橋梁健康監測中射頻識別技術的應用研究

楊建軍、顧明洋

（中交路建交通科技有限公司，北京 101399）

0 引言

射頻識別技術作為一種無線通信技術，具有身份識別、數據傳輸等功能，在物流、零售、倉儲等領域得到了廣泛應用。近年來，射頻識別技術逐漸引起了橋梁健康監測領域的關注，并被應用于橋梁結構的實時監測和健康評估。射頻識別技術通過無線電信號實現對橋梁變形、振動、溫度等參數的監測，能夠實時獲取橋梁的工作狀態，并及時發出預警信號。加強對該技術在橋梁健康監測中的應用，對橋梁工程的建設和后期維護有重要意義。

1 無線傳感網絡的優勢

無線傳感網絡是一種由大量分布式無線傳感器節點組成的網絡系統，每個傳感器節點都配有傳感器、處理器、通信設備和能源供應等組件，能夠實時地感知、采集和傳輸環境中的信息數據，具有廣泛的應用價值。該技術能夠實現自動組網。傳感器能夠根據距離和信號覆蓋范圍，自動加入或斷開網絡，當監測點位置改變時自動改變組網方式，可降低現場布線的工作量，無線數據服務端具有無線通信能力，移動簡便靈活。無線傳感網絡中的節點可以自由布置在各種環境中，實時采集和傳輸環境參數數據，對環境變化進行監測和評估；節點之間可以進行自適應的路由選擇和數據傳輸，以應對網絡拓撲的變化和節點故障[1]。

射頻技術是無線傳感網絡中最基本的通信技術之一，與無線傳感網絡有著密切聯系。無線傳感網絡中的節點使用射頻技術進行數據傳輸，節點可通過無線信號將感測到的數據發送到其他節點或中央基站，再由基站進行數據處理和分析。此外，射頻技術允許無線傳感網絡采用不同的網絡拓撲結構，如星形、樹狀、網狀等，相關拓撲結構可以根據應用需求和環境條件進行選擇，從而更好地滿足通信需求。

2 基于RFID 的無線傳感網絡的設計與實現

2.1 技術特點及指標

將無線傳感技術應用于監測、檢測領域，有利于整個系統的小型化和智能化。系統中所有數據采集端都可工作于低功耗模式，系統中路由設備和終端設備能耗基本一致；系統可容納上百個數據采集端，可組成大規模拓撲網絡；系統采用特殊的同步機制，可為用戶提供傳輸同步信號；系統支持時鐘校準，可接受用戶服務設備設置年月日時分秒的系統時鐘信息，并能自主維護此系統時鐘，為用戶采集設備提供系統時鐘信息；系統為數據采集端設置專有的系統標識，保證系統內部的安全使用，且防止被其他系統誤用或者盜用；系統的無線數據傳輸可采用AES-128 算法加密，數據傳輸提供點對點確認保護機制，保證用戶數據安全，技術參數如表1 所示。

表1 技術參數

無線傳感網絡系統主要由數據服務端模塊（無線網關）和數據采集端模塊構成[2]。無線網關是系統的核心，負責建立和維護網絡、設置網絡參數、管理網絡拓撲、管理系統標識、上報數據采集端數據、管理系統與用戶服務設備的交互。系統中有且只有一個數據服務端無線網關，為用戶服務設備提供工作指示信號，用戶可通過工作指示信號判斷數據服務端的基本工作狀態。無線網關向用戶服務設備提供UART 通信接口，并具有完整的UART 通信協議，用戶遵從此協議即可實現對系統的控制。數據采集端模塊是無線傳感網絡系統的主要組成部分，負責管理自己的系統標識，傳輸網絡和數據信息，管理與用戶采集設備之間的信息交互。

2.2 創新點

在橋梁健康監測中應用射頻識別技術，不僅能實現數據采集端的無線自組網，也能實現無線設備采集的變頻采樣。系統采用特殊的同步機制，可為用戶提供傳輸同步信號，促進橋梁健康監測模式的轉變和優化，對橋梁的后期維護具有重要的意義。此外，數據采集支持有線和無線兩種模式，技術人員可以結合實際需求進行選用，也支持多種項目評估方案，可推進橋梁健康監測系統的創新。

