探究橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)

高新堯

中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司

探究橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)

高新堯

中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司

近些年，隨著橋梁建設(shè)數(shù)量的不斷增多和形式的多樣化，橋梁的結(jié)構(gòu)安全成了橋梁建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題，而用來(lái)確保橋梁結(jié)構(gòu)安全的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)也成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究課題。其中，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)具有傳感節(jié)點(diǎn)體積小、計(jì)算能力有限、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高此系統(tǒng)可靠性、縮短其安裝的周期以及有效的降低建設(shè)成本。但是就現(xiàn)在的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)來(lái)看還不是很成熟，因此研制開(kāi)發(fā)出適用于此監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要概述了當(dāng)前的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并基于此設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

橋梁結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測(cè)；無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1、前言

橋梁作為主要的交通樞紐之一，它的安全性關(guān)系到國(guó)家的交通安全和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一旦橋梁出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題會(huì)威脅生命和財(cái)產(chǎn)安全。而投資力度大的大型的橋梁工程，通常負(fù)載更多的交通壓力，而且在建設(shè)期間工作環(huán)境惡劣工期緊張這也影響著橋梁的質(zhì)量和使用能力。那么在材料氧化腐蝕、突來(lái)的自然災(zāi)害以及人為的損壞會(huì)嚴(yán)重影響者橋梁的質(zhì)量和載荷量，甚至?xí)斐刹豢赡娴膿p傷。由于目前的橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)手段有限，因而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、橋基下沉，桿件出現(xiàn)疲勞等現(xiàn)象，造成不必要的損失和一些由于坍塌而引起的安全事故。因此，現(xiàn)階段對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)能夠確保橋梁的安全；及時(shí)的發(fā)現(xiàn)橋梁損傷；為橋梁有效地管理提供技術(shù)依據(jù)；幫助橋梁的日常的交通使用管理。

2、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)概述

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

健康監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)一般會(huì)受到突發(fā)性損壞和累積性損壞，其中，突發(fā)性損壞是由于突發(fā)事件引起的，使其損壞在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到或者超過(guò)一定的限制，從而使其受到破壞，而累積損壞則是緩慢積累的過(guò)程，達(dá)到一定程度后引起的破壞，健康監(jiān)測(cè)能夠在突發(fā)性損害時(shí)及時(shí)的做出判斷并且警報(bào)，從而采取對(duì)應(yīng)的處理措施，預(yù)防發(fā)生更嚴(yán)重的破壞并引發(fā)事故；而對(duì)于累積損壞，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以定期的對(duì)損壞的狀態(tài)做出記錄，比便可以根據(jù)做出的記錄來(lái)采取相對(duì)應(yīng)的措施。

大型橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包含傳感系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及監(jiān)控中心。傳感系統(tǒng)是由傳感器和二次儀表以及高可靠性的控機(jī)組成的；信號(hào)采集與處理是實(shí)現(xiàn)多種信息源和不同物理信息的采集與預(yù)防處理，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能要求對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解分析和變換，從而獲得所需要的參數(shù)，然后按一定的形式儲(chǔ)存起來(lái)；通信系統(tǒng)則是將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控的中心；最后監(jiān)控中心是利用具備診斷功能的軟件硬件對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷，其診斷的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)是否收到損傷、損傷的位置以及損傷的嚴(yán)重程度等。傳感器從現(xiàn)實(shí)中監(jiān)測(cè)到的信號(hào)，進(jìn)過(guò)采集和處理，通信系統(tǒng)再傳給監(jiān)控中心進(jìn)行分析和診斷，以便對(duì)結(jié)構(gòu)的健康做出評(píng)估，如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，由監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并對(duì)其損傷提供維修建議。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要作用包括設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，確保橋梁的安全；及時(shí)的發(fā)現(xiàn)橋梁損傷；為橋梁有效地管理提供技術(shù)依據(jù)；幫助橋梁的日常的交通使用管理。

2.2 無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)概述

近年來(lái)出現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都受到了高度重視，但目前還屬于實(shí)驗(yàn)和發(fā)展階段尚不成熟。此研究最初是來(lái)自美國(guó)軍方和自然科學(xué)界，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于自身的組織性、成本低、高容錯(cuò)性以及靈活性的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在軍事、醫(yī)療健康、環(huán)境科學(xué)、空間的探索等等領(lǐng)域都有著非常廣泛深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。一開(kāi)始，無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器上安裝無(wú)線(xiàn)的通訊器件，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸，這樣就可以降低成本。在我國(guó)，某些高效和科研所已把該技術(shù)應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，可以將無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相結(jié)合，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸、管理以及存儲(chǔ)，從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)通過(guò)遠(yuǎn)程來(lái)監(jiān)測(cè)的目的。目前世界專(zhuān)門(mén)用于橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)階段，而在我國(guó)還處于起步階段，由于無(wú)線(xiàn)應(yīng)變傳感器的分辨率和可靠性還有待提高，而且目前還沒(méi)有自己獨(dú)立開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3、無(wú)線(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及時(shí)間同步機(jī)制

無(wú)線(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)具有很多鮮明的特征：1、傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、容易失效、且具有適應(yīng)性，2、電源的能量是網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵，3、傳感節(jié)點(diǎn)體積小、計(jì)算能力有限、成本低，4、通信的范圍小，5、數(shù)據(jù)的管理和處理是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。無(wú)線(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由四部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集模塊（包括傳感器和轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（包括微處理器和存儲(chǔ)器）、供電（電池和能量轉(zhuǎn)換器）。而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)、sink節(jié)點(diǎn)以及傳輸介質(zhì)。

無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制根據(jù)一對(duì)節(jié)點(diǎn)間并同步的不同實(shí)現(xiàn)機(jī)制將提出的時(shí)間同步算法分為三種類(lèi)型，基于接受者和接受者的時(shí)間同步機(jī)制（RBS時(shí)間同步機(jī)制和Adaptive RBS時(shí)間同步機(jī)制）、基于發(fā)送者和接收者的單向時(shí)間同步機(jī)制（DMTS時(shí)間同步機(jī)制和FTSP時(shí)間同步機(jī)制）以及基于發(fā)送者和接收者的雙向時(shí)間同步機(jī)制（TPSN時(shí)間同步機(jī)制和LTS時(shí)間同步機(jī)制）。

4、結(jié)語(yǔ)

目前的橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)階段，尤其是在我國(guó)還處于起步階段。該技術(shù)也存在著諸多問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)應(yīng)變傳感器的分辨率和可靠性還有待提高；無(wú)線(xiàn)加速度傳感器能耗大，選擇怎樣的運(yùn)行方式和能量供應(yīng)設(shè)備也是接下來(lái)研究的重點(diǎn)。但總的來(lái)說(shuō)橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)還是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)具有積極意義的。

[1]楊玉冬，王浩，李?lèi)?ài)群.大胯橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估研究進(jìn)展.江蘇建筑.2005,16（2）：18-20

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[4]林瑞仲.面向目標(biāo)跟蹤的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究.浙江大學(xué)博士學(xué)位論文.2005

[5]張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).2001,29（1）：65-68

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