摘 要： 本文提出了一種用無(wú)線傳感器對(duì)斜拉橋進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的方案，采用基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。
　　關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 斜拉橋 應(yīng)用
　　
　　1.概述
　　1.1無(wú)線傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無(wú)線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，它集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)，目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋圍內(nèi)感知對(duì)象的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者，是以數(shù)據(jù)處理為中心的系統(tǒng)。它是信息技術(shù)的新領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍已經(jīng)深入到了人類社會(huì)的每一個(gè)角落，在軍事和民用領(lǐng)域均有非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由以下幾部分組成：1）由微處理器或微控制器構(gòu)成的計(jì)算子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議及處理傳感數(shù)據(jù)的算法；2）用于無(wú)線通信的短距離無(wú)線收發(fā)電路，即通信子系統(tǒng)；3）由一組傳感器和激勵(lì)裝置構(gòu)成的傳感子系統(tǒng)；4）能量供應(yīng)子系統(tǒng)，包括電池和交直流轉(zhuǎn)換器。
　　1.2斜拉橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的特大型橋梁進(jìn)入了人們的視野，這些交通基礎(chǔ)設(shè)施在人們的經(jīng)濟(jì)生活中發(fā)揮著巨大的作用。橋梁事故的頻繁發(fā)生引起了人們的日益重視，特別是新中國(guó)建國(guó)初期建成的橋梁多數(shù)已接近設(shè)計(jì)規(guī)定的基準(zhǔn)使用期。因此我們迫切需要對(duì)這些橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。
　　斜拉橋的出現(xiàn)與吊橋一樣，是比較古老的，但現(xiàn)在的斜拉橋，已完全不同于古代的斜拉橋了?，F(xiàn)代斜拉橋具有造型美觀、充分利用和發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料性能、結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)于懸索橋和其他類型橋梁、有效和快速的施工、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)受力合理等突出優(yōu)點(diǎn)，因而現(xiàn)代斜拉橋的建設(shè)和發(fā)展非常迅速，橋梁跨度一次又一次地被刷新，對(duì)斜拉橋進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)就顯得日益必須和重要。
　　2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　2.1傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置
　　斜拉橋主要的組成構(gòu)件是主梁、索塔和斜拉索。其理想的受力狀態(tài)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(jié)構(gòu)的受力、變形狀態(tài)。主梁、索塔是斜拉橋的主要承重構(gòu)件，在恒載和不同荷載的情況下，其內(nèi)力必將發(fā)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(yíng)運(yùn)狀態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
　　斜拉橋的橋面是直接承受交通荷載的構(gòu)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(tài)的重要參數(shù)。另外對(duì)于混凝土為主要材料的主梁，在多次重復(fù)荷載的作用下，其結(jié)構(gòu)性能會(huì)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(zhì)量和其分布規(guī)律的參數(shù)。對(duì)主梁自振特性進(jìn)行測(cè)試，了解其振動(dòng)頻率、振型等的變化情況，是分析主梁結(jié)構(gòu)性能老化程度的主要依據(jù)。
　　因此，在斜拉橋的關(guān)鍵部位放置相關(guān)傳感器進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的測(cè)量就顯得尤為重要，特別是斜拉索索力、橋面振動(dòng)、橋面應(yīng)變，以及溫度的測(cè)量。
　　2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
　　傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用有線的方式，傳感器布設(shè)在一些重要的節(jié)點(diǎn)上，傳感器與控制監(jiān)測(cè)中心之間通過光纜連接。這種有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在較多缺點(diǎn)：首先是成本高，系統(tǒng)使用的光纜和專用傳感器價(jià)格昂貴，在橋梁健康監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)的安裝開銷很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝開銷占整個(gè)系統(tǒng)開銷的25％。其次是可靠性差，光纜會(huì)隨著使用時(shí)間逐漸老化，在人為破壞，以及強(qiáng)風(fēng)、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(shù)據(jù)傳輸。因此，我們采用一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。圖1顯示了兩種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)圖。
