我国大多数的桥梁的使用年限已超过五十年,并且伴随着交通压力的增加、环境腐蚀性、疲劳效应等因素,造成桥梁结构承载能力降低和耐久性下降,而桥梁健康监测系统能发现结构损伤,使管理者可及时采取措施防止桥梁坍塌、局部破坏。将无线传感网络应用到桥梁健康监测工作中,能够有效得到稳定可靠的监测数据分析结构工作状态,评估结构的可靠性,为桥梁的管理与维护提供科学依据。
无线传感网络能够通过利用大量的传感器设备对现实世界的各物理量进行直接获取,然后利用自身的网络传输系统,将其进行汇集,并上传到更高层次的数据处理和分析中心。传感器能够接受中心的数据信息来适当的调整自身的检测信息,从而实现物与物的互联控制。
通常情况下,无线传感网络结构主要由传感器节点层、网关层、汇聚节点层构成。传感器节点层主要在无线传感网络最下层形成信息接收模块,其主要的功能是利用传感器进行采集信号,然后数据信号经过转换和处理器的处理后,再由射频模块将其上传到网关层;网关层作为中间模块,其内部的控制节点能够自动接收汇聚层所传输的数据信息,然后经过控制指令进行调整,使其能够符合实际情况,然后由射频模块发送到传感器中,提高无线传感运行效率。由于无线网络传输功耗较低且外界影响因素较多,需要多个节点共同工作,才能完成数据传输,这些数量较多的传输节点被统称为网关节点。网关节点能接受不同层次的数据信息,然后将其汇总处理,并传输到某一个或几个节点中,节点中往往含有较高层次的网络,然后伴随着空间信息传输到数据处理中心,这些含有较高层次网络的节点属于汇聚节点。
无线传感网络在运行过程中具有以下几个优点:(1)无线传感器的底层能够由一个传感器控制多个传感器,其还能挂载具有作用的器件,不需要在底层布置过多的控制节点和传感器节点,节省施工成本;(2)由于控制节点内部含有射频模块,具有数据接收和发送能力,可以被用作网关节点,提高数据传输效率。
桥梁监测内容主要有外部环境监测、通行荷载监测、结构关键部位内力(应力)监测、结构几何形态监测及结构自振特性监测等。
桥梁的外部环境是监测桥梁所处的物理化学环境,为随后的桥梁耐久性评估提供原始数据,主要是对温度、湿度和等信息进行监测,所使用的传感器主要有测量温度的热电偶、热电阻式温度计或光纤光栅温度传感器,测量湿度的电容式湿度计,测量风速的机械电磁式或超声式风速仪。
桥梁的荷载检测包括风、地震、温度、交通荷载等,所使用的传感器有记录风向、风速进程历史的风速仪,记录温度的温度计,记录交通荷载的动态地秤,记录地震作用强震仪,记录车流情况和交通事故摄像机。
桥梁结构内力监测主要是监测结构关键部位应力,应力监测数据可以定量反映出主体结构的内应力变化情况,使用的传感器有光纤光栅应变传感器、振弦式应变计等。
结构几何形态监测中主要是对桥梁关键部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移等,所使用的传感器有位移计、倾角仪、GPS、电子测距器、数字照像机等。
结构自振特性监测包括振动响应监测,主要监测参数为加速度及速度,得到桥梁动力特性参数的变化,以判断结构的刚度是否降低和局部破坏状况,所用到的设备为加速度传感器及速度传感器等。
通过分析桥梁健康监测方面参数及仪器可知,需要应用众多的复杂精密的传感器,来保证监测数据的准确性。在安装精密传感器时,还需要保证工作条件的合理性,但是大多数的桥梁环境不能满足精密传感器运行标准,降低检测数据的准确性,是阻碍无线传感网络在桥梁健康监测中的应用的因素。如果在桥梁健康监测工作中,只使用对外部环境要求较低的传感器,能够提高无线传感网络应用效果。
