無線傳感器技術在斜拉橋監測系統中的應用

　　摘 要： 本文提出了一種用無線傳感器對斜拉橋進行健康監測的方案，采用基于分簇結構的兩層無線傳感器網絡，驗證了無線傳感器網絡技術在橋梁健康監測領域應用的可行性。
　　關鍵詞： 無線傳感器 監測系統 斜拉橋 應用
　　
　　1.概述
　　1.1無線傳感器技術簡介
　　無線傳感器網絡是由大量傳感器節點通過無線通信技術自組織構成的網絡，它集成了傳感器、微機電系統和網絡三大技術，目的是感知、采集和處理網絡覆蓋圍內感知對象的信息，并轉發給觀察者，是以數據處理為中心的系統。它是信息技術的新領域，其應用范圍已經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，負責控制傳感器、執行通信協議及處理傳感數據的算法；2）用于無線通信的短距離無線收發電路，即通信子系統；3）由一組傳感器和激勵裝置構成的傳感子系統；4）能量供應子系統，包括電池和交直流轉換器。
　　1.2斜拉橋監測系統簡介
　　隨著國民經濟的發展，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濟生活中發揮著巨大的作用。橋梁事故的頻繁發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已接近設計規定的基準使用期。因此我們迫切需要對這些橋梁的運行狀況進行監測，確保人們的生命財產安全。
　　斜拉橋的出現與吊橋一樣，是比較古老的，但現在的斜拉橋，已完全不同于古代的斜拉橋了。現代斜拉橋具有造型美觀、充分利用和發揮結構材料性能、結構剛度優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點，因而現代斜拉橋的建設和發展非常迅速，橋梁跨度一次又一次地被刷新，對斜拉橋進行健康監測就顯得日益必須和重要。
　　2.系統實現
　　2.1傳感器節點的設置
　　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。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，其內力必將發生變化。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的重要參數。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、質量和其分布規律的參數。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。
　　因此，在斜拉橋的關鍵部位放置相關傳感器進行有關參數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無線傳感器網絡的設計
　　傳統的橋梁監測系統多采用有線的方式，傳感器布設在一些重要的節點上，傳感器與控制監測中心之間通過光纜連接。這種有線監測系統存在較多缺點：首先是成本高，系統使用的光纜和專用傳感器價格昂貴，在橋梁健康監測中，系統的安裝開銷很大，據統計，監測系統的安裝開銷占整個系統開銷的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據傳輸。因此，我們采用一種基于無線傳感器網絡技術的橋梁健康監測系統。圖1顯示了兩種監測系統的平面結構圖。
　　一個基于分簇結構的兩層無線傳感器網絡監測系統，如圖2所示。為了節省數據傳輸過程中所消耗的能量，網絡根據節點間距離的遠近劃分成簇，每個簇由相互靠近的傳感器節點組成。簇首作為本地站點控制者（LSM）沒有能量的限制，它負責協調和收集簇內節點的監測數據。監測系統的通信網絡由兩層子系統構成：底層子系統由低數據率、低傳輸范圍和能量受限的傳感器節點組成，上層子系統是由高數據率、大傳輸范圍和沒有能量限制的簇首節點組成。在系統監測過程中，底層傳感器節點將收集到的數據傳送給上層相應的簇首，簇首對數據進行簡單的融合后可以直接傳送給監測中心進行處理，也可傳送給其他簇首進行再次融合后傳送給監測中心。
　　底層傳感器節點由節點控制器、無線收發器、靜態存儲器，以及與測量橋梁相關參數的傳感器模塊等構成。節點可以實現兩類情況的監測，即極端事件監測和長期監測。為了盡可能地降低能量損耗以延長整個系統的生存時間，節點存在四種操作狀態：睡眠、更新、半喚醒和喚醒。在睡眠狀態中，無線收發器和傳感器模塊都處于休眠狀態，控制器周期性接通電源以便監測可能發生的極端事件。在更新狀態中，傳感器模塊處于休眠狀態，控制器和無線電收發器被打開。狀態的更新由簇首和控制器之間的通信過程實現。在半喚醒狀態中，無線收發器休眠，傳感器模塊和控制器都處于打開狀態，該狀態下沒有數據傳送，但是有數據采樣輸出行為。在喚醒模式中，無線電收發器、傳感器模塊和控制器都處于打開狀態，此時傳感器輸出采樣數據并利用無線收發器接收和傳輸數據。
