无线通信在结构健康监测系统的应用研究综述

2023-04-08王立新郭凰杨佳宇李爽李储军汪珂

科学技术与工程 2023年6期

王立新, 郭凰, 杨佳宇, 李爽, 李储军, 汪珂

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司, 西安 710043; 2.西安理工大学土木建筑工程学院, 西安 710048;3.长安大学信息工程学院, 西安 710064)

中国作为基建强国,拥有大量在建和运营的结构工程,公路、桥梁、隧道作为重要的基础工程建设,在国民经济的建设和发展中具有举足轻重的作用。但在结构工程施工中,受地质条件、作业环境、施工工艺等的影响,可能导致结构工程本身产生一定的安全隐患,同时由于施工也可能对工程附近的地质结构和地表建筑物等造成不良影响。而运营过程中的大型结构,也经常受到外部环境因素的影响导致结构发生不同程度的损伤,从而影响其安全可靠的运营。因此结构健康监测(structural health monitoring,SHM)是结构工程建设和运营中必不可少的环节。

随着传感器技术、通信技术、大数据等信息技术的飞速发展,人工监测的方法很难满足人们对结构健康监测的要求[1],自动化监测作为结构健康监测的主要手段,成为及时发现结构工程安全隐患,减少重大安全事故的重要途径。而支撑自动化监测系统正常运行的关键是实时、准确、安全的数据传输,利用有线或无线的传输方式,构建数据通信网络,掌握建筑工作状态、及时发现结构损伤、评估建筑安全情况[2],实现监测系统高效、互动、自动远控的功能,以便反馈结构工程建设各方,改善工程施工或运营,实现工程安全和高效并行建设。有线传输以其干扰小、可靠性高、保密性强等优点在结构监测工程中得到了广泛应用,但有线通信因其部署费用高,系统扩展、使用维护难度大等不足使其应用受到了一定的限制,为了解决有线传输中存在的问题,随着无线网络技术的日新月异,无线传输技术在结构健康监测系统中的应用日趋成熟,逐渐成为近些年结构健康监测在智能化发展的过程中所采用的主要通信方式。如Morizt等[3]结合导波损伤监测与兰姆波(Lamb wave)数据通信,成功检测出金属板上不同位置的不同损伤,但是传输距离十分有限;Behnam等[4]对无线传感网络的通信协议开展深入研究,发现常用的协议不能符合与结构健康监测系统相关的所有需求,因此,针对具体应用设计完全满足结构健康监测应用要求的协议是有必要的。

在对结构健康监测系统基本组成进行分析的基础上,现详述WiFi、ZigBee、4G/5G、LoRa、NB-IoT等无线通信技术在结构健康监测中的应用现状,并对不同的通信方式的性能进行分析;最后指出无线通信技术的结构健康监测中应用存在的问题和未来的研究方向。

1 结构健康监测系统基本组成

为了获取工程的结构状态信息,结构健康监测系统采集结构工程中的影响安全状态的数据,通过通信网络传输监测数据给监控中心,进行数据分析,确定现阶段及未来一段时间工程地与附近区域的安全状态,对将要出现的危险及时做出预警,使得管理人员采取相应的措施。

(1)数据采集。通过各类传感器、摄像机以及其他仪器获取监测对象、周围环境的相关信息,将采集到的连续非电信号量转化为相应电信号,对采集的数据进行处理之后通过通信节点传输给数据传输部分。数据采集是监测系统的前端,利用传感器采集影响结构工程中安全状态的指标参数,结构工程常见传感器有应力、应变、位置、位移、速度等传感器,环境监测有气体、温度、湿度等传感器。

(2)数据传输是保证自动化监测系统正常运行的关键部分,及时、准确的数据信息才能为后续工作人员分析结构工程的各项状态提供强有力的保障。因此,提高信息的有效性与可靠性就是数据传输部分需要完成的任务。数据传输可采用有线或无线传输方式,在单个节点难以满足通信距离时,利用组网手段扩大传输覆盖范围。当前的无线网络通常包含多种采用不同无线电接入技术的无线通信系统,形成异构网络[5],如WiFi、ZigBee、4G/5G等方式。