　　一個(gè)基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。為了節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸過程中所消耗的能量，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)間距離的遠(yuǎn)近劃分成簇，每個(gè)簇由相互靠近的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。簇首作為本地站點(diǎn)控制者（LSM）沒有能量的限制，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和收集簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)由兩層子系統(tǒng)構(gòu)成：底層子系統(tǒng)由低數(shù)據(jù)率、低傳輸范圍和能量受限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，上層子系統(tǒng)是由高數(shù)據(jù)率、大傳輸范圍和沒有能量限制的簇首節(jié)點(diǎn)組成。在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過程中，底層傳感器節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)傳送給上層相應(yīng)的簇首，簇首對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的融合后可以直接傳送給監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行處理，也可傳送給其他簇首進(jìn)行再次融合后傳送給監(jiān)測(cè)中心。
　　底層傳感器節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)控制器、無(wú)線收發(fā)器、靜態(tài)存儲(chǔ)器，以及與測(cè)量橋梁相關(guān)參數(shù)的傳感器模塊等構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)兩類情況的監(jiān)測(cè)，即極端事件監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。為了盡可能地降低能量損耗以延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的生存時(shí)間，節(jié)點(diǎn)存在四種操作狀態(tài)：睡眠、更新、半喚醒和喚醒。在睡眠狀態(tài)中，無(wú)線收發(fā)器和傳感器模塊都處于休眠狀態(tài)，控制器周期性接通電源以便監(jiān)測(cè)可能發(fā)生的極端事件。在更新狀態(tài)中，傳感器模塊處于休眠狀態(tài)，控制器和無(wú)線電收發(fā)器被打開。狀態(tài)的更新由簇首和控制器之間的通信過程實(shí)現(xiàn)。在半喚醒狀態(tài)中，無(wú)線收發(fā)器休眠，傳感器模塊和控制器都處于打開狀態(tài)，該狀態(tài)下沒有數(shù)據(jù)傳送，但是有數(shù)據(jù)采樣輸出行為。在喚醒模式中，無(wú)線電收發(fā)器、傳感器模塊和控制器都處于打開狀態(tài)，此時(shí)傳感器輸出采樣數(shù)據(jù)并利用無(wú)線收發(fā)器接收和傳輸數(shù)據(jù)。
　　簇首節(jié)點(diǎn)主要包括兩個(gè)無(wú)線收發(fā)器和一個(gè)簇首控制器。第一個(gè)無(wú)線收發(fā)器用來(lái)和簇首內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)通信；另外一個(gè)無(wú)線收發(fā)器用來(lái)和相鄰的簇首節(jié)點(diǎn)或監(jiān)測(cè)中心通信。
　　2.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)
　　無(wú)線橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)以下兩種情況：極端事件監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間周期性的監(jiān)測(cè)。
　　當(dāng)橋梁測(cè)量的相關(guān)參數(shù)的值超過預(yù)定閥值時(shí)，就認(rèn)為發(fā)生了極端事件。極端事件發(fā)生后，如果測(cè)量值在一個(gè)閥值事件間隔內(nèi)返回到閥值以下，就認(rèn)為極端事件結(jié)束。當(dāng)傳感器探測(cè)到某個(gè)極端事件發(fā)生時(shí)，它就進(jìn)入激活狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)一方面增加對(duì)所需測(cè)量數(shù)據(jù)輸出的采樣頻率并向存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)。另一方面需要記錄事件發(fā)生的本地時(shí)鐘時(shí)間，然后和簇首同步，按照簇首的時(shí)鐘同步本地時(shí)鐘，修改已記錄事件發(fā)生的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)與簇首之間的通信采用TDMA機(jī)制，簇首接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。
　　對(duì)于長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)中心采用時(shí)間調(diào)度表來(lái)記錄監(jiān)測(cè)部位振動(dòng)信息發(fā)生的時(shí)間。調(diào)度表根據(jù)所期望或已存在的環(huán)境條件被制定后傳送給網(wǎng)絡(luò)中的簇首。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常處于睡眠狀態(tài)，每天在統(tǒng)一時(shí)間間隔內(nèi)的固定時(shí)刻被喚醒，然后進(jìn)入更新狀態(tài)。被喚醒的節(jié)點(diǎn)需要和簇首進(jìn)行同步，然后檢查所有調(diào)度更新。假如節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)在下一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)預(yù)先安排了監(jiān)測(cè)狀態(tài)，它就通過設(shè)置喚醒定時(shí)器來(lái)保證在調(diào)度時(shí)間內(nèi)被喚醒并進(jìn)入喚醒狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)和簇首的同步過程完成后，它們就在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)交替采用喚醒狀態(tài)和半喚醒狀態(tài)來(lái)傳送采樣數(shù)據(jù)。