　　簇首節點主要包括兩個無線收發器和一個簇首控制器。第一個無線收發器用來和簇首內的傳感器節點通信；另外一個無線收發器用來和相鄰的簇首節點或監測中心通信。
　　2.3無線傳感器網絡的實現
　　無線橋梁監測系統主要監測以下兩種情況：極端事件監測和長時間周期性的監測。
　　當橋梁測量的相關參數的值超過預定閥值時，就認為發生了極端事件。極端事件發生后，如果測量值在一個閥值事件間隔內返回到閥值以下，就認為極端事件結束。當傳感器探測到某個極端事件發生時，它就進入激活狀態。節點一方面增加對所需測量數據輸出的采樣頻率并向存儲器記錄數據。另一方面需要記錄事件發生的本地時鐘時間，然后和簇首同步，按照簇首的時鐘同步本地時鐘，修改已記錄事件發生的時間。節點與簇首之間的通信采用TDMA機制，簇首接收節點的數據后發送給監測中心。
　　對于長期的監測，監測中心采用時間調度表來記錄監測部位振動信息發生的時間。調度表根據所期望或已存在的環境條件被制定后傳送給網絡中的簇首。長期監測過程中，傳感器節點通常處于睡眠狀態，每天在統一時間間隔內的固定時刻被喚醒，然后進入更新狀態。被喚醒的節點需要和簇首進行同步，然后檢查所有調度更新。假如節點發現在下一個時間間隔內預先安排了監測狀態，它就通過設置喚醒定時器來保證在調度時間內被喚醒并進入喚醒狀態，當節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交替采用喚醒狀態和半喚醒狀態來傳送采樣數據。
　　在如圖3所示的系統中，簇B節點產生的數據首先傳輸到簇首B，簇首B將接收到的數據發送到簇首A，再由簇首A把數據傳送給監測中心。而簇A節點產生的數據是由簇首A直接傳送給監測中心。系統在周期監測和極端事件監測兩種場景下的運行過程如下。
　　在周期監測中，監測中心、簇首節點和傳感器節點都被接通電源。傳感器節點和簇首同步，然后等待簇首發送一個觸發數據包。在監測中心給簇首A發出要求采樣的數據包后，簇首A把這個數據包傳輸給簇首B，然后廣播這個數據包。傳感器節點收到觸發數據包后開始采樣數據，并把數據發送給簇首。當傳感器監測到振動時，可以發現采樣數據隨著振動而變化。一旦完成了預先定義的采樣數之后，傳感器節點便停止采樣，然后等待來自簇首的另一個采樣觸發數據包。
　　
　　在極端事件監測中，系統啟動后傳感器節點最初的狀態是空閑的，它不偵聽任何數據包。傳感器監測到振動后，一旦采樣值超過預先定義的參數閥值，節點便開始記錄數據，同時啟動無線射頻裝置。節點與簇首間的同步完成后開始向監測中心發送數據。接收的數據是隨著輸入擾動而變化的，當事件停止就終止傳送數據，然后關閉無線收發器。
　　3.結語
　　構建無線傳感器網絡監測系統需要考慮以下一些挑戰性的問題。
　　（1）節能的數據傳送。對于一些大型橋梁，傳感器節點需要分布在橋梁的各個角落，其中大部分離監測中心很遠。而無線監測系統中，由于無線傳輸的距離有限并且傳感器節點只依靠電池供電的方式工作，如何遠距離的傳送數據，以及如何節省能量以便盡量延長系統的維護周期是構建無線監測系統所需要考慮的關鍵問題。
　　（2）無線傳感器的選擇。傳統的健康監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測中。隨著微機電系統（MEMS）技術的出現與發展，傳感器在成本和能量消耗上已經大大降低。選擇價格合適、性能符合要求的傳感器也是很重要的。
　　（3）數據的產生速率。在橋梁健康監測的準實時系統中，需要考慮測量橋梁響應時傳感器節點中數據的產生率，它給出了接近實時性能的系統吞吐量需求。
　　（4）數據的同步。在無線監控環境中，由于從傳感器節點數據采樣到監測站接收數據的延時是不可控的，因此系統必須提供分布傳感器數據同步的方法。
　　無線傳感器網絡是一種新興網絡，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絡提供各種支持。無線傳感器網絡的靈活性、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生巨大而深遠的影響。
　　
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