探究桥梁结构健康监测的无线传感技术

高新尧

中国路桥工程有限责任公司

探究桥梁结构健康监测的无线传感技术

高新尧

中国路桥工程有限责任公司

近些年，随着桥梁建设数量的不断增多和形式的多样化，桥梁的结构安全成了桥梁建设的关键问题，而用来确保桥梁结构安全的健康监测技术也成为当前的热点研究课题。其中，桥梁结构健康监测系统及无线传感技术具有传感节点体积小、计算能力有限、成本低等优点，可以大大提高此系统可靠性、缩短其安装的周期以及有效的降低建设成本。但是就现在的桥梁结构健康监测的无线传感技术来看还不是很成熟，因此研制开发出适用于此监测的无线传感器具有至关重要的现实意义。本文主要概述了当前的桥梁结构健康监测系统和无线传感技术的发展现状，并基于此设计了无线结构健康监测的网络架构。

桥梁结构；健康监测；无线传感技术；网络架构

1、前言

桥梁作为主要的交通枢纽之一，它的安全性关系到国家的交通安全和经济的发展，一旦桥梁出现质量问题会威胁生命和财产安全。而投资力度大的大型的桥梁工程，通常负载更多的交通压力，而且在建设期间工作环境恶劣工期紧张这也影响着桥梁的质量和使用能力。那么在材料氧化腐蚀、突来的自然灾害以及人为的损坏会严重影响者桥梁的质量和载荷量，甚至会造成不可逆的损伤。由于目前的桥梁监测技术手段有限，因而不能及时发现桥梁的结构出现裂纹、桥基下沉，杆件出现疲劳等现象，造成不必要的损失和一些由于坍塌而引起的安全事故。因此，现阶段对桥梁结构进行健康监测能够确保桥梁的安全；及时的发现桥梁损伤；为桥梁有效地管理提供技术依据；帮助桥梁的日常的交通使用管理。

2、桥梁结构健康监测系统及无线传感技术概述

2.1 桥梁结构健康监测系统

健康监测工程结构一般会受到突发性损坏和累积性损坏，其中，突发性损坏是由于突发事件引起的，使其损坏在短时间内达到或者超过一定的限制，从而使其受到破坏，而累积损坏则是缓慢积累的过程，达到一定程度后引起的破坏，健康监测能够在突发性损害时及时的做出判断并且警报，从而采取对应的处理措施，预防发生更严重的破坏并引发事故；而对于累积损坏，健康监测系统可以定期的对损坏的状态做出记录，比便可以根据做出的记录来采取相对应的措施。

大型桥梁的健康监测系统一般包含传感系统、信号采集与处理系统、通信系统以及监控中心。传感系统是由传感器和二次仪表以及高可靠性的控机组成的；信号采集与处理是实现多种信息源和不同物理信息的采集与预防处理，并且根据系统的功能要求对所得的数据进行分解分析和变换，从而获得所需要的参数，然后按一定的形式储存起来；通信系统则是将处理过的数据传输到监控的中心；最后监控中心是利用具备诊断功能的软件硬件对接受到的数据进行分析诊断，其诊断的内容包括结构是否收到损伤、损伤的位置以及损伤的严重程度等。传感器从现实中监测到的信号，进过采集和处理，通信系统再传给监控中心进行分析和诊断，以便对结构的健康做出评估，如果结构出现异常，由监控中心发出预警信号，并对其损伤提供维修建议。

桥梁结构健康监测系统的主要作用包括设计的验证，确保桥梁的安全；及时的发现桥梁损伤；为桥梁有效地管理提供技术依据；帮助桥梁的日常的交通使用管理。

2.2 无线传感技术概述

近年来出现的无线传感技术在国内外都受到了高度重视，但目前还属于实验和发展阶段尚不成熟。此研究最初是来自美国军方和自然科学界，无线传感网络技术由于自身的组织性、成本低、高容错性以及灵活性的这些优点，使其在军事、医疗健康、环境科学、空间的探索等等领域都有着非常广泛深远的应用前景。一开始，无线传感技术在结构健康监测系统的传感器上安装无线的通讯器件，从而实现无线传输，这样就可以降低成本。在我国，某些高效和科研所已把该技术应用于土木结构健康监测，可以将无线传感技术和无线局域网以及网络技术互相结合，以此来实现数据的无线远程传输、管理以及存储，从而达到对结构通过远程来监测的目的。目前世界专门用于桥梁的结构健康监测的无线传感技术还处在实验阶段，而在我国还处于起步阶段，由于无线应变传感器的分辨率和可靠性还有待提高，而且目前还没有自己独立开发设计的监测系统。

3、无线结构健康监测的网络架构设计及时间同步机制

无线结构健康监测的网络架构设计具有很多鲜明的特征：1、传感节点数量庞大、容易失效、且具有适应性，2、电源的能量是网络寿命的关键，3、传感节点体积小、计算能力有限、成本低，4、通信的范围小，5、数据的管理和处理是无线传感器网络的核心技术。无线结构健康监测的传感器的网络节点一般由四部分组成，分别是数据采集模块（包括传感器和转换器）、数据传输模块、数据处理和控制模块（包括微处理器和存储器）、供电（电池和能量转换器）。而无线网络传感器系统由传感器节点、网络用户、sink节点以及传输介质。

无线传感器的网络时间同步机制根据一对节点间并同步的不同实现机制将提出的时间同步算法分为三种类型，基于接受者和接受者的时间同步机制（RBS时间同步机制和Adaptive RBS时间同步机制）、基于发送者和接收者的单向时间同步机制（DMTS时间同步机制和FTSP时间同步机制）以及基于发送者和接收者的双向时间同步机制（TPSN时间同步机制和LTS时间同步机制）。

4、结语

目前的桥梁的结构健康监测的无线传感技术还处在实验阶段，尤其是在我国还处于起步阶段。该技术也存在着诸多问题，无线应变传感器的分辨率和可靠性还有待提高；无线加速度传感器能耗大，选择怎样的运行方式和能量供应设备也是接下来研究的重点。但总的来说桥梁的结构健康监测的无线传感技术还是对桥梁结构的监测具有积极意义的。

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