.15.4協議的關系如圖2所示。

圖2 ZigBee協議關系[6]Fig.2 ZigBee protocol relationship[6]

ZigBee網絡層主要承擔組建網絡的功能,支持星型、網型和樹型3種拓撲結構。ZigBee可靠性高、組網靈活、可擴展性強,在整個網絡范圍內,每一個ZigBee網絡數據模塊之間可以相互通信,每個網絡節點間的距離可以從標準的75 m無限擴展[7]。而在功耗方面,ZigBee設備的接收功率和發射功率較低,在休眠模式下,設備功耗能降到最低。

2.1.2 WiFi

WiFi是一種短距離的無線局域網數據傳輸技術[8],基于IEEE802.11標準,經過多年發展IEEE802.11已衍生出多個包括IEEE802.11a/b/g/n/ac等在內的新標準。WiFi規定了協議的物理層和媒體接入控制層,并依賴傳輸控制協議/網際協議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)作為網絡層。WiFi主要采用基于分布式控制功能(distributed coordination function, DCF)的載波偵聽多路訪問/沖突避免 (carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA) 接入機制[9]。WiFi主要目的是提供WLAN接入,也是目前WLAN的主要技術標準。

流行的802.11n速度可達300 Mb/s,而更新的工作在5 GHz ISM頻段的802.11 ac,速度甚至可以超過1.3 Gb/s。WiFi具有較高的傳輸帶寬,可滿足各種數據傳輸的需求,但信號傳輸的距離短,信號的衰減速度快,需要增加中繼來實現網絡的全面覆蓋。

2.1.3 4G/5G

4G是基于3G發展的第4代移動通信技術,是基于IP協議的高速蜂窩移動網絡,采用了基于網際協議(internet protocol,IP)的核心網絡結構,實現了多業務系統的無縫覆蓋和網絡結構的自動調節[10]。目前廣泛應用的4G技術主要是LTE(long term evolution)和LTE-Advanced,LTE-Advanced具有時分復用和頻分復用兩種模式,采用了正交頻分復用和多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)技術,在帶寬100 MHz下能夠提供1 Gb/s下行峰值速率和500 Mb/s上行峰值速率。

第5代移動通信技術(5G)基于大規模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構,相較于4G而言,分別從用戶體驗、信息安全、網絡質量等方面進行了優化,將人與人之間的通信轉向了萬物互聯[11]。具有高速率、低時延、寬帶寬、高可靠等特征[12],5G工作頻段為3.4～3.6 GHz。

5G技術減少了傳輸時延、網絡平均吞吐速率[13],數據傳輸速率高,最高可達10 Gb/s,采用大規模MIMO技術,提高了數據傳輸速度和頻譜效率,增加天線容量和系統內部容量。大規模MIMO技術作為5G移動通信中的關鍵技術,極大提高了通信容量,是軌道交通通信的重要發展方向[14]。5G數據傳輸低時延,較大子載波的時候可以有效地縮短調度時延,對于時延的最低要求是1 ms,使用5G進行信息傳輸時更迅速,并能對突發狀況進行判斷。正是由于5G技術的高帶寬、高效率的特點,使其成為推動其他行業發展的關鍵技術,成為支撐其他信息工業更可靠地進行運作的核心。

基于新型技術所針對原有技術所展開的創新,將工作頻率與頻段調整至較為豐富的頻段,隨后依靠相關設備與技術降低功率節點,利用密集網絡技術消除網絡部署中的盲點,實現增大信號覆蓋面積,簡化拓撲結構。總而言之,5G技術具備速度更快、網絡抗干擾能力更強、有效提升工作頻譜、劃分網絡空間等優點[15]。

2.1.4 LoRa

遠距離無線電(long range radio,LoRa)技術是一種基于線性調頻擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術[16],LoRa技術通信距離遠,功耗低[17],在低于1 GHz頻段進行通信。在LoRa組網中,采用節點加網關的形式來部署網絡。LoRa網關的定義為將LoRa網絡的數據轉接到有IP的網絡中[18]。根據其定義,網關可以采用LoRaWAN標準的網關,也可自行設計網關。LoRa與LoRaWAN不同,前者定義了物理層,后者定義了通信協議和系統體系結構。