2.3 技術實現

橋梁健康監測系統由一個數據服務端模塊和大量數據采集端模塊構成，數據服務端模塊和數據采集端模塊采用相同硬件的無線低功率收發機，內嵌網絡架構固件，可實現無線組網和數據傳輸功能（見圖1）。無線傳感網絡系統工作于工信部無線電管理局批準的低功率短距離工作頻段779～787MHz（簡稱780M 頻段），主要面向大規模節點分布、低數據量、超低功耗要求、非實時傳輸的無線數據采集應用，尤其適合溫度、壓力、應變等慢變化靜態量的采集和傳輸；同時也可面向部分特定的超低功耗要求、大數據量、低傳輸延遲的應用[3]。

圖1 技術實現

在橋梁結構的關鍵部位部署射頻傳感器節點，一般選用帶有射頻收發器的智能節點，用于感測橋梁的各種物理參數，如振動、溫度、應力、位移等。傳感器節點應該選擇合理的射頻頻段和傳輸協議，以滿足監測要求并保證數據傳輸的穩定性。傳感器節點會周期性地采集環境參數，并將數據進行處理和壓縮，以減少數據量和節省能源。傳感器節點可以根據預設的監測頻率，按需采集數據；采集到的數據通過射頻技術進行無線傳輸，傳感器節點之間可以形成一個無線傳感網絡，通過節點之間的多跳傳輸或直接傳輸將數據傳輸到一個中央基站，該基站可以通過其他通信手段（如3G/4G/5G 網絡或以太網）將數據上傳到云端；云端或監測中心接收到數據后，進行數據分析和處理，使用各種算法和模型來識別潛在的結構問題，如裂縫、變形、疲勞等，并與歷史數據進行對比，進行結構健康狀態評估；一旦檢測到結構異常或超出預設閾值，系統會發出警報，通知相關人員進行檢查和維修，同時通過可視化界面和報告向相關人員提供實時的結構健康監測信息。

3 RFID 無線傳感網絡在橋梁健康監測中的應用場景

3.1 結構安全監測

橋梁結構安全監測是保障橋梁長期安全運行的基礎，傳統的結構安全監測方法存在局限性，無法實時監測橋梁結構的變化和病害情況。而利用RFID 無線傳感網絡，可將傳感器嵌入橋梁的關鍵結構，實時感知橋梁的應變、位移和振動等參數。當橋梁的應變、位移和振動等參數超過安全閾值時，系統可以發出預警信號，利于及時采取措施進行修復。

3.2 荷載監測

橋梁荷載監測是為了實時掌握橋梁的荷載情況，為后期的維護和管理提供依據。利用RFID 無線傳感網絡，可以通過傳感器感知橋梁結構上的荷載分布情況，實現對橋梁荷載的精確監測，為橋梁的設計和維護提供數據支持；并能實時監測橋梁上車輛行駛的速度信息，通過分析車輛的速度和荷載，評估橋梁對不同速度下車輛荷載的響應情況；還可以感知橋梁所受到的風荷載，包括風速和風向等參數。

3.3 環境監測

橋梁所處地域的環境條件也是影響橋梁結構安全的一大因素。利用RFID 無線傳感網絡，可以實時感知橋梁周圍的環境參數，為橋梁的環境監測和維護提供支持。溫度是影響橋梁結構膨脹和收縮的重要因素，通過在橋梁結構上部署RFID 溫度傳感器，實時監測橋梁的溫度變化，有助于評估橋梁的熱膨脹效應和熱應力；橋梁結構受潮濕環境的影響，容易出現腐蝕和劣化等問題，RFID 濕度傳感器可以實時監測橋梁周圍的濕度情況，發現潛在的腐蝕和劣化風險，利于采取相應的維護措施；借助RFID 傾斜傳感器，可以實時監測橋梁的傾斜情況；在橋梁周圍部署RFID 環境傳感器，用于感知自然災害如地震、洪水等對橋梁的影響。

3.4 安全預警

RFID 無線傳感網絡在橋梁健康監測中還可以實現安全預警功能，及時發現潛在的問題并采取相應的措施。如對橋梁的振動、應變等參數進行實時監測和分析，判斷橋梁結構的疲勞狀況。一旦檢測到疲勞問題，系統可以發出預警信號，提醒相關部門進行維護和修復工作，避免發生嚴重事故。

