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(shù)作為一種無線通信技術(shù)，具有身份識別、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽谖锪?、零售、倉儲等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來，射頻識別技術(shù)逐漸引起了橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域的關(guān)注，并被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和健康評估。射頻識別技術(shù)通過無線電信號實(shí)現(xiàn)對橋梁變形、振動(dòng)、溫度等參數(shù)的監(jiān)測，能夠?qū)崟r(shí)獲取橋梁的工作狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號。加強(qiáng)對該技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用，對橋梁工程的建設(shè)和后期維護(hù)有重要意義。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種由大量分布式無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都配有傳感器、處理器、通信設(shè)備和能源供應(yīng)等組件，能夠?qū)崟r(shí)地感知、采集和傳輸環(huán)境中的信息數(shù)據(jù)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)。傳感器能夠根據(jù)距離和信號覆蓋范圍，自動(dòng)加入或斷開網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)位置改變時(shí)自動(dòng)改變組網(wǎng)方式，可降低現(xiàn)場布線的工作量，無線數(shù)據(jù)服務(wù)端具有無線通信能力，移動(dòng)簡便靈活。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以自由布置在各種環(huán)境中，實(shí)時(shí)采集和傳輸環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，對環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測和評估；節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行自適應(yīng)的路由選擇和數(shù)據(jù)傳輸，以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓凸?jié)點(diǎn)故障[1]。

射頻技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最基本的通信技術(shù)之一，與無線傳感網(wǎng)絡(luò)有著密切聯(lián)系。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)使用射頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)可通過無線信號將感測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)或中央基站，再由基站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。此外，射頻技術(shù)允許無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星形、樹狀、網(wǎng)狀等，相關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)應(yīng)用需求和環(huán)境條件進(jìn)行選擇，從而更好地滿足通信需求。

2 基于RFID 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 技術(shù)特點(diǎn)及指標(biāo)

將無線傳感技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測、檢測領(lǐng)域，有利于整個(gè)系統(tǒng)的小型化和智能化。系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)采集端都可工作于低功耗模式，系統(tǒng)中路由設(shè)備和終端設(shè)備能耗基本一致；系統(tǒng)可容納上百個(gè)數(shù)據(jù)采集端，可組成大規(guī)模拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)采用特殊的同步機(jī)制，可為用戶提供傳輸同步信號；系統(tǒng)支持時(shí)鐘校準(zhǔn)，可接受用戶服務(wù)設(shè)備設(shè)置年月日時(shí)分秒的系統(tǒng)時(shí)鐘信息，并能自主維護(hù)此系統(tǒng)時(shí)鐘，為用戶采集設(shè)備提供系統(tǒng)時(shí)鐘信息；系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集端設(shè)置專有的系統(tǒng)標(biāo)識，保證系統(tǒng)內(nèi)部的安全使用，且防止被其他系統(tǒng)誤用或者盜用；系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸可采用AES-128 算法加密，數(shù)據(jù)傳輸提供點(diǎn)對點(diǎn)確認(rèn)保護(hù)機(jī)制，保證用戶數(shù)據(jù)安全，技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務(wù)端模塊（無線網(wǎng)關(guān)）和數(shù)據(jù)采集端模塊構(gòu)成[2]。無線網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、管理系統(tǒng)標(biāo)識、上報(bào)數(shù)據(jù)采集端數(shù)據(jù)、管理系統(tǒng)與用戶服務(wù)設(shè)備的交互。系統(tǒng)中有且只有一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)端無線網(wǎng)關(guān)，為用戶服務(wù)設(shè)備提供工作指示信號，用戶可通過工作指示信號判斷數(shù)據(jù)服務(wù)端的基本工作狀態(tài)。無線網(wǎng)關(guān)向用戶服務(wù)設(shè)備提供UART 通信接口，并具有完整的UART 通信協(xié)議，用戶遵從此協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)采集端模塊是無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要組成部分，負(fù)責(zé)管理自己的系統(tǒng)標(biāo)識，傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)信息，管理與用戶采集設(shè)備之間的信息交互。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

在橋梁健康監(jiān)測中應(yīng)用射頻識別技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集端的無線自組網(wǎng)，也能實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備采集的變頻采樣。系統(tǒng)采用特殊的同步機(jī)制，可為用戶提供傳輸同步信號，促進(jìn)橋梁健康監(jiān)測模式的轉(zhuǎn)變和優(yōu)化，對橋梁的后期維護(hù)具有重要的意義。此外，數(shù)據(jù)采集支持有線和無線兩種模式，技術(shù)人員可以結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行選用，也支持多種項(xiàng)目評估方案，可推進(jìn)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新。