在LoRa調制技術中,所需的比特率Rb與線性調頻速率和符號率之間的關系[18]定義為

(1)

式(1)中:Rb為數據速率,bit/s;SF為擴頻因子;BW為調制帶寬,Hz。

LoRa使用6個擴頻因子(SF7～SF12)來適應數據速率和傳輸距離的平衡,數據速率Rb與擴頻因子SF成正比。也就是說,增大擴頻因子,可以獲得更高的傳輸速率。

LoRa技術融合了線性調制擴頻技術和循環糾錯碼編碼,其擴頻調制產生頻率線性,可變調制信號用于頻譜擴展,提高了通信鏈路的魯棒性;循環糾錯碼編碼通過冗余編碼降低誤碼率,減少重傳次數,具有良好的自相關性,降低了接收機的復雜度[19]。同時,LoRa技術優異的遠距離通信能力大大減少了網絡中數據傳輸使用的路由節點數量,優化網絡的拓撲結構。LoRa技術采用的調制方式和傳統頻移鍵控調制等技術相比,其遠距離、抗干擾的通信能力優勢非常明顯。但LoRa存在一些技術不足,只能支持小數據量的傳輸,有效負載比較小,有字節的限制;LoRa的設備和網絡部署之間會出現不一定的頻譜干擾,易同頻電磁波的干擾,造成傳輸數據的嚴重失真;LoRa傳輸的信號波長較大,易被障礙物阻擋,只能在可視環境下傳輸數據。

2.1.5 NB-IoT

NB-IoT是 3GPP標準組織提出的一種新的窄帶蜂窩通信低功率廣域網(low power wide area network,LPWAN)技術[20]。NB-IoT由運營商部署,工作在授權頻段下。NB-IoT系統采用基于4G LTE/EPC網絡架構,并對現有4G網絡架構和處理流程進行了優化。因此,NB-IoT可直接部署在全球移動通信系統(global system for mobile communication,GSM)網絡、通用移動通信系統(universal mobile telecommunicationssystem,UMTS)網絡或LTE網絡,來降低部署成本[21]。根據LTE頻帶資源不同的利用方式,可以支持獨立部署、保護帶內部署、帶內部署3種不同的工作模式。

NB-IoT上、下行均采用正交相移鍵控調制解調器,上行也使用二進制相移鍵控調制解調器,且采用單載波頻分多址技術,包含單子載波和多子載波兩種。單子載波技術適應超低速率和超低功耗的物聯網終端,多子載波技術提供更高的速率需求[22]。運用NB-IoT大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗的特點,實現遠端結構工程的監控、科學測量以及智能分析等工作[23]。

2.2 常見無線通信技術性能分析

隨著物聯網技術發展,對無線通信技術的研究越來越多,當今結構工程應用項目多種多樣,不同的應用領域有特定的要求和考慮因素,這意味著需要不同的無線通信技術。

目前,廣泛使用無線傳感器網絡的無線通信技術有兩大類,無線個人局域網(wireless personal area network,WPAN)和LPWAN技術。WPAN技術有WiFi、Bluetooth、RFID等,具有傳輸速率快或功耗低的特點,但是局限于通信距離太短,覆蓋范圍小,限制了其在結構工程這類大型工程建設監測網絡中的廣泛應用。而LPWAN技術主要包括LoRa、Sigfox、NB-IoT等技術,相比于WPAN技術,其通信范圍上遠遠超過后者。

除此之外,基于蜂窩技術的終端到終端(machine to machine,M2M)解決方案(4G/5G)可以提供廣域的覆蓋,作為移動通信技術,運營商建立的大量基站使得它們在城市之中具有較大的覆蓋范圍,但在偏遠地區由于基站布點分散、分布數量少,難以為用戶提供穩定連續的通信支持。

通常無線通信技術經常考慮的性能指標有組網方式、網絡部署方式、傳輸距離、單網接入節點容量、電池續航、帶寬、抗干擾性等,如表1所示,列出了ZigBee、WiFi、4G、5G、LoRa、NB-IoT等常見無線通信技術的部分性能參數。而傳輸距離(即覆蓋范圍)和帶寬作為工程建設應用的重要性能指標,如圖3所示,顯示了不同覆蓋范圍、不同帶寬下的無線通信技術的分布特點。

