桥梁健康监测中射频识别技术的应用研究

杨建军、顾明洋

（中交路建交通科技有限公司，北京 101399）

0 引言

射频识别技术作为一种无线通信技术，具有身份识别、数据传输等功能，在物流、零售、仓储等领域得到了广泛应用。近年来，射频识别技术逐渐引起了桥梁健康监测领域的关注，并被应用于桥梁结构的实时监测和健康评估。射频识别技术通过无线电信号实现对桥梁变形、振动、温度等参数的监测，能够实时获取桥梁的工作状态，并及时发出预警信号。加强对该技术在桥梁健康监测中的应用，对桥梁工程的建设和后期维护有重要意义。

1 无线传感网络的优势

无线传感网络是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，每个传感器节点都配有传感器、处理器、通信设备和能源供应等组件，能够实时地感知、采集和传输环境中的信息数据，具有广泛的应用价值。该技术能够实现自动组网。传感器能够根据距离和信号覆盖范围，自动加入或断开网络，当监测点位置改变时自动改变组网方式，可降低现场布线的工作量，无线数据服务端具有无线通信能力，移动简便灵活。无线传感网络中的节点可以自由布置在各种环境中，实时采集和传输环境参数数据，对环境变化进行监测和评估；节点之间可以进行自适应的路由选择和数据传输，以应对网络拓扑的变化和节点故障[1]。

射频技术是无线传感网络中最基本的通信技术之一，与无线传感网络有着密切联系。无线传感网络中的节点使用射频技术进行数据传输，节点可通过无线信号将感测到的数据发送到其他节点或中央基站，再由基站进行数据处理和分析。此外，射频技术允许无线传感网络采用不同的网络拓扑结构，如星形、树状、网状等，相关拓扑结构可以根据应用需求和环境条件进行选择，从而更好地满足通信需求。

2 基于RFID 的无线传感网络的设计与实现

2.1 技术特点及指标

将无线传感技术应用于监测、检测领域，有利于整个系统的小型化和智能化。系统中所有数据采集端都可工作于低功耗模式，系统中路由设备和终端设备能耗基本一致；系统可容纳上百个数据采集端，可组成大规模拓扑网络；系统采用特殊的同步机制，可为用户提供传输同步信号；系统支持时钟校准，可接受用户服务设备设置年月日时分秒的系统时钟信息，并能自主维护此系统时钟，为用户采集设备提供系统时钟信息；系统为数据采集端设置专有的系统标识，保证系统内部的安全使用，且防止被其他系统误用或者盗用；系统的无线数据传输可采用AES-128 算法加密，数据传输提供点对点确认保护机制，保证用户数据安全，技术参数如表1 所示。

表1 技术参数

无线传感网络系统主要由数据服务端模块（无线网关）和数据采集端模块构成[2]。无线网关是系统的核心，负责建立和维护网络、设置网络参数、管理网络拓扑、管理系统标识、上报数据采集端数据、管理系统与用户服务设备的交互。系统中有且只有一个数据服务端无线网关，为用户服务设备提供工作指示信号，用户可通过工作指示信号判断数据服务端的基本工作状态。无线网关向用户服务设备提供UART 通信接口，并具有完整的UART 通信协议，用户遵从此协议即可实现对系统的控制。数据采集端模块是无线传感网络系统的主要组成部分，负责管理自己的系统标识，传输网络和数据信息，管理与用户采集设备之间的信息交互。

2.2 创新点

在桥梁健康监测中应用射频识别技术，不仅能实现数据采集端的无线自组网，也能实现无线设备采集的变频采样。系统采用特殊的同步机制，可为用户提供传输同步信号，促进桥梁健康监测模式的转变和优化，对桥梁的后期维护具有重要的意义。此外，数据采集支持有线和无线两种模式，技术人员可以结合实际需求进行选用，也支持多种项目评估方案，可推进桥梁健康监测系统的创新。