(3)数据分析针对通信网络传输的监测数据进行分析,可采用多种智能算法,提取相关信息,进行各种处理,包括数据预处理、多元数据融合、特征分析、评估建模、状态辨识、态势研判等,将数据图表化、可视化,便于相关人员进行后续处理。

(4)数据应用有多重选择,根据不同的需求选取不同应用,结构工程中的常见应用包括数据存储、数据查询、数据分析、应急预案、分级预警、绘图显示、动态评估等。

典型的结构健康监测系统架构如图1所示。图1中左侧4部分分工明确,各负其责,为施工现场外的管理人员提供了“眼睛”“耳朵”和“大脑”。

图1 结构健康监测系统总体架构[5]Fig.1 Overall architecture of structural health monitoring system[5]

2 常见无线通信技术及性能分析

结构健康监测系统中,无论是传感器技术还是通信技术,都朝着高效、实时、准确的方向发展,传统的人工测量及记录的方式已不能满足日益复杂的工程项目,而有线通信方式虽然能保证数据信息可靠的传输,但是在动态扩展的结构工程中部署太复杂。相对来说,无线通信组网只需增添新的节点,就能够满足工程动态扩展的需求。因此,本节对几种常见的无线通信技术进行比对分析。

2.1 常见的无线通信技术

按网络和功耗特性的不同,常见无线通信技术大致可分为三类:局域网(Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi等)、广域网(3/4/5G、GPRS等)以及低功耗广域网(Sigfox、LoRa、NB-IoT等)。本节介绍了其中几种常见无线通信技术,对其原理、技术特点进行了说明。

2.1.1 ZigBee

紫蜂(ZigBee)是一种基于IEEE802.15.4协议的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术[6],ZigBee工作在2.4 GHz频段。

ZigBee协议从下到上分别为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层以及应用层,它和IEEE802.15.4协议的关系如图2所示。

图2 ZigBee协议关系[6]Fig.2 ZigBee protocol relationship[6]

ZigBee网络层主要承担组建网络的功能,支持星型、网型和树型3种拓扑结构。ZigBee可靠性高、组网灵活、可扩展性强,在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数据模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75 m无限扩展[7]。而在功耗方面,ZigBee设备的接收功率和发射功率较低,在休眠模式下,设备功耗能降到最低。

2.1.2 WiFi

WiFi是一种短距离的无线局域网数据传输技术[8],基于IEEE802.11标准,经过多年发展IEEE802.11已衍生出多个包括IEEE802.11a/b/g/n/ac等在内的新标准。WiFi规定了协议的物理层和媒体接入控制层,并依赖传输控制协议/网际协议(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)作为网络层。WiFi主要采用基于分布式控制功能(distributed coordination function, DCF)的载波侦听多路访问/冲突避免 (carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA) 接入机制[9]。WiFi主要目的是提供WLAN接入,也是目前WLAN的主要技术标准。

流行的802.11n速度可达300 Mb/s,而更新的工作在5 GHz ISM频段的802.11 ac,速度甚至可以超过1.3 Gb/s。WiFi具有较高的传输带宽,可满足各种数据传输的需求,但信号传输的距离短,信号的衰减速度快,需要增加中继来实现网络的全面覆盖。

2.1.3 4G/5G

4G是基于3G发展的第4代移动通信技术,是基于IP协议的高速蜂窝移动网络,采用了基于网际协议(internet protocol,IP)的核心网络结构,实现了多业务系统的无缝覆盖和网络结构的自动调节[10]。目前广泛应用的4G技术主要是LTE(long term evolution)和LTE-Advanced,LTE-Advanced具有时分复用和频分复用两种模式,采用了正交频分复用和多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)技术,在带宽100 MHz下能够提供1 Gb/s下行峰值速率和500 Mb/s上行峰值速率。

第5代移动通信技术(5G)基于大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构,相较于4G而言,分别从用户体验、信息安全、网络质量等方面进行了优化,将人与人之间的通信转向了万物互联[11]。具有高速率、低时延、宽带宽、高可靠等特征[12],5G工作频段为3.4～3.6 GHz。