表1 常見無線通信技術性能參數[24-26]Table 1 Performance parameters of common wireless communication technologies[24-26]

圖3 常見無線通信技在不同帶寬與覆蓋范圍的分布[18]Fig.3 Distribution of common wireless communication technologies in different bandwidth and coverage[18]

3 無線通信技術在結構健康監測系統中的應用

無線通信技術憑借其獨特的性能優勢在礦井、橋梁、隧道、地下管道等大型結構工程自動化監測系統中得到廣泛應用,無線通信技術的各種因素和技術差異使得它們應用的場景不同,沒有一種技術能完美地服務于所有的結構工程應用,因此,需從實際應用的需求出發選擇合適的無線通信技術去部署結構健康監測系統。

3.1 ZigBee在結構健康監測系統中的應用

礦井的開采屬于高危作業,在開采過程中,很有可能會發生崩塌、瓦斯泄露等重大事故。地下礦井、隧道工程有時會導致巖石位移、隔墻坍塌和邊坡破壞,因此需要對斜坡和隔墻進行連續監測,以保持礦井的穩定性。無線傳感器網絡是更適合連續監測的方法,而且它性價比高,滿足提供數據的實時監測和分析。結合ZigBee的結構健康監測系統在礦井中具有廣泛的應用,在工程施工過程中, 國外學者Uradzinski等[27]發現ZigBee網絡有良好的定位功能,采用最近鄰算法、加權最近鄰算法、貝葉斯算法實現地下礦井中人員的精確定位。Moridi等[28]研究了在安全健康領域開發ZigBee節點在井下監控和通信中的ZigBee應用,在實際案例中能夠有效提高網絡性能。在國內,Yu等[29]將ZigBee網絡應用于煤礦井下安全監控系統,利用ZigBee網絡從煤礦井下采集溫度、濕度和甲烷濃度,將數據傳輸到基于ARM的嵌入式網絡控制器,接收數據后,通過ZigBee協議轉換為以太網協議發送給地面個人計算機(personal computer,PC),最終將監控結果傳輸到管理用戶。這一定程度上提高了礦井工作人員的安全保障,維系了礦井的正常運行。系統根據所處位置可分為監控管理層、井下數據采集和傳輸層。井下數據采集傳輸平臺可分為ZigBee數據采集網絡和信息接收處理終端。系統總體架構如圖4所示。廖凱等[30]設計了一種基于ZigBee的施工隧道結構安全實時監測系統,能夠提供施工隧道的相關監測數據,對隧道的結構安全監測進行分析與預警,實現了施工隧道信息化管理,為隧道的安全施工提供技術保障。

圖4 基于ZigBee的煤礦井下安全監測系統[30]Fig.4 Coal mine underground safety monitoring system based on ZigBee[30]

ZigBee也適用于橋梁、鐵路等工程后期運營監測中,可以幫助工程安全管理、實時采集數據或監測情況、實時全面記錄和分析現場情況。在橋梁結構健康監測中,Lee等[31]設計了能夠實時監控和分析橋梁及水位、管道、空氣環境等狀況的監測系統,使用ZigBee網絡作為通信手段輔助橋梁安全信息的傳輸和管理,加強了橋梁安全運營的保障。許強等[32]為解決橋梁施工和設備安裝線路冗亂、環境復雜的問題,提出了一種基于ZigBee的多信道多點無線橋梁應變監測系統,系統可以同時監測36組通道應變,并將數據上傳至云端,便于管理人員對橋梁結構進行監測。馬式紀等[33]創新性地結合了ZigBee與5G兩種無線通信技術,將監測橋梁狀態的傳感器節點通過ZigBee無線組網將實時或準實時采集的橋梁狀態信息傳輸至基站,基站再經由5G通信網絡上傳至數據管理中心,提升了數據傳輸效率。

鐵路經濟快速發展的過程中,運行安全是極為重要的前提,沒有良好的安全保障,高鐵建設將無從談起。因此,在軌道監測中,研究者從線路基礎設施、自然環境與災害等可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手進行高鐵外部環境安全監測系統的研究,對有效地提升高鐵運行安全指數有著重要的理論意義和實用價值。Gao等[34]研究的硬件原型由道路側的一個ZigBee協調器和一系列連接到軌道側ZigBee終端設備的傳感器(加速度計、溫度傳感器、濕度傳感器和紅外探測器)組成。ZigBee終端設備由磁懸浮能量采集器供電,并與ZigBee協調器無線通信,達到鐵路狀況監測的目標。