2.3 技术实现

桥梁健康监测系统由一个数据服务端模块和大量数据采集端模块构成，数据服务端模块和数据采集端模块采用相同硬件的无线低功率收发机，内嵌网络架构固件，可实现无线组网和数据传输功能（见图1）。无线传感网络系统工作于工信部无线电管理局批准的低功率短距离工作频段779～787MHz（简称780M 频段），主要面向大规模节点分布、低数据量、超低功耗要求、非实时传输的无线数据采集应用，尤其适合温度、压力、应变等慢变化静态量的采集和传输；同时也可面向部分特定的超低功耗要求、大数据量、低传输延迟的应用[3]。

图1 技术实现

在桥梁结构的关键部位部署射频传感器节点，一般选用带有射频收发器的智能节点，用于感测桥梁的各种物理参数，如振动、温度、应力、位移等。传感器节点应该选择合理的射频频段和传输协议，以满足监测要求并保证数据传输的稳定性。传感器节点会周期性地采集环境参数，并将数据进行处理和压缩，以减少数据量和节省能源。传感器节点可以根据预设的监测频率，按需采集数据；采集到的数据通过射频技术进行无线传输，传感器节点之间可以形成一个无线传感网络，通过节点之间的多跳传输或直接传输将数据传输到一个中央基站，该基站可以通过其他通信手段（如3G/4G/5G 网络或以太网）将数据上传到云端；云端或监测中心接收到数据后，进行数据分析和处理，使用各种算法和模型来识别潜在的结构问题，如裂缝、变形、疲劳等，并与历史数据进行对比，进行结构健康状态评估；一旦检测到结构异常或超出预设阈值，系统会发出警报，通知相关人员进行检查和维修，同时通过可视化界面和报告向相关人员提供实时的结构健康监测信息。

3 RFID 无线传感网络在桥梁健康监测中的应用场景

3.1 结构安全监测

桥梁结构安全监测是保障桥梁长期安全运行的基础，传统的结构安全监测方法存在局限性，无法实时监测桥梁结构的变化和病害情况。而利用RFID 无线传感网络，可将传感器嵌入桥梁的关键结构，实时感知桥梁的应变、位移和振动等参数。当桥梁的应变、位移和振动等参数超过安全阈值时，系统可以发出预警信号，利于及时采取措施进行修复。

3.2 荷载监测

桥梁荷载监测是为了实时掌握桥梁的荷载情况，为后期的维护和管理提供依据。利用RFID 无线传感网络，可以通过传感器感知桥梁结构上的荷载分布情况，实现对桥梁荷载的精确监测，为桥梁的设计和维护提供数据支持；并能实时监测桥梁上车辆行驶的速度信息，通过分析车辆的速度和荷载，评估桥梁对不同速度下车辆荷载的响应情况；还可以感知桥梁所受到的风荷载，包括风速和风向等参数。

3.3 环境监测

桥梁所处地域的环境条件也是影响桥梁结构安全的一大因素。利用RFID 无线传感网络，可以实时感知桥梁周围的环境参数，为桥梁的环境监测和维护提供支持。温度是影响桥梁结构膨胀和收缩的重要因素，通过在桥梁结构上部署RFID 温度传感器，实时监测桥梁的温度变化，有助于评估桥梁的热膨胀效应和热应力；桥梁结构受潮湿环境的影响，容易出现腐蚀和劣化等问题，RFID 湿度传感器可以实时监测桥梁周围的湿度情况，发现潜在的腐蚀和劣化风险，利于采取相应的维护措施；借助RFID 倾斜传感器，可以实时监测桥梁的倾斜情况；在桥梁周围部署RFID 环境传感器，用于感知自然灾害如地震、洪水等对桥梁的影响。

3.4 安全预警

RFID 无线传感网络在桥梁健康监测中还可以实现安全预警功能，及时发现潜在的问题并采取相应的措施。如对桥梁的振动、应变等参数进行实时监测和分析，判断桥梁结构的疲劳状况。一旦检测到疲劳问题，系统可以发出预警信号，提醒相关部门进行维护和修复工作，避免发生严重事故。

