高新堯

中國路橋工程有限責任公司

探究橋梁結構健康監(jiān)測的無線傳感技術

高新堯

中國路橋工程有限責任公司

近些年，隨著橋梁建設數(shù)量的不斷增多和形式的多樣化，橋梁的結構安全成了橋梁建設的關鍵問題，而用來確保橋梁結構安全的健康監(jiān)測技術也成為當前的熱點研究課題。其中，橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)及無線傳感技術具有傳感節(jié)點體積小、計算能力有限、成本低等優(yōu)點，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成本。但是就現(xiàn)在的橋梁結構健康監(jiān)測的無線傳感技術來看還不是很成熟，因此研制開發(fā)出適用于此監(jiān)測的無線傳感器具有至關重要的現(xiàn)實意義。本文主要概述了當前的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)和無線傳感技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并基于此設計了無線結構健康監(jiān)測的網(wǎng)絡架構。

橋梁結構；健康監(jiān)測；無線傳感技術；網(wǎng)絡架構

1、前言

橋梁作為主要的交通樞紐之一，它的安全性關系到國家的交通安全和經(jīng)濟的發(fā)展，一旦橋梁出現(xiàn)質量問題會威脅生命和財產(chǎn)安全。而投資力度大的大型的橋梁工程，通常負載更多的交通壓力，而且在建設期間工作環(huán)境惡劣工期緊張這也影響著橋梁的質量和使用能力。那么在材料氧化腐蝕、突來的自然災害以及人為的損壞會嚴重影響者橋梁的質量和載荷量，甚至會造成不可逆的損傷。由于目前的橋梁監(jiān)測技術手段有限，因而不能及時發(fā)現(xiàn)橋梁的結構出現(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)階段對橋梁結構進行健康監(jiān)測能夠確保橋梁的安全；及時的發(fā)現(xiàn)橋梁損傷；為橋梁有效地管理提供技術依據(jù)；幫助橋梁的日常的交通使用管理。

2、橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)及無線傳感技術概述

2.1 橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)

健康監(jiān)測工程結構一般會受到突發(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，使其損壞在短時間內(nèi)達到或者超過一定的限制，從而使其受到破壞，而累積損壞則是緩慢積累的過程，達到一定程度后引起的破壞，健康監(jiān)測能夠在突發(fā)性損害時及時的做出判斷并且警報，從而采取對應的處理措施，預防發(fā)生更嚴重的破壞并引發(fā)事故；而對于累積損壞，健康監(jiān)測系統(tǒng)可以定期的對損壞的狀態(tài)做出記錄，比便可以根據(jù)做出的記錄來采取相對應的措施。

大型橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包含傳感系統(tǒng)、信號采集與處理系統(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組成的；信號采集與處理是實現(xiàn)多種信息源和不同物理信息的采集與預防處理，并且根據(jù)系統(tǒng)的功能要求對所得的數(shù)據(jù)進行分解分析和變換，從而獲得所需要的參數(shù)，然后按一定的形式儲存起來；通信系統(tǒng)則是將處理過的數(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接受到的數(shù)據(jù)進行分析診斷，其診斷的內(nèi)容包括結構是否收到損傷、損傷的位置以及損傷的嚴重程度等。傳感器從現(xiàn)實中監(jiān)測到的信號，進過采集和處理，通信系統(tǒng)再傳給監(jiān)控中心進行分析和診斷，以便對結構的健康做出評估，如果結構出現(xiàn)異常，由監(jiān)控中心發(fā)出預警信號，并對其損傷提供維修建議。

橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用包括設計的驗證，確保橋梁的安全；及時的發(fā)現(xiàn)橋梁損傷；為橋梁有效地管理提供技術依據(jù)；幫助橋梁的日常的交通使用管理。

2.2 無線傳感技術概述

近年來出現(xiàn)的無線傳感技術在國內(nèi)外都受到了高度重視，但目前還屬于實驗和發(fā)展階段尚不成熟。此研究最初是來自美國軍方和自然科學界，無線傳感網(wǎng)絡技術由于自身的組織性、成本低、高容錯性以及靈活性的這些優(yōu)點，使其在軍事、醫(yī)療健康、環(huán)境科學、空間的探索等等領域都有著非常廣泛深遠的應用前景。一開始，無線傳感技術在結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器上安裝無線的通訊器件，從而實現(xiàn)無線傳輸，這樣就可以降低成本。在我國，某些高效和科研所已把該技術應用于土木結構健康監(jiān)測，可以將無線傳感技術和無線局域網(wǎng)以及網(wǎng)絡技術互相結合，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸、管理以及存儲，從而達到對結構通過遠程來監(jiān)測的目的。目前世界專門用于橋梁的結構健康監(jiān)測的無線傳感技術還處在實驗階段，而在我國還處于起步階段，由于無線應變傳感器的分辨率和可靠性還有待提高，而且目前還沒有自己獨立開發(fā)設計的監(jiān)測系統(tǒng)。

3、無線結構健康監(jiān)測的網(wǎng)絡架構設計及時間同步機制

無線結構健康監(jiān)測的網(wǎng)絡架構設計具有很多鮮明的特征：1、傳感節(jié)點數(shù)量龐大、容易失效、且具有適應性，2、電源的能量是網(wǎng)絡壽命的關鍵，3、傳感節(jié)點體積小、計算能力有限、成本低，4、通信的范圍小，5、數(shù)據(jù)的管理和處理是無線傳感器網(wǎng)絡的核心技術。無線結構健康監(jiān)測的傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點一般由四部分組成，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器）、供電（電池和能量轉換器）。而無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、網(wǎng)絡用戶、sink節(jié)點以及傳輸介質。

無線傳感器的網(wǎng)絡時間同步機制根據(jù)一對節(jié)點間并同步的不同實現(xiàn)機制將提出的時間同步算法分為三種類型，基于接受者和接受者的時間同步機制（RBS時間同步機制和Adaptive RBS時間同步機制）、基于發(fā)送者和接收者的單向時間同步機制（DMTS時間同步機制和FTSP時間同步機制）以及基于發(fā)送者和接收者的雙向時間同步機制（TPSN時間同步機制和LTS時間同步機制）。

4、結語

目前的橋梁的結構健康監(jiān)測的無線傳感技術還處在實驗階段，尤其是在我國還處于起步階段。該技術也存在著諸多問題，無線應變傳感器的分辨率和可靠性還有待提高；無線加速度傳感器能耗大，選擇怎樣的運行方式和能量供應設備也是接下來研究的重點。但總的來說橋梁的結構健康監(jiān)測的無線傳感技術還是對橋梁結構的監(jiān)測具有積極意義的。

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