4 無線傳感網絡在橋梁健康監測中的應用策略

4.1 優化傳感器的類型選擇和布置位置

傳感器的類型選擇和布置位置的優化對于準確獲取橋梁的健康狀態有著重要影響。技術人員需要根據橋梁監測的需求，選擇合適的傳感器類型，包括應變傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等；根據橋梁的結構特點，合理選擇傳感器的布置位置，如橋墩、橋面、支座等；基于橋梁的尺寸和形狀，合理確定傳感器的布置密度和范圍。對于大型橋梁，應增加傳感器的數量和布置密度，以確保全面監測橋梁的健康狀況；在橋梁結構中設置多個傳感器節點，以實現對多個位置的監測，更全面地了解橋梁結構變化和病害情況。

傳感器節點的通信和能量管理是確保監測系統正常運行和延長傳感器壽命的關鍵因素。根據監測需求和環境條件，選擇具有較長通信距離和較低能耗的協議；調整傳感器節點的通信范圍，使其能夠覆蓋整個橋梁結構。通過合理配置傳感器節點的位置和信號傳輸功率，實現傳感器節點之間的無縫通信；采取節能策略，如定時休眠、動態功率調整等，降低能耗并延長電池壽命；探索能量補給技術的應用，如太陽能光伏板、振動能量收集器等，減少對電池的依賴。

4.2 完善數據采集與處理

數據采集與傳輸方式的選擇關系到橋梁結構健康狀態數據的準確獲取。根據監測需求和信號變化的頻率，合理設置傳感器節點的采樣頻率。高頻率的采樣可以提供更詳細的數據，但也會增加能耗和數據處理的壓力，因此需權衡采樣頻率與系統性能之間的平衡；根據實際情況選擇合適的數據傳輸方式。對于橋梁監測，考慮使用無線通信技術，如Wi-Fi、ZigBee、LoRa 等，以實現傳感器節點與數據中心之間的數據傳輸。根據橋梁的規模，選擇具有適當覆蓋范圍和通信穩定性的無線通信方式；在數據傳輸過程中，加入校驗和糾錯機制，譬如CRC 校驗、重傳機制等技術。

數據處理與分析算法的設計是實現對橋梁健康狀態進行評估和預測的關鍵。對采集到的原始數據進行預處理，包括去噪、濾波、數據對齊等；從預處理后的數據中提取有代表性的特征，包括頻域特征、時域特征、小波變換等；根據特征數據建立健康評估模型，采用機器學習、神經網絡、支持向量機等算法。通過模型訓練和優化，實現對橋梁健康狀態的分類和預測。

4.3 加強遠程監控與預警

遠程監控系統架構的設計側重于數據中心與云平臺的集成，實現橋梁監測數據的存儲和管理。云平臺提供高性能的計算和存儲能力，能夠滿足大規模數據的處理和分析需求；根據橋梁監測的需求和復雜性，設計分層的遠程監控系統，將傳感器節點、局域網、廣域網和云平臺等層次進行合理劃分，實現分布式的數據采集、傳輸和處理；考慮到不同地理位置和網絡環境的差異，將無線傳感網絡與有線網絡進行集成，推進無縫數據傳輸和集中管理；加強數據安全和隱私保護，采用加密通信、身份認證、訪問控制等技術，防止數據泄露和非法訪問。

預警模型與實時監測的設計是實現對橋梁異常情況進行快速識別和預警的關鍵，采用機器學習、統計分析等技術，對數據進行建模和訓練，實現對橋梁結構狀態的評估；設計有效的異常檢測與預警算法，實時監測橋梁數據，并根據預設的閾值和規則發出預警信號。通過采用自適應的算法，能夠及時識別出潛在的異常情況；在遠程監控系統中，設計實時數據顯示和分析模塊，以便工程師和維護人員能夠實時查看橋梁的監測數據和狀態，進行遠程分析和決策。

5 結語

綜上所述，射頻識別技術在橋梁健康監測中的應用較為廣泛，對保障橋梁的安全運行有巨大幫助，相關施工人員要充分發揮自身能動性，緊跟行業和時代的發展腳步，加強對新型監測技術和監測設備的研究，不斷完善橋梁安全監測體系，進一步提高對橋梁異常情況的及時響應能力，為橋梁的安全運行提供有效支持，進而為經濟社會的建設和發展奠定堅實的基礎。