4 无线传感网络在桥梁健康监测中的应用策略

4.1 优化传感器的类型选择和布置位置

传感器的类型选择和布置位置的优化对于准确获取桥梁的健康状态有着重要影响。技术人员需要根据桥梁监测的需求，选择合适的传感器类型，包括应变传感器、位移传感器、温度传感器等；根据桥梁的结构特点，合理选择传感器的布置位置，如桥墩、桥面、支座等；基于桥梁的尺寸和形状，合理确定传感器的布置密度和范围。对于大型桥梁，应增加传感器的数量和布置密度，以确保全面监测桥梁的健康状况；在桥梁结构中设置多个传感器节点，以实现对多个位置的监测，更全面地了解桥梁结构变化和病害情况。

传感器节点的通信和能量管理是确保监测系统正常运行和延长传感器寿命的关键因素。根据监测需求和环境条件，选择具有较长通信距离和较低能耗的协议；调整传感器节点的通信范围，使其能够覆盖整个桥梁结构。通过合理配置传感器节点的位置和信号传输功率，实现传感器节点之间的无缝通信；采取节能策略，如定时休眠、动态功率调整等，降低能耗并延长电池寿命；探索能量补给技术的应用，如太阳能光伏板、振动能量收集器等，减少对电池的依赖。

4.2 完善数据采集与处理

数据采集与传输方式的选择关系到桥梁结构健康状态数据的准确获取。根据监测需求和信号变化的频率，合理设置传感器节点的采样频率。高频率的采样可以提供更详细的数据，但也会增加能耗和数据处理的压力，因此需权衡采样频率与系统性能之间的平衡；根据实际情况选择合适的数据传输方式。对于桥梁监测，考虑使用无线通信技术，如Wi-Fi、ZigBee、LoRa 等，以实现传感器节点与数据中心之间的数据传输。根据桥梁的规模，选择具有适当覆盖范围和通信稳定性的无线通信方式；在数据传输过程中，加入校验和纠错机制，譬如CRC 校验、重传机制等技术。

数据处理与分析算法的设计是实现对桥梁健康状态进行评估和预测的关键。对采集到的原始数据进行预处理，包括去噪、滤波、数据对齐等；从预处理后的数据中提取有代表性的特征，包括频域特征、时域特征、小波变换等；根据特征数据建立健康评估模型，采用机器学习、神经网络、支持向量机等算法。通过模型训练和优化，实现对桥梁健康状态的分类和预测。

4.3 加强远程监控与预警

远程监控系统架构的设计侧重于数据中心与云平台的集成，实现桥梁监测数据的存储和管理。云平台提供高性能的计算和存储能力，能够满足大规模数据的处理和分析需求；根据桥梁监测的需求和复杂性，设计分层的远程监控系统，将传感器节点、局域网、广域网和云平台等层次进行合理划分，实现分布式的数据采集、传输和处理；考虑到不同地理位置和网络环境的差异，将无线传感网络与有线网络进行集成，推进无缝数据传输和集中管理；加强数据安全和隐私保护，采用加密通信、身份认证、访问控制等技术，防止数据泄露和非法访问。

预警模型与实时监测的设计是实现对桥梁异常情况进行快速识别和预警的关键，采用机器学习、统计分析等技术，对数据进行建模和训练，实现对桥梁结构状态的评估；设计有效的异常检测与预警算法，实时监测桥梁数据，并根据预设的阈值和规则发出预警信号。通过采用自适应的算法，能够及时识别出潜在的异常情况；在远程监控系统中，设计实时数据显示和分析模块，以便工程师和维护人员能够实时查看桥梁的监测数据和状态，进行远程分析和决策。

5 结语

综上所述，射频识别技术在桥梁健康监测中的应用较为广泛，对保障桥梁的安全运行有巨大帮助，相关施工人员要充分发挥自身能动性，紧跟行业和时代的发展脚步，加强对新型监测技术和监测设备的研究，不断完善桥梁安全监测体系，进一步提高对桥梁异常情况的及时响应能力，为桥梁的安全运行提供有效支持，进而为经济社会的建设和发展奠定坚实的基础。