5G技术减少了传输时延、网络平均吞吐速率[13],数据传输速率高,最高可达10 Gb/s,采用大规模MIMO技术,提高了数据传输速度和频谱效率,增加天线容量和系统内部容量。大规模MIMO技术作为5G移动通信中的关键技术,极大提高了通信容量,是轨道交通通信的重要发展方向[14]。5G数据传输低时延,较大子载波的时候可以有效地缩短调度时延,对于时延的最低要求是1 ms,使用5G进行信息传输时更迅速,并能对突发状况进行判断。正是由于5G技术的高带宽、高效率的特点,使其成为推动其他行业发展的关键技术,成为支撑其他信息工业更可靠地进行运作的核心。

基于新型技术所针对原有技术所展开的创新,将工作频率与频段调整至较为丰富的频段,随后依靠相关设备与技术降低功率节点,利用密集网络技术消除网络部署中的盲点,实现增大信号覆盖面积,简化拓扑结构。总而言之,5G技术具备速度更快、网络抗干扰能力更强、有效提升工作频谱、划分网络空间等优点[15]。

2.1.4 LoRa

远距离无线电(long range radio,LoRa)技术是一种基于线性调频扩频技术的超远距离无线传输技术[16],LoRa技术通信距离远,功耗低[17],在低于1 GHz频段进行通信。在LoRa组网中,采用节点加网关的形式来部署网络。LoRa网关的定义为将LoRa网络的数据转接到有IP的网络中[18]。根据其定义,网关可以采用LoRaWAN标准的网关,也可自行设计网关。LoRa与LoRaWAN不同,前者定义了物理层,后者定义了通信协议和系统体系结构。

在LoRa调制技术中,所需的比特率Rb与线性调频速率和符号率之间的关系[18]定义为

(1)

式(1)中:Rb为数据速率,bit/s;SF为扩频因子;BW为调制带宽,Hz。

LoRa使用6个扩频因子(SF7～SF12)来适应数据速率和传输距离的平衡,数据速率Rb与扩频因子SF成正比。也就是说,增大扩频因子,可以获得更高的传输速率。

LoRa技术融合了线性调制扩频技术和循环纠错码编码,其扩频调制产生频率线性,可变调制信号用于频谱扩展,提高了通信链路的鲁棒性;循环纠错码编码通过冗余编码降低误码率,减少重传次数,具有良好的自相关性,降低了接收机的复杂度[19]。同时,LoRa技术优异的远距离通信能力大大减少了网络中数据传输使用的路由节点数量,优化网络的拓扑结构。LoRa技术采用的调制方式和传统频移键控调制等技术相比,其远距离、抗干扰的通信能力优势非常明显。但LoRa存在一些技术不足,只能支持小数据量的传输,有效负载比较小,有字节的限制;LoRa的设备和网络部署之间会出现不一定的频谱干扰,易同频电磁波的干扰,造成传输数据的严重失真;LoRa传输的信号波长较大,易被障碍物阻挡,只能在可视环境下传输数据。

2.1.5 NB-IoT

NB-IoT是 3GPP标准组织提出的一种新的窄带蜂窝通信低功率广域网(low power wide area network,LPWAN)技术[20]。NB-IoT由运营商部署,工作在授权频段下。NB-IoT系统采用基于4G LTE/EPC网络架构,并对现有4G网络架构和处理流程进行了优化。因此,NB-IoT可直接部署在全球移动通信系统(global system for mobile communication,GSM)网络、通用移动通信系统(universal mobile telecommunicationssystem,UMTS)网络或LTE网络,来降低部署成本[21]。根据LTE频带资源不同的利用方式,可以支持独立部署、保护带内部署、带内部署3种不同的工作模式。

NB-IoT上、下行均采用正交相移键控调制解调器,上行也使用二进制相移键控调制解调器,且采用单载波频分多址技术,包含单子载波和多子载波两种。单子载波技术适应超低速率和超低功耗的物联网终端,多子载波技术提供更高的速率需求[22]。运用NB-IoT大容量、广覆盖、低成本、低功耗的特点,实现远端结构工程的监控、科学测量以及智能分析等工作[23]。

