无线传感桥梁监测的高寒解决方案

文/黑龙江省公路勘察设计院

获奖等级：三等奖

项目名称：高寒地区桥梁结构健康监测无线传感网关键技术

无线传感网络是桥梁健康监测技术的未来，然而在推广应用过程中却面临着诸多技术挑战。为此，“高寒地区桥梁结构健康监测无线传感网关键技术”项目针对高寒地区桥梁健康监测无线传感系统面临的诸多瓶颈问题，例如电池损耗快、工作寿命短、漂移严重、网络能耗不平衡、数据传输不稳定等，开展了一系列关键技术攻关，旨在进一步降低恶劣环境下无线传感网络的能耗，延长健康监测系统的寿命，从而实现高精度测量、数据稳定传输、高效准确评估，并通过实际工程案例验证该项技术的可行性和可靠性。

在无线传感器方面，该项目研发了面向低功耗无线传感器的全系列集成硬件IP设计。其结果显示模数转换ADC能耗降低75%，分辩率提升7.3倍，突破了低能耗与高分辩率之间的矛盾；数字处理单元在不增加面积与延时的前提下，能耗降低39%以上，突破了低能耗与高性能之间的矛盾；独创的软总线架构，极大地缩短了硬件产品的研发周期，提升了产品质量。

在无线网络通信方面，该项目开发了B-Stack无线传感网络，使高寒恶劣自然环境下低丢包率与低信道占有率达到国际领先水平；依托子空间投影——稀疏恢复深度学习框架，采用时间相关稀疏贝叶斯学习算法消除了漂移；发明了局部迭代估计与全局单包传播的时间同步协议，实现了国际领先的10μs级同步数据采集，提升了振型等参数的测量精度。

在结构监测方面，该项目发明了索撑桥梁索群索力振动法测量的等代铰接梁插值模型、基于比弦模型的两端固接边界拉索索力测量方法、拉索截面抗弯刚度识别方法，实现了高精度振动法索力识别，其研究成果达到国际领先水平。

基于上述硬件和算法开发的高寒地区桥梁结构健康监测系统，具有实时数据处理分析功能，可自动生成安全评价报告，其预警信息和系统状态信息将自动发送到主管部门负责人手机。

目前，“高寒地区桥梁结构健康监测无线传感网关键技术”已成功应用于高寒地区桥梁结构健康监测系统中。据统计，近5年来，该项目累计实现直接经济效益1.2亿元。其中，2017年，黑龙江省乌苏大桥建成高寒地区第一个桥梁长期监测无线传感网，桥址所在位置极端最低温度可达零下40摄氏度。此后，该项目的研究成果还陆续应用于哈尔滨四方台大桥、哈尔滨绕城高速松花江大桥。

1.5万余公里勘察设计路

作为该项目的主要完成单位之一，黑龙江省公路勘察设计院创建于1958年，是全国十个首批获得交通部颁发的公路工程勘察与公路工程设计“双甲级”设计院之一，是中国公路勘察设计协会和中国公路学会理事单位。现持有国家工程勘察综合甲级，公路行业（公路、特大桥梁、特长隧道，交通工程）专业甲级；工程咨询甲级；工程监理甲级，市政行业(桥梁工程、道路工程)行业乙级,建筑行业（建筑工程）乙级等资质。主营业务为各等级公路、桥梁的勘察设计，工程咨询、交通工程、工程监理、工程地质勘探、旧桥加固与检测、土工试验等工程技术服务，以及建设工程总承包。该院于2000年通过了ISO9001质量体系的认证。

近年来，该院累计完成1.5万余公里高等级公路，900余座大型及特大型桥梁勘察设计工作。在已建成的公路、桥梁中，先后获得国家、部、省级优秀勘察设计和科技进步奖80多项，并于2018年荣获中国建设工程鲁班奖、中国土木工程詹天佑奖。