3.2 WiFi在結構健康監測系統中的應用

WiFi在橋梁監測中發揮了重要作用,郭曉澎等[35]設計了一種結合有線與無線雙傳輸方式的橋梁采集數據應變系統,該系統利用單片機控制WiFi和以太網模塊構成數據收發器可以實現有線和無線通信方式的切換,同時該系統可以很好地完成靜態和動態測量的任務。在監測試驗中,能夠在230 m范圍內保障WiFi數據傳輸效率和準確性,但在大型橋梁工程建設中的監測范圍還不夠。Heo等[36]研發了一種防災結構健康監測系統,該系統能夠同時測量各種類型的數據,如無線加速度響應實時反映了結構的動態特性,以便進行準確診斷,該系統能夠對大量數據進行快速處理和實時無線通信,在近800 m的范圍內保持穩定通信。

在充分研究ZigBee和WiFi共存對系統性能影響的基礎上,Wang等[37]結合ZigBee和WiFi各自性能的優勢,設計了一種用于結構健康監測的雙層無線傳感器網絡,低層網絡采用低功耗ZigBee協議,而高層網絡采用高速WiFi通信進行遠距離數據傳輸,促使監測系統在影響結構安全的突發事件中及時做出預警。Abdelraheem等[38]設計了一個結構健康監測的物聯網系統,使用數字電容傳感器作為主要檢測元件,傳感器嵌入物聯網節點中,檢測碳纖維片和混凝土板之間的脫粘,該節點管理測量過程,能夠自動捕獲測量位置以及訪問測量數據,其物聯網節點通過WiFi傳輸數據并管理控制功能,降低了數據傳輸的成本。Kohler等[39]開發了一種用于地震檢測的新型結構監測網絡,將大量加速度計部署在單個建筑物中的不同樓層之間,使用一到幾十個臺站分別記錄,經獨立的傳感器插頭計算機設備通過以太網或WiFi直接連接到互聯網,使整個社區、設施管理人員和應急小組能夠共享數據,精簡了數據文件在各方的傳輸手段,提高抗震避險的效率。Morgenthal等[40]提出了一種用于結構健康監測的低成本分布式嵌入式系統,該系統使用經濟高效的微機電系統(micro electromechanical system,MEMS)加速度計,數據在使用WiFi收發器進行處理后傳輸,實現了在低成本微控制器STM32上執行計算要求較高的數字濾波,并通過傳感器的空間冗余降低MEMS設備的典型信噪比。該系統的搭建推動了建筑物和結構復模態分析的低成本方法的發展。

3.3 4G/5G在結構健康監測系統中的應用

軌道交通工程因其存在地質條件復雜、建設周期長、線路跨度大、施工困難等諸多方面的問題,工程具有較大的安全隱患,因此有必要通過信息化施工及時了解施工過程以及地質結構狀態,以確保施工安全。隨著4G、5G技術的發展和日趨成熟,將為結構健康監測提供自動化新思路。張炳濤等[41]在板石嶺隧道凍害的監測系統,使用中央控制模塊和4G移動通信技術聯網的方法,以實現監控中心服務器與現場監控之間的一對多遠程數據傳輸和終端傳輸。王大鵬等[42]提出,鐵路項目在施工期環境在線監測過程中,強網絡信號區域有較強的兼容性, 5G網絡的傳輸速率、安全性比4G網絡好。針對當前鐵路工程建設階段由于通信質量導致的信息化工作推進困難的問題,賀曉玲等[43]分析了基于5G技術的智慧工地在鐵路建設行業的優勢,提出了5G技術在當前鐵路建設行業的應用策略。考慮到協調難度、建設成本、建設周期等因素,趙馳[44]進一步發展了基于5G技術的軌道交通智慧化工點監控系統的設計,系統采用多層次、多節點結構的分布式智慧化工點監控系統方案,利用5G技術實現工點間數據傳輸,提高了管理效率和應急處置能力。崔融[45]利用5G通信的網絡接口和邊緣計算技術,構建了5G視頻監控系統,推進了 5G通信在城市軌道交通視頻監控系統中的應用發展。在5G盾構地鐵項目中,王靜[46]提出給盾構機內部裝5G微基站,保證盾構機在掘進過程中核心機位5G網絡通暢,實現了對設備運行、施工環境的實時監控和數據穩定傳輸。在對5G、室內精準定位(ultra-wide band,UWB)兩者進行融合的基礎上,實現施工的隧道內對施工人員、物料、車輛進行高精準定位,有力保障工程、人員、設備的安全。