2.2 常见无线通信技术性能分析

随着物联网技术发展,对无线通信技术的研究越来越多,当今结构工程应用项目多种多样,不同的应用领域有特定的要求和考虑因素,这意味着需要不同的无线通信技术。

目前,广泛使用无线传感器网络的无线通信技术有两大类,无线个人局域网(wireless personal area network,WPAN)和LPWAN技术。WPAN技术有WiFi、Bluetooth、RFID等,具有传输速率快或功耗低的特点,但是局限于通信距离太短,覆盖范围小,限制了其在结构工程这类大型工程建设监测网络中的广泛应用。而LPWAN技术主要包括LoRa、Sigfox、NB-IoT等技术,相比于WPAN技术,其通信范围上远远超过后者。

除此之外,基于蜂窝技术的终端到终端(machine to machine,M2M)解决方案(4G/5G)可以提供广域的覆盖,作为移动通信技术,运营商建立的大量基站使得它们在城市之中具有较大的覆盖范围,但在偏远地区由于基站布点分散、分布数量少,难以为用户提供稳定连续的通信支持。

通常无线通信技术经常考虑的性能指标有组网方式、网络部署方式、传输距离、单网接入节点容量、电池续航、带宽、抗干扰性等,如表1所示,列出了ZigBee、WiFi、4G、5G、LoRa、NB-IoT等常见无线通信技术的部分性能参数。而传输距离(即覆盖范围)和带宽作为工程建设应用的重要性能指标,如图3所示,显示了不同覆盖范围、不同带宽下的无线通信技术的分布特点。

表1 常见无线通信技术性能参数[24-26]Table 1 Performance parameters of common wireless communication technologies[24-26]

图3 常见无线通信技在不同带宽与覆盖范围的分布[18]Fig.3 Distribution of common wireless communication technologies in different bandwidth and coverage[18]

3 无线通信技术在结构健康监测系统中的应用

无线通信技术凭借其独特的性能优势在矿井、桥梁、隧道、地下管道等大型结构工程自动化监测系统中得到广泛应用,无线通信技术的各种因素和技术差异使得它们应用的场景不同,没有一种技术能完美地服务于所有的结构工程应用,因此,需从实际应用的需求出发选择合适的无线通信技术去部署结构健康监测系统。

3.1 ZigBee在结构健康监测系统中的应用

矿井的开采属于高危作业,在开采过程中,很有可能会发生崩塌、瓦斯泄露等重大事故。地下矿井、隧道工程有时会导致岩石位移、隔墙坍塌和边坡破坏,因此需要对斜坡和隔墙进行连续监测,以保持矿井的稳定性。无线传感器网络是更适合连续监测的方法,而且它性价比高,满足提供数据的实时监测和分析。结合ZigBee的结构健康监测系统在矿井中具有广泛的应用,在工程施工过程中, 国外学者Uradzinski等[27]发现ZigBee网络有良好的定位功能,采用最近邻算法、加权最近邻算法、贝叶斯算法实现地下矿井中人员的精确定位。Moridi等[28]研究了在安全健康领域开发ZigBee节点在井下监控和通信中的ZigBee应用,在实际案例中能够有效提高网络性能。在国内,Yu等[29]将ZigBee网络应用于煤矿井下安全监控系统,利用ZigBee网络从煤矿井下采集温度、湿度和甲烷浓度,将数据传输到基于ARM的嵌入式网络控制器,接收数据后,通过ZigBee协议转换为以太网协议发送给地面个人计算机(personal computer,PC),最终将监控结果传输到管理用户。这一定程度上提高了矿井工作人员的安全保障,维系了矿井的正常运行。系统根据所处位置可分为监控管理层、井下数据采集和传输层。井下数据采集传输平台可分为ZigBee数据采集网络和信息接收处理终端。系统总体架构如图4所示。廖凯等[30]设计了一种基于ZigBee的施工隧道结构安全实时监测系统,能够提供施工隧道的相关监测数据,对隧道的结构安全监测进行分析与预警,实现了施工隧道信息化管理,为隧道的安全施工提供技术保障。

图4 基于ZigBee的煤矿井下安全监测系统[30]Fig.4 Coal mine underground safety monitoring system based on ZigBee[30]