2.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)由一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)端模塊和大量數(shù)據(jù)采集端模塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)服務(wù)端模塊和數(shù)據(jù)采集端模塊采用相同硬件的無線低功率收發(fā)機(jī)，內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)固件，可實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸功能（見圖1）。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作于工信部無線電管理局批準(zhǔn)的低功率短距離工作頻段779～787MHz（簡稱780M 頻段），主要面向大規(guī)模節(jié)點(diǎn)分布、低數(shù)據(jù)量、超低功耗要求、非實(shí)時(shí)傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，尤其適合溫度、壓力、應(yīng)變等慢變化靜態(tài)量的采集和傳輸；同時(shí)也可面向部分特定的超低功耗要求、大數(shù)據(jù)量、低傳輸延遲的應(yīng)用[3]。

圖1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位部署射頻傳感器節(jié)點(diǎn)，一般選用帶有射頻收發(fā)器的智能節(jié)點(diǎn)，用于感測橋梁的各種物理參數(shù)，如振動(dòng)、溫度、應(yīng)力、位移等。傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該選擇合理的射頻頻段和傳輸協(xié)議，以滿足監(jiān)測要求并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。傳感器節(jié)點(diǎn)會周期性地采集環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和壓縮，以減少數(shù)據(jù)量和節(jié)省能源。傳感器節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的監(jiān)測頻率，按需采集數(shù)據(jù)；采集到的數(shù)據(jù)通過射頻技術(shù)進(jìn)行無線傳輸，傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以形成一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過節(jié)點(diǎn)之間的多跳傳輸或直接傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)中央基站，該基站可以通過其他通信手段（如3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)）將數(shù)據(jù)上傳到云端；云端或監(jiān)測中心接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，使用各種算法和模型來識別潛在的結(jié)構(gòu)問題，如裂縫、變形、疲勞等，并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估；一旦檢測到結(jié)構(gòu)異?；虺鲱A(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)會發(fā)出警報(bào)，通知相關(guān)人員進(jìn)行檢查和維修，同時(shí)通過可視化界面和報(bào)告向相關(guān)人員提供實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息。

3 RFID 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用場景

3.1 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測是保障橋梁長期安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方法存在局限性，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的變化和病害情況。而利用RFID 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可將傳感器嵌入橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)感知橋梁的應(yīng)變、位移和振動(dòng)等參數(shù)。當(dāng)橋梁的應(yīng)變、位移和振動(dòng)等參數(shù)超過安全閾值時(shí)，系統(tǒng)可以發(fā)出預(yù)警信號，利于及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)。

3.2 荷載監(jiān)測

橋梁荷載監(jiān)測是為了實(shí)時(shí)掌握橋梁的荷載情況，為后期的維護(hù)和管理提供依據(jù)。利用RFID 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以通過傳感器感知橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載分布情況，實(shí)現(xiàn)對橋梁荷載的精確監(jiān)測，為橋梁的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持；并能實(shí)時(shí)監(jiān)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(yīng)情況；還可以感知橋梁所受到的風(fēng)荷載，包括風(fēng)速和風(fēng)向等參數(shù)。

3.3 環(huán)境監(jiān)測

橋梁所處地域的環(huán)境條件也是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的一大因素。利用RFID 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)感知橋梁周圍的環(huán)境參數(shù)，為橋梁的環(huán)境監(jiān)測和維護(hù)提供支持。溫度是影響橋梁結(jié)構(gòu)膨脹和收縮的重要因素，通過在橋梁結(jié)構(gòu)上部署RFID 溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的溫度變化，有助于評估橋梁的熱膨脹效應(yīng)和熱應(yīng)力；橋梁結(jié)構(gòu)受潮濕環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)腐蝕和劣化等問題，RFID 濕度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁周圍的濕度情況，發(fā)現(xiàn)潛在的腐蝕和劣化風(fēng)險(xiǎn)，利于采取相應(yīng)的維護(hù)措施；借助RFID 傾斜傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的傾斜情況；在橋梁周圍部署RFID 環(huán)境傳感器，用于感知自然災(zāi)害如地震、洪水等對橋梁的影響。

3.4 安全預(yù)警

RFID 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測中還可以實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題并采取相應(yīng)的措施。如對橋梁的振動(dòng)、應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞狀況。一旦檢測到疲勞問題，系統(tǒng)可以發(fā)出預(yù)警信號，提醒相關(guān)部門進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)工作，避免發(fā)生嚴(yán)重事故。