　　在如圖3所示的系統(tǒng)中，簇B節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)酱厥譈，簇首B將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到簇首A，再由簇首A把數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測(cè)中心。而簇A節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是由簇首A直接傳送給監(jiān)測(cè)中心。系統(tǒng)在周期監(jiān)測(cè)和極端事件監(jiān)測(cè)兩種場(chǎng)景下的運(yùn)行過程如下。
　　在周期監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)中心、簇首節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)都被接通電源。傳感器節(jié)點(diǎn)和簇首同步，然后等待簇首發(fā)送一個(gè)觸發(fā)數(shù)據(jù)包。在監(jiān)測(cè)中心給簇首A發(fā)出要求采樣的數(shù)據(jù)包后，簇首A把這個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸給簇首B，然后廣播這個(gè)數(shù)據(jù)包。傳感器節(jié)點(diǎn)收到觸發(fā)數(shù)據(jù)包后開始采樣數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到振動(dòng)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)隨著振動(dòng)而變化。一旦完成了預(yù)先定義的采樣數(shù)之后，傳感器節(jié)點(diǎn)便停止采樣，然后等待來(lái)自簇首的另一個(gè)采樣觸發(fā)數(shù)據(jù)包。
　　
　　在極端事件監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)啟動(dòng)后傳感器節(jié)點(diǎn)最初的狀態(tài)是空閑的，它不偵聽任何數(shù)據(jù)包。傳感器監(jiān)測(cè)到振動(dòng)后，一旦采樣值超過預(yù)先定義的參數(shù)閥值，節(jié)點(diǎn)便開始記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)啟動(dòng)無(wú)線射頻裝置。節(jié)點(diǎn)與簇首間的同步完成后開始向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。接收的數(shù)據(jù)是隨著輸入擾動(dòng)而變化的，當(dāng)事件停止就終止傳送數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器。
　　3.結(jié)語(yǔ)
　　構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要考慮以下一些挑戰(zhàn)性的問題。
　?。?）節(jié)能的數(shù)據(jù)傳送。對(duì)于一些大型橋梁，傳感器節(jié)點(diǎn)需要分布在橋梁的各個(gè)角落，其中大部分離監(jiān)測(cè)中心很遠(yuǎn)。而無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，由于無(wú)線傳輸?shù)木嚯x有限并且傳感器節(jié)點(diǎn)只依靠電池供電的方式工作，如何遠(yuǎn)距離的傳送數(shù)據(jù)，以及如何節(jié)省能量以便盡量延長(zhǎng)系統(tǒng)的維護(hù)周期是構(gòu)建無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需要考慮的關(guān)鍵問題。
　　（2）無(wú)線傳感器的選擇。傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)傳感器具有價(jià)格昂貴、布設(shè)困難和消耗能量大等缺點(diǎn)，不適合應(yīng)用在無(wú)線監(jiān)測(cè)中。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，傳感器在成本和能量消耗上已經(jīng)大大降低。選擇價(jià)格合適、性能符合要求的傳感器也是很重要的。
　?。?）數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率。在橋梁健康監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，需要考慮測(cè)量橋梁響應(yīng)時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)的產(chǎn)生率，它給出了接近實(shí)時(shí)性能的系統(tǒng)吞吐量需求。
　?。?）數(shù)據(jù)的同步。在無(wú)線監(jiān)控環(huán)境中，由于從傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣到監(jiān)測(cè)站接收數(shù)據(jù)的延時(shí)是不可控的，因此系統(tǒng)必須提供分布傳感器數(shù)據(jù)同步的方法。
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興網(wǎng)絡(luò)，盡管它還不是很成熟，但隨著越來(lái)越多的關(guān)注和研究，會(huì)有很多技術(shù)方案為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供各種支持。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的靈活性、容錯(cuò)性、高感知能力、低費(fèi)用，以及快速布局等特點(diǎn)決定了它的應(yīng)用領(lǐng)域必將極為廣泛，必然會(huì)對(duì)人們的生活產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。
　　
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