ZigBee也适用于桥梁、铁路等工程后期运营监测中,可以帮助工程安全管理、实时采集数据或监测情况、实时全面记录和分析现场情况。在桥梁结构健康监测中,Lee等[31]设计了能够实时监控和分析桥梁及水位、管道、空气环境等状况的监测系统,使用ZigBee网络作为通信手段辅助桥梁安全信息的传输和管理,加强了桥梁安全运营的保障。许强等[32]为解决桥梁施工和设备安装线路冗乱、环境复杂的问题,提出了一种基于ZigBee的多信道多点无线桥梁应变监测系统,系统可以同时监测36组通道应变,并将数据上传至云端,便于管理人员对桥梁结构进行监测。马式纪等[33]创新性地结合了ZigBee与5G两种无线通信技术,将监测桥梁状态的传感器节点通过ZigBee无线组网将实时或准实时采集的桥梁状态信息传输至基站,基站再经由5G通信网络上传至数据管理中心,提升了数据传输效率。

铁路经济快速发展的过程中,运行安全是极为重要的前提,没有良好的安全保障,高铁建设将无从谈起。因此,在轨道监测中,研究者从线路基础设施、自然环境与灾害等可能引起高速铁路安全隐患的外部因素入手进行高铁外部环境安全监测系统的研究,对有效地提升高铁运行安全指数有着重要的理论意义和实用价值。Gao等[34]研究的硬件原型由道路侧的一个ZigBee协调器和一系列连接到轨道侧ZigBee终端设备的传感器(加速度计、温度传感器、湿度传感器和红外探测器)组成。ZigBee终端设备由磁悬浮能量采集器供电,并与ZigBee协调器无线通信,达到铁路状况监测的目标。

3.2 WiFi在结构健康监测系统中的应用

WiFi在桥梁监测中发挥了重要作用,郭晓澎等[35]设计了一种结合有线与无线双传输方式的桥梁采集数据应变系统,该系统利用单片机控制WiFi和以太网模块构成数据收发器可以实现有线和无线通信方式的切换,同时该系统可以很好地完成静态和动态测量的任务。在监测试验中,能够在230 m范围内保障WiFi数据传输效率和准确性,但在大型桥梁工程建设中的监测范围还不够。Heo等[36]研发了一种防灾结构健康监测系统,该系统能够同时测量各种类型的数据,如无线加速度响应实时反映了结构的动态特性,以便进行准确诊断,该系统能够对大量数据进行快速处理和实时无线通信,在近800 m的范围内保持稳定通信。

在充分研究ZigBee和WiFi共存对系统性能影响的基础上,Wang等[37]结合ZigBee和WiFi各自性能的优势,设计了一种用于结构健康监测的双层无线传感器网络,低层网络采用低功耗ZigBee协议,而高层网络采用高速WiFi通信进行远距离数据传输,促使监测系统在影响结构安全的突发事件中及时做出预警。Abdelraheem等[38]设计了一个结构健康监测的物联网系统,使用数字电容传感器作为主要检测元件,传感器嵌入物联网节点中,检测碳纤维片和混凝土板之间的脱粘,该节点管理测量过程,能够自动捕获测量位置以及访问测量数据,其物联网节点通过WiFi传输数据并管理控制功能,降低了数据传输的成本。Kohler等[39]开发了一种用于地震检测的新型结构监测网络,将大量加速度计部署在单个建筑物中的不同楼层之间,使用一到几十个台站分别记录,经独立的传感器插头计算机设备通过以太网或WiFi直接连接到互联网,使整个社区、设施管理人员和应急小组能够共享数据,精简了数据文件在各方的传输手段,提高抗震避险的效率。Morgenthal等[40]提出了一种用于结构健康监测的低成本分布式嵌入式系统,该系统使用经济高效的微机电系统(micro electromechanical system,MEMS)加速度计,数据在使用WiFi收发器进行处理后传输,实现了在低成本微控制器STM32上执行计算要求较高的数字滤波,并通过传感器的空间冗余降低MEMS设备的典型信噪比。该系统的搭建推动了建筑物和结构复模态分析的低成本方法的发展。