4G、5G技術在智慧工地、地下管廊以及橋梁等結構工程的自動化監測中也存在著廣泛應用。為解決現有橋梁監測測試周期長,效率低、損傷定位精度低等問題,馬慧宇等[47]設計了基于無線傳感器網絡的橋梁健康監測系統,采用VGG16卷積神經網絡對橋梁的應變、加速度、溫濕度等特征信息進行健康診斷。該系統在上海外環高架橋莘莊立交6-1線進行試驗,該系統通過4G-LTE公共網絡進行通信,實現了對目標的全天候監測。張吉圭等[48]采用基于4G的One Net作為數據存儲、傳輸、應用的平臺,實現橋梁應力數據、云服務器、人和物的互聯互通,為橋梁結構的健康狀況及后期維護提供有效的數據保障。陸克娟[49]提出施工現場的視頻球機接入4G/5G無線網絡,通過運營商的核心網匯入互聯網,最終聯接工程云平臺服務器,通過5G工程云平臺遠程視頻監控,達到現場與遠程雙重監測的效果。邊緣計算的快速發展減輕了數據管理中心網絡帶寬和功耗的壓力,王卿等[50]在建筑施工實時監測系統中提出5G的關鍵技術“移動邊緣計算”可以達到“0”流量,降低系統延遲,增強服務響應。陳溟民等[51]依托項目工程實例,基于建筑信息模型(building information modeling,BIM)、人工智能、物聯網、云計算等先進信息技術,設計開發了5G+智慧工地系統,系統實現了工地的通信、安防等需求。利用5G網絡在大規模工程中的適用性,侯振堂等[52]有效整合了基于5G的煤礦井下綜采成套設備網絡,形成綜采工作面“一張網”,實現高清視頻監控、遠程精準控制、多機聯動等多功能應用。呂福瑞[53]提出了一種基于5G的工業建設的施工模式,利用無人機上定位設備和5G信號發射器,采用無人機集群技術,完成對施工場地的信號全覆蓋,輔助后期工程機械的作業精準定位。陳維亞等[54]設計了一種道路土方智能化施工服務平臺,通過無人機掃描,得到三維實景建模,借助北斗定位系統和地面施工機械建立聯系,完成定位,使用5G技術進行數據傳輸,形成云平臺、指揮臺、機械端三者相結合的空天地一體化監測的平臺,如圖5所示,該服務平臺在山東某在建道路實際項目中得到應用,成效顯著。

圖5 基于5G的空天地一體化監測系統[54]Fig.5 Air space integrated monitoring system based on 5G[54]

3.4 LoRa在結構健康監測系統中的應用

LoRa具有非常長的無線通信距離,節能且電池壽命長,能夠在地下密閉空間的通信中發揮巨大優勢。礦井工作面空間狹小, 設備較多,在礦壓監測項目中,監測數據大多為緩變數據, 數據量小, 采樣間隔相對較長, 因此霍振龍[55]采用星形結構的LoRa組網,較好地滿足了傳感器可間歇工作,傳輸距離遠的要求。星形拓撲可以最小化每個節點的功耗,在某些特定的地下場景中,地下環境的傳播條件常以強功率損耗為特征,這極大地限制了無線電覆蓋,Abrardo等[56]在意大利錫耶納設計了一種適用于地下環境結構監測的多跳LoRa鏈式網絡,在線性拓撲網絡中,可以實現最優的估算節點喚醒時間,以此降低50%的功耗(最佳情況)。除了能量消耗和擴展性,LoRa 組網的傳輸時延性也是一個重要的優化目標。吉東菁[57]設計了一種基于LoRa組網的地鐵運營隧道監測網絡。在運營隧道中布設位移、沉降、環境監測等傳感器,實現對隧道相關信息的獲取。通過NS3網絡仿真器對5種不同組網方式進行仿真,得出集中式網絡在線性擴展的隧道通信環境中不適用,鏈式多跳網絡相比于前者有更好的時延性能,尤其是分組多跳網絡與其他4種組網方式相比性能最好的結論。在功耗滿足的條件下,采用分組多跳組網方式,增加節點傳輸速率(增加帶寬)或減少網絡傳輸跳數,可以使網絡獲得較低的時延性能,滿足地鐵隧道監測網絡的時延和可靠性需求,系統架構如圖6所示。