4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用策略

4.1 優(yōu)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(yōu)化對于準(zhǔn)確獲取橋梁的健康狀態(tài)有著重要影響。技術(shù)人員需要根據(jù)橋梁監(jiān)測的需求，選擇合適的傳感器類型，包括應(yīng)變傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等；根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(yīng)增加傳感器的數(shù)量和布置密度，以確保全面監(jiān)測橋梁的健康狀況；在橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對多個(gè)位置的監(jiān)測，更全面地了解橋梁結(jié)構(gòu)變化和病害情況。

傳感器節(jié)點(diǎn)的通信和能量管理是確保監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行和延長傳感器壽命的關(guān)鍵因素。根據(jù)監(jiān)測需求和環(huán)境條件，選擇具有較長通信距離和較低能耗的協(xié)議；調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍，使其能夠覆蓋整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)。通過合理配置傳感器節(jié)點(diǎn)的位置和信號傳輸功率，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無縫通信；采取節(jié)能策略，如定時(shí)休眠、動(dòng)態(tài)功率調(diào)整等，降低能耗并延長電池壽命；探索能量補(bǔ)給技術(shù)的應(yīng)用，如太陽能光伏板、振動(dòng)能量收集器等，減少對電池的依賴。

4.2 完善數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與傳輸方式的選擇關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取。根據(jù)監(jiān)測需求和信號變化的頻率，合理設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣頻率。高頻率的采樣可以提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，但也會增加能耗和數(shù)據(jù)處理的壓力，因此需權(quán)衡采樣頻率與系統(tǒng)性能之間的平衡；根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸方式。對于橋梁監(jiān)測，考慮使用無線通信技術(shù)，如Wi-Fi、ZigBee、LoRa 等，以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)橋梁的規(guī)模，選擇具有適當(dāng)覆蓋范圍和通信穩(wěn)定性的無線通信方式；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，加入校驗(yàn)和糾錯(cuò)機(jī)制，譬如CRC 校驗(yàn)、重傳機(jī)制等技術(shù)。

數(shù)據(jù)處理與分析算法的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)對橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)測的關(guān)鍵。對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、濾波、數(shù)據(jù)對齊等；從預(yù)處理后的數(shù)據(jù)中提取有代表性的特征，包括頻域特征、時(shí)域特征、小波變換等；根據(jù)特征數(shù)據(jù)建立健康評估模型，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法。通過模型訓(xùn)練和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對橋梁健康狀態(tài)的分類和預(yù)測。

4.3 加強(qiáng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與預(yù)警

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)側(cè)重于數(shù)據(jù)中心與云平臺的集成，實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和管理。云平臺提供高性能的計(jì)算和存儲能力，能夠滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理和分析需求；根據(jù)橋梁監(jiān)測的需求和復(fù)雜性，設(shè)計(jì)分層的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將傳感器節(jié)點(diǎn)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和云平臺等層次進(jìn)行合理劃分，實(shí)現(xiàn)分布式的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理；考慮到不同地理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的差異，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成，推進(jìn)無縫數(shù)據(jù)傳輸和集中管理；加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)，采用加密通信、身份認(rèn)證、訪問控制等技術(shù)，防止數(shù)據(jù)泄露和非法訪問。

預(yù)警模型與實(shí)時(shí)監(jiān)測的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)對橋梁異常情況進(jìn)行快速識別和預(yù)警的關(guān)鍵，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計(jì)分析等技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估；設(shè)計(jì)有效的異常檢測與預(yù)警算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值和規(guī)則發(fā)出預(yù)警信號。通過采用自適應(yīng)的算法，能夠及時(shí)識別出潛在的異常情況；在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和分析模塊，以便工程師和維護(hù)人員能夠?qū)崟r(shí)查看橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程分析和決策。

5 結(jié)語

綜上所述，射頻識別技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用較為廣泛，對保障橋梁的安全運(yùn)行有巨大幫助，相關(guān)施工人員要充分發(fā)揮自身能動(dòng)性，緊跟行業(yè)和時(shí)代的發(fā)展腳步，加強(qiáng)對新型監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測設(shè)備的研究，不斷完善橋梁安全監(jiān)測體系，進(jìn)一步提高對橋梁異常情況的及時(shí)響應(yīng)能力，為橋梁的安全運(yùn)行提供有效支持，進(jìn)而為經(jīng)濟(jì)社會的建設(shè)和發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。