在桥梁健康监测中要保证采样频率和精度要保持一致性,才能得到准确的监测数据。对于桥梁位移等测量只需要对其测量几个小时便能得到数据信息,但如果检测桥梁的自振特性、索力变化时,其变化周期极其短暂,需要较高的采样频率和精度高的传感器,才能得到准确的数据信息。这种高精度高采样频率的传感器所产生的数据信息是海量的,例如在金门大桥健康监测工作中,主要布置了63个传输节点,所采用的传感器精度较高,每天所产生的数据信息差不多为2.5GB,在加上对外界环境的检测数据,能够保证系统稳定运行的存储量需要保证在50GB以上(以保留20天数据为存储标准),故需要建立合理的桥梁信息管理系统才能有效解决数据存储问题。
基于动态数据获取和网络服务,建立科学性的桥梁信息管护系统,按照实际运行情况,将其划分为数据存储管理库、交通信息存储管理库、桥梁信息存储管理库等,在海量数据信息进入到管理系统中,能够按照传感器功能将其传输到各子系统中,提高数据存储能力,并为后期数据处理提供便利条件,从而提高无线传感网络在桥梁健康监测中的应用效果。
无线传感网络在中应用需要较高的经济成本,由于经济因素的制约,在桥梁健康监测中所能使用的传感器数量是有限的,鉴于此,需要重视节点部署技术的应用,才能充分的利用有限数量的传感器来发挥其最优的数据采集。
一般情况下,桥梁健康监测系统是由计算机专业人员或土木工程专业人员部署传感器位置。如果是由计算机专业人员进行部署传感器位置,由于工作人员缺乏桥梁方面专业知识,所设置的传感器监测点往往是不合理的,对于采集的数据信息,可参考性较低。这种部署方式不仅会浪费大量的人力、物力,还会对后期桥梁健康监测做出错误的判断,影响检测数据的准确性。如果是土木工程专业人员进行部署传感器位置,会忽略传感器的工作环境和条件,导致传感器的位置不能正常工作或数据传输质量差。因此,在应用节点部署技术时,需要综合性的考虑无线传感器网络传输条件和监测条件,从而制定合理的传感器监测点,保证检测数据的合理性和有效性。
桥梁健康监测需要较长的时间,无线传感器网络也需要运作较长的时间,但设备的电池储能有限,难以支撑长时间工作,而采取人工更换电池方式会消耗时间成本。因此,在设计无线传感器网络时,应当充分的应用电源管理技术,采取最优的方案来延长网络使用周期。
通过对无线传感器网络运行分析可知,主要消耗电能的模块有传感器模块、处理器模块和。随着集成电路行业的发展,芯片体积在不断的缩小且耗能被控制到极低的标准,传感器模块和处理模块的耗能亦可以忽略不计,仅无线通信模块耗能较大。为了有效降低无线通信模块的耗能问题,就必须要严格的控制传感器各节点的数据接收和发送数量。在实际应用中,主要采用duty-cycling 机制和网内信息处理方法,其能够根据实际情况来调动传感器节点工作状态,以此来实现节省电能的目的。
无线传感网络在桥梁健康监测中的关键技术之一为时间同步技术,即需要有效同步各传感器节点的时间,为后期综合性分析数据提供准确的时间节点。各传感器节点的时间控制是由本地时钟所决定的,初始时刻的不同和设备误差是造成传感器节点时间不同的原因。在长期监测过程中,各传感器节点处应用时间是通过利用各网络节点的信息变化时间来确定,从而实现各传感器时间同步的功能。
综上所述,无线传感技术具有低成本、易布置等优势,在桥梁健康监测中具有较高的效果。在应用中,可以根据桥梁实际情况,合理布置工作条件较低的传感器,保证无线传感网络系统的稳定性。对于传感器所采集的海量数据,需要制定专用的桥梁信息管理系统,并定期对数据进行分析,对桥梁结构进行评估,为桥梁维护工作提供准确的数据信息。
摘要：随着我国信息化技术的不断发展,无线传感网络正逐渐应用于桥梁健康监测中,该技术能够实时监测桥梁的运营状态,为准确评估桥梁性能提供数据与技术基础。本文主要介绍了桥梁健康监测系统中无线传感网络的组成、用到的主要传感器和配套的信息管理系统,以及无线传感网络在监测中的关键技术,为后期我国建设桥梁健康监测系统提供参考。
关键词：无线传感网络,桥梁健康监测,健康分析
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