无线传感器网络在桥梁健康监测中的应用

（中电建冀交高速公路投资发展有限公司，河北石家庄050000）

桥梁工程在现代网络交通系统中占据着极为重要的位置，同时，桥梁工程的质量和人们的交通出行、社会结构的完整及国家经济的发展息息相关。现阶段，国内诸多桥梁工程建造单位仍运用传统的造桥工艺技术。尽管传统的造桥工艺技术确有诸多值得参考之处，但是由于当时造桥材料和交通环境的制约，导致年代久远的桥梁工程存在一定的安全隐患。为了保障人们的生命财产安全，需注重和提高桥梁的健康监测质量。

一、系统应用

（一）传感子系统

传感子系统是利用多样化传感器全程监测桥梁，并如实记录所产生的数据。监测重点为结构响应与荷载(10ad)。其中诸如地震、温度、风、交通荷载等属于荷载范围，而位移、加速度、应变等则属于结构相应的范畴。针对荷载监测而言，采取动态地秤对交通荷载进行准确测定；在测量风荷时，可运用超声式或螺旋式风速仪；通过光纤光栅温度传感器、热电阻温度计、热电偶温度计等测量温度；利用地震仪监测地震。针对响应监测，测量可采取光纤光栅应变传感器、振弦式应变计或电阻应变计等，借助压电式加速度传感器、电容式加速度传感器或压阻式加速度传感器测量加速度；位移可以运用电子测距仪、倾角计、位移计等测量，就悬索桥、斜拉桥，其索力可以借助加速度或测量应变获得。传感器的具体选型主要应考虑测量范围和测量精度。举例来说，车辆与风载荷产生的微笑震动一般在几百ug（g指的是重力加速度），对其的测量就可借助SDl221L型加速度传感器，其具有测量范围小、精度高的优势；而由于自然灾害，如地震等引起的大幅振动一般约为29，在测量上主要选择ADXL202E型加速度传感，其优势在于测量范围大、精度低。

（二）数据采集系统

数据采集系统需要选择信息的信号，根据信号的传输频率作出决定，这和系统的运行成本有着极为密切的联系，所以必须借助实验和检测试剂情况，科学考虑相关设计。其次，为了保证采集结果的真实性，相关监测人员检查和清晰化处理工程的硬件设施和所获取的信号，最大化去除信号中的噪音，并将信息变成数字信号。在此过程中，需要采集节点共同开展，其在采集中一般会和其他变量因素有关，导致偶尔会有信号失真等情况出现。所以，在一般实际运行中，若是网络信号比较稳定，展开实时传输；若是已经在节点处完成了存储，则在完成采样后一同处理传输；还有一种情况是采集信号在节点便已处理好，将加入算法加入节点后，可以获得实时结果。

（三）数据传输子系统

平面结构中，全部阶段的功能特点相同，但等级存在差异及缺少层次，同时可以将平面结构划分成星型、树形、线性等多种拓扑形式。以金门大桥健康监测系统为例，由于整个大桥具有很长的主跨，桥上共部署了64个传感器节点，以此来组建成46跳的长线性拓扑结构，要想对宽带予以全面的运用，并降低数据传输存在的时延，需使用管道传输方式，指的是距离K跳的阶段对数据予以同时发送，同时K不小于3，从而保证信号被外界因素所影响。国外相关领域研究者研究设计的桥梁监测系统为树形拓扑结构，根据基站构建多跳树，0属于根节点深度，其他节点则对自身节点与深度信息予以如实记载。数据传递过程中，节点要做的就是对自己发送的父节点及转发目的地有关数据。有国外研究人员在高速公路桥健康监测系统之中应用了星型结构，且设计了20多个加速传感器，将数据发送到系统之中。

在层次网络中，节点主要分为三部分，即汇聚节点、中继节点以及普通传感器节点，其中汇聚与中继节点涉及到的功能十分强大。有国外研究人员设计了两层式无线传感器网络拓扑结构，其主要由3部分构成，分别是中央主节点CSM(centralsitemaster)、普通传感器节点、外源供电的本地主节点LSM（localsitemaster）。其次，高层网络在形成方面，需要将LSM和CSM的通信作为基础。借助底层网络，传感器阶段可报所搜集的信息迅速传递到LSM，而LSM则可以借助高层网络把数据迅速传递到CSM。相关领域研究人员根据实际情况编订了层次不同的桥梁监测体系，由传感器节点、收集装置及路由器形成三层拓扑结构，感器阶段借助路由器发送数据，再由路由器集合多个传感器的数据，发送给收集装置。

二、技术应用

（一）节点部署

节点部署应用需要立足于桥梁建设工程的实际情况展开规划，同时和施工单位预期的成本效益展开综合排演。若是节点部署的设计质量好，则能显著提高最终检测的质量，同时可以有效完善整个系统的信息采集能力和信息输送能力。但在选择检测系统的节点时，工作人员必须立足于监测点的实际情况展开操作。

（二）时间同步

在展开后期的数据分析和数据传输的过程中，前期节点和节点之间能否时间同步，直接影响了最终评估和分析的结构。同时，在现阶段桥梁健康监测体系中，信息同步问题仍存在一定的缺陷。节点网络的布置直接决定传送速度，但节点在传输时，其他不稳定因素也会影响速度。

（三）能量管理

电力是无线传感器运行不可或缺的重要支撑，要想整个系统长时间保持良好的运行状态，必须获得电力的支持，若电量耗尽时工作人员没有第一时间更换，无线传感器收集到的数据就会出现缺漏现象，导致结果丢失或延迟。

三、结语

经济的迅猛发展导致交通荷载增速过快，通行流量远远超出设计需求，桥梁在运行一段时间后必然会发生一定程度的损毁。借助构建无线传感器网络，运用静态测试数据的传感技术及实时动态监测的信号监测分析桥梁结构，可以监测桥梁结构的健康，有利于降低桥梁使用过程中的安全隐患。