3.3 4G/5G在结构健康监测系统中的应用

轨道交通工程因其存在地质条件复杂、建设周期长、线路跨度大、施工困难等诸多方面的问题,工程具有较大的安全隐患,因此有必要通过信息化施工及时了解施工过程以及地质结构状态,以确保施工安全。随着4G、5G技术的发展和日趋成熟,将为结构健康监测提供自动化新思路。张炳涛等[41]在板石岭隧道冻害的监测系统,使用中央控制模块和4G移动通信技术联网的方法,以实现监控中心服务器与现场监控之间的一对多远程数据传输和终端传输。王大鹏等[42]提出,铁路项目在施工期环境在线监测过程中,强网络信号区域有较强的兼容性, 5G网络的传输速率、安全性比4G网络好。针对当前铁路工程建设阶段由于通信质量导致的信息化工作推进困难的问题,贺晓玲等[43]分析了基于5G技术的智慧工地在铁路建设行业的优势,提出了5G技术在当前铁路建设行业的应用策略。考虑到协调难度、建设成本、建设周期等因素,赵驰[44]进一步发展了基于5G技术的轨道交通智慧化工点监控系统的设计,系统采用多层次、多节点结构的分布式智慧化工点监控系统方案,利用5G技术实现工点间数据传输,提高了管理效率和应急处置能力。崔融[45]利用5G通信的网络接口和边缘计算技术,构建了5G视频监控系统,推进了 5G通信在城市轨道交通视频监控系统中的应用发展。在5G盾构地铁项目中,王静[46]提出给盾构机内部装5G微基站,保证盾构机在掘进过程中核心机位5G网络通畅,实现了对设备运行、施工环境的实时监控和数据稳定传输。在对5G、室内精准定位(ultra-wide band,UWB)两者进行融合的基础上,实现施工的隧道内对施工人员、物料、车辆进行高精准定位,有力保障工程、人员、设备的安全。

4G、5G技术在智慧工地、地下管廊以及桥梁等结构工程的自动化监测中也存在着广泛应用。为解决现有桥梁监测测试周期长,效率低、损伤定位精度低等问题,马慧宇等[47]设计了基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统,采用VGG16卷积神经网络对桥梁的应变、加速度、温湿度等特征信息进行健康诊断。该系统在上海外环高架桥莘庄立交6-1线进行试验,该系统通过4G-LTE公共网络进行通信,实现了对目标的全天候监测。张吉圭等[48]采用基于4G的One Net作为数据存储、传输、应用的平台,实现桥梁应力数据、云服务器、人和物的互联互通,为桥梁结构的健康状况及后期维护提供有效的数据保障。陆克娟[49]提出施工现场的视频球机接入4G/5G无线网络,通过运营商的核心网汇入互联网,最终联接工程云平台服务器,通过5G工程云平台远程视频监控,达到现场与远程双重监测的效果。边缘计算的快速发展减轻了数据管理中心网络带宽和功耗的压力,王卿等[50]在建筑施工实时监测系统中提出5G的关键技术“移动边缘计算”可以达到“0”流量,降低系统延迟,增强服务响应。陈溟民等[51]依托项目工程实例,基于建筑信息模型(building information modeling,BIM)、人工智能、物联网、云计算等先进信息技术,设计开发了5G+智慧工地系统,系统实现了工地的通信、安防等需求。利用5G网络在大规模工程中的适用性,侯振堂等[52]有效整合了基于5G的煤矿井下综采成套设备网络,形成综采工作面“一张网”,实现高清视频监控、远程精准控制、多机联动等多功能应用。吕福瑞[53]提出了一种基于5G的工业建设的施工模式,利用无人机上定位设备和5G信号发射器,采用无人机集群技术,完成对施工场地的信号全覆盖,辅助后期工程机械的作业精准定位。陈维亚等[54]设计了一种道路土方智能化施工服务平台,通过无人机扫描,得到三维实景建模,借助北斗定位系统和地面施工机械建立联系,完成定位,使用5G技术进行数据传输,形成云平台、指挥台、机械端三者相结合的空天地一体化监测的平台,如图5所示,该服务平台在山东某在建道路实际项目中得到应用,成效显著。

图5 基于5G的空天地一体化监测系统[54]Fig.5 Air space integrated monitoring system based on 5G[54]