開闊空間環境下的無線通信監測技術對結構工程健康監測系統的發展具有重要推動作用。Yadav等[58]根據LoRa在露天空間或非視線路徑條件下的覆蓋范圍的結果,提出了一種基于LoRa的實時坡度監測網絡體系結構。該體系中每個終端節點之間動態連接,形成自修復、自適應路由路徑,與其他鄰近節點中繼,從而形成到網關的路由。為了克服Aloha傳輸模式引起的數據碰撞進而使得數據傳輸時間增加的問題,設計了節點傳播根據擴頻因子在不同時隙中進行調度的算法,能夠有效減少功率的消耗和傳輸數據所需的時間。針對惡劣環境下的結構健康監測,Loubet等[59]設計了一個由LoRaWAN無電池無線傳感節點組成的網絡,節點收集物理數據,并通過互聯網將傳感節點與服務器進行通信,節點通過無線電力傳輸接口由RF(radio frequency)電源無線供電,系統在能量和通信范圍方面取得了良好的平衡。徐欽等[60]將LoRa網絡應用在高層建筑結構健康監測系統中,實現高層結構地震響應和健康監測數據遠距離、低功耗的可靠傳輸, 幫助用戶進行地震作用下振動反應資料的累積,建筑結構的狀態評估和設施管理。當監測上傳數據過多時,為了減少能源消耗,需要簡化上傳數據量,陳明璽等[61]利用MEMS加速度計及微控制器來監測機電設備的振動頻率,由邊緣計算后超過閾值的結果通過LoRa節點上傳至網關,并通過預警服務器根據振動信息重繪振動曲線,極大地提高了監測效率。考慮到土壤中天然或人為地下空洞的存在可能會影響振動的地面響應,傳感器需要易于在多個位置部署,以應對所考慮地點的區域不均勻性,Alessio等[62]開發了一種低成本的分布式測量振動監測系統,由傳感器節點和接收器節點組成。其中傳感器節點中的MEMS加速度計可以測量結構所經歷的加速度,通過LoRa模塊將相關信息傳輸到接收器節點中的LoRa模塊,繼而上傳到管理中心,可用于具有空間多樣性的結構工程的振動監測。

3.5 NB-IoT在結構健康監測系統中的應用

NB-IoT覆蓋范圍廣、多址接入、低功耗、低成本等優勢[63],能夠滿足區域內海量傳感器接入的需求,隨著該技術的成熟,NB-IoT在橋梁結構健康監測中得到深入應用,Thedy等[64]采用NB-IoT技術,并采用MEMS加速度計和內部位移重建技術來監測橋梁健康。利用NB-IoT技術將采集到的數據從橋接站點傳輸到服務器,進而識別受損橋梁與未受損橋梁之間的差異,并確定損傷位置。為了實現多傳感器數據傳輸,消除建造橋上基站的成本,Hou等[65]設計了一種基于物聯網的低成本橋梁位移監測傳感器系統,該系統由傳感器、放大電路、微程序控制單元模塊、物聯網無線通信模塊和云服務器組成,利用低功耗無線通信技術NB-IoT將數據發送給服務器,利用BC-95模塊實現數據的無線傳輸。

圖6 基于LoRa分組多跳式組網的地鐵運營隧道監測系統[57]Fig.6 Metro tunnel monitoring system based on LoRa packet multi hop network[57]