3.4 LoRa在结构健康监测系统中的应用

LoRa具有非常长的无线通信距离,节能且电池寿命长,能够在地下密闭空间的通信中发挥巨大优势。矿井工作面空间狭小, 设备较多,在矿压监测项目中,监测数据大多为缓变数据, 数据量小, 采样间隔相对较长, 因此霍振龙[55]采用星形结构的LoRa组网,较好地满足了传感器可间歇工作,传输距离远的要求。星形拓扑可以最小化每个节点的功耗,在某些特定的地下场景中,地下环境的传播条件常以强功率损耗为特征,这极大地限制了无线电覆盖,Abrardo等[56]在意大利锡耶纳设计了一种适用于地下环境结构监测的多跳LoRa链式网络,在线性拓扑网络中,可以实现最优的估算节点唤醒时间,以此降低50%的功耗(最佳情况)。除了能量消耗和扩展性,LoRa 组网的传输时延性也是一个重要的优化目标。吉东菁[57]设计了一种基于LoRa组网的地铁运营隧道监测网络。在运营隧道中布设位移、沉降、环境监测等传感器,实现对隧道相关信息的获取。通过NS3网络仿真器对5种不同组网方式进行仿真,得出集中式网络在线性扩展的隧道通信环境中不适用,链式多跳网络相比于前者有更好的时延性能,尤其是分组多跳网络与其他4种组网方式相比性能最好的结论。在功耗满足的条件下,采用分组多跳组网方式,增加节点传输速率(增加带宽)或减少网络传输跳数,可以使网络获得较低的时延性能,满足地铁隧道监测网络的时延和可靠性需求,系统架构如图6所示。

开阔空间环境下的无线通信监测技术对结构工程健康监测系统的发展具有重要推动作用。Yadav等[58]根据LoRa在露天空间或非视线路径条件下的覆盖范围的结果,提出了一种基于LoRa的实时坡度监测网络体系结构。该体系中每个终端节点之间动态连接,形成自修复、自适应路由路径,与其他邻近节点中继,从而形成到网关的路由。为了克服Aloha传输模式引起的数据碰撞进而使得数据传输时间增加的问题,设计了节点传播根据扩频因子在不同时隙中进行调度的算法,能够有效减少功率的消耗和传输数据所需的时间。针对恶劣环境下的结构健康监测,Loubet等[59]设计了一个由LoRaWAN无电池无线传感节点组成的网络,节点收集物理数据,并通过互联网将传感节点与服务器进行通信,节点通过无线电力传输接口由RF(radio frequency)电源无线供电,系统在能量和通信范围方面取得了良好的平衡。徐钦等[60]将LoRa网络应用在高层建筑结构健康监测系统中,实现高层结构地震响应和健康监测数据远距离、低功耗的可靠传输, 帮助用户进行地震作用下振动反应资料的累积,建筑结构的状态评估和设施管理。当监测上传数据过多时,为了减少能源消耗,需要简化上传数据量,陈明玺等[61]利用MEMS加速度计及微控制器来监测机电设备的振动频率,由边缘计算后超过阈值的结果通过LoRa节点上传至网关,并通过预警服务器根据振动信息重绘振动曲线,极大地提高了监测效率。考虑到土壤中天然或人为地下空洞的存在可能会影响振动的地面响应,传感器需要易于在多个位置部署,以应对所考虑地点的区域不均匀性,Alessio等[62]开发了一种低成本的分布式测量振动监测系统,由传感器节点和接收器节点组成。其中传感器节点中的MEMS加速度计可以测量结构所经历的加速度,通过LoRa模块将相关信息传输到接收器节点中的LoRa模块,继而上传到管理中心,可用于具有空间多样性的结构工程的振动监测。

3.5 NB-IoT在结构健康监测系统中的应用

NB-IoT覆盖范围广、多址接入、低功耗、低成本等优势[63],能够满足区域内海量传感器接入的需求,随着该技术的成熟,NB-IoT在桥梁结构健康监测中得到深入应用,Thedy等[64]采用NB-IoT技术,并采用MEMS加速度计和内部位移重建技术来监测桥梁健康。利用NB-IoT技术将采集到的数据从桥接站点传输到服务器,进而识别受损桥梁与未受损桥梁之间的差异,并确定损伤位置。为了实现多传感器数据传输,消除建造桥上基站的成本,Hou等[65]设计了一种基于物联网的低成本桥梁位移监测传感器系统,该系统由传感器、放大电路、微程序控制单元模块、物联网无线通信模块和云服务器组成,利用低功耗无线通信技术NB-IoT将数据发送给服务器,利用BC-95模块实现数据的无线传输。

图6 基于LoRa分组多跳式组网的地铁运营隧道监测系统[57]Fig.6 Metro tunnel monitoring system based on LoRa packet multi hop network[57]

4 无线通信技术在结构健康监测系统中面临的挑战和未来研究方向

无线传输的性能优势使其在结构工程建设中得到广泛应用,但无线传输同时也存在一些问题,它以空气为介质传输数据,会因为结构工程施工、运营中的环境因素对传输信号的质量产成不利的影响,使通信传输不稳定。传输过程中的信息缺失、信息泄露等安全问题也是值得关注的部分。如何解决这类问题是目前人们关注的热点。

4.1 面临的挑战

目前,在新兴信息技术与传统建筑行业融合发展的背景下,①ZigBee作为构建物联网系统的通信技术,较小的覆盖范围限制了ZigBee技术在长大结构工程中的应用,ZigBee协议存在安全性差的弱点使得一些需要保密性强的应用场景数据传输不可靠;②由于WiFi优异的带宽是以较大的功耗为代价的,因此大多数便携WiFi装置都需要常规充电,这限制了它在结构工程场合中的推广和应用;③5G技术的优势在于能够实时跟踪车辆以及挖掘机,监控环境,并远程控制车辆、钻机、通风系统等机器设备,然而现阶段的5G技术还不完善,系统与技术融合有待加强,容量和频谱的效率仍有提升空间,同时5G能耗控制是一项亟需解决的难题;④LoRa频段属于非授权频段,在实际使用过程中容易受到其他相同频段设备的干扰,且该组网传输带宽小,场地内的信号遮挡物会影响无线信号的传输距离,在进行大规模组网时,难以避免通道繁忙引起的冲突,无法满足大数据、施工环境复杂的监测要求;⑤NB-IoT运行在授权频段,相对于LoRa,收到的干扰较少,但NB-IoT中使用的算法存在时延问题,导致物联网能耗不均。虽然减少了消耗的能量,延长了终端设备寿命,但是NB-IoT会因为终端设备同步通信和服务质量处理而消耗额外的能量。

4.2 未来的研究方向

随着信息技术的发展,结构工程建设对结构健康监测系统可控性、稳定性和扩展性的要求越来越高,无线通信技术的物联网应用在现阶段来看会因技术偏向发展不均而缺乏一定的成熟度,因此无线通信作为未来通信升级发展的热潮,聚焦无线通信技术应用能力拓展和技术融合是人们可以研究的方向。

目前,5G产业生态正逐步完善,利用5G通信技术可以打破时空边界,为结构健康监测系统提供高效的技术保障。结构工程各领域的需求同样对5G建设提出了更具体的要求,如利用5G将在传输延迟、可靠性、安全性和覆盖范围等方面的改进,解决结构工程中多径效应严重、大量噪声干扰、信号衰减快的问题,这不仅能提升5G在施工中不同领域的应用,还能满足未来运营不同领域的用户体验。

随着5G的不断更新迭代、进步发展,新的技术浪潮持续翻涌,推陈出新诸如第6代无线网络技术(WiFi 6)、星链、6G(第6代移动通信)等相关网络传输技术。WiFi 6主要使用正交频分多址(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)、多用户MIMO等技术,最高速率可达9.6 Gbps,足以满足多终端多设备互联互通的要求。星链与5G相比是两种完全不同的网络提供方式,可以更好地解决偏远地区、山区、海岛等缺少无线基站、电缆建设成本较高的地区建设结构工程的困难。而6G技术也是目前国内外学者研究的热点,在未来的无线通信技术的发展应用研究中,为更好地支持万物互联及垂直行业应用,6G也将会动态地融合多种技术体系,在信息传递过程中融合信息采集和信息计算。在6G时代,希望能够进一步拓展大规模MIMO的规模和应用范围,通过分布式协同实现结构工程感知通信一体化建设,推进结构工程安全高效建设发展。