4 無線通信技術在結構健康監測系統中面臨的挑戰和未來研究方向

無線傳輸的性能優勢使其在結構工程建設中得到廣泛應用,但無線傳輸同時也存在一些問題,它以空氣為介質傳輸數據,會因為結構工程施工、運營中的環境因素對傳輸信號的質量產成不利的影響,使通信傳輸不穩定。傳輸過程中的信息缺失、信息泄露等安全問題也是值得關注的部分。如何解決這類問題是目前人們關注的熱點。

4.1 面臨的挑戰

目前,在新興信息技術與傳統建筑行業融合發展的背景下,①ZigBee作為構建物聯網系統的通信技術,較小的覆蓋范圍限制了ZigBee技術在長大結構工程中的應用,ZigBee協議存在安全性差的弱點使得一些需要保密性強的應用場景數據傳輸不可靠;②由于WiFi優異的帶寬是以較大的功耗為代價的,因此大多數便攜WiFi裝置都需要常規充電,這限制了它在結構工程場合中的推廣和應用;③5G技術的優勢在于能夠實時跟蹤車輛以及挖掘機,監控環境,并遠程控制車輛、鉆機、通風系統等機器設備,然而現階段的5G技術還不完善,系統與技術融合有待加強,容量和頻譜的效率仍有提升空間,同時5G能耗控制是一項亟需解決的難題;④LoRa頻段屬于非授權頻段,在實際使用過程中容易受到其他相同頻段設備的干擾,且該組網傳輸帶寬小,場地內的信號遮擋物會影響無線信號的傳輸距離,在進行大規模組網時,難以避免通道繁忙引起的沖突,無法滿足大數據、施工環境復雜的監測要求;⑤NB-IoT運行在授權頻段,相對于LoRa,收到的干擾較少,但NB-IoT中使用的算法存在時延問題,導致物聯網能耗不均。雖然減少了消耗的能量,延長了終端設備壽命,但是NB-IoT會因為終端設備同步通信和服務質量處理而消耗額外的能量。

4.2 未來的研究方向

隨著信息技術的發展,結構工程建設對結構健康監測系統可控性、穩定性和擴展性的要求越來越高,無線通信技術的物聯網應用在現階段來看會因技術偏向發展不均而缺乏一定的成熟度,因此無線通信作為未來通信升級發展的熱潮,聚焦無線通信技術應用能力拓展和技術融合是人們可以研究的方向。

目前,5G產業生態正逐步完善,利用5G通信技術可以打破時空邊界,為結構健康監測系統提供高效的技術保障。結構工程各領域的需求同樣對5G建設提出了更具體的要求,如利用5G將在傳輸延遲、可靠性、安全性和覆蓋范圍等方面的改進,解決結構工程中多徑效應嚴重、大量噪聲干擾、信號衰減快的問題,這不僅能提升5G在施工中不同領域的應用,還能滿足未來運營不同領域的用戶體驗。

隨著5G的不斷更新迭代、進步發展,新的技術浪潮持續翻涌,推陳出新諸如第6代無線網絡技術(WiFi 6)、星鏈、6G(第6代移動通信)等相關網絡傳輸技術。WiFi 6主要使用正交頻分多址(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)、多用戶MIMO等技術,最高速率可達9.6 Gbps,足以滿足多終端多設備互聯互通的要求。星鏈與5G相比是兩種完全不同的網絡提供方式,可以更好地解決偏遠地區、山區、海島等缺少無線基站、電纜建設成本較高的地區建設結構工程的困難。而6G技術也是目前國內外學者研究的熱點,在未來的無線通信技術的發展應用研究中,為更好地支持萬物互聯及垂直行業應用,6G也將會動態地融合多種技術體系,在信息傳遞過程中融合信息采集和信息計算。在6G時代,希望能夠進一步拓展大規模MIMO的規模和應用范圍,通過分布式協同實現結構工程感知通信一體化建設,推進結構工程安全高效建設發展。

5 結論

無線通信技術以其自身的諸多優勢在如今的物聯網時代得到了快速的應用和發展,并發揮著越來越重要的作用。主要介紹了常見的無線通信技術及在結構健康監測中的應用,分析了其所面臨的技術挑戰,并總結了其目前的發展現狀。相信隨著無線通信技術的不斷發展,其在結構健康監測系統中將發揮更加重要的作用。