一種新型的高速鐵路橋梁監測系統

　　摘要：為了降低傳統鐵路橋梁監測系統功耗高，擴展性差的問(wèn)題，設計了基于Imote2和IRIS無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)平臺的橋梁監測系統。利用Imote2強大的數據處理功能和超低功耗特性，以及IRIS遠距離無(wú)線(xiàn)收發(fā)的特點(diǎn)，控制由Imote2組成的無(wú)線(xiàn)自組織傳感網(wǎng)絡(luò )的數據采集時(shí)間，實(shí)現超低功耗的目的，并且應用CDMA無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，完成了橋梁的遠距離監測。實(shí)驗表明，在功耗方面比傳統的監測系統降低了35%以上。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò );Imote2;IRIS;在線(xiàn)監測;高速鐵路

　　引 言

　　鐵路橋梁在營(yíng)運過(guò)程中不可難免會(huì )出現各種損傷現象，使得結構承受力與安全性降低。如今隨著(zhù)高速鐵路在我國逐步普及，對高速鐵路橋梁健康的在線(xiàn)監測提出了更為嚴格的要求。

　　高速鐵路速度快，絕大多數鐵路橋又都在野外，環(huán)境相對比較惡劣，因此，在線(xiàn)監測系統必須做到精度高、穩定性好，另外在惡劣的環(huán)境中，頻繁地為數量巨大的節點(diǎn)更換電池不現實(shí)也不可能， 因而節點(diǎn)的能源供給都是一次性電池。這樣，為了提高網(wǎng)絡(luò )的使用壽命，高效能、低成本同樣理所當然地成為節點(diǎn)設計的基本原則。

　　為了實(shí)現以上目標，通過(guò)對所用于該設計的硬件進(jìn)行嚴格的挑選，最后采用了目前在國際上先進(jìn)的MOTE(塵埃)技術(shù)，即Crossbow推出的Imote2和IRIS兩款無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)平臺，組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)，對加速度、動(dòng)振幅、撓度等參量進(jìn)行在線(xiàn)監測。其最大特點(diǎn)就是節能，即使在沒(méi)有交流電源的環(huán)境下，僅僅利用電池就可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間的數據采集與傳輸，能夠滿(mǎn)足對野外橋梁狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測需求。

　　橋梁監測系統

　　橋梁在線(xiàn)監測，即通過(guò)對橋梁結構狀態(tài)的監測與評估，為橋梁在特殊氣候、特殊交通條件下或運營(yíng)狀況嚴重異常時(shí)觸發(fā)預警信號，分析評估橋梁使用壽命，并為橋梁的養護、維修與管理決策、驗證橋梁設計理論、改進(jìn)橋梁設計方法和相應的規范標準提供科學(xué)的依據[1]。

　　橋梁在線(xiàn)監測系統一般應包括以下幾部分內容[2]。

　　● 傳感系統。用于將待測物理量轉變?yōu)殡娦盘?，而在選擇傳感器及二次儀表的類(lèi)型和數量時(shí)，應根據建立橋梁在線(xiàn)監測系統的目的和投資規模來(lái)確定。

　　● 數據采集和處理系統。實(shí)現對多種信息源、不同物理信號的采集與預處理，并根據系統功能要求對各種原始數據進(jìn)行分解、變換以獲取系統所需要的參數，并以一定的形式存儲起來(lái)。

　　● 通信系統。將采集并處理過(guò)的數據傳輸到監控中心。

　　● 監控中心和報警設備。利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數據進(jìn)行診斷，判斷損傷的發(fā)生、位置、程度，對結構健康狀況做出評估，如發(fā)現異常，發(fā)出報警信息。

　　基于WSN的鐵路橋監測系統

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)就是由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中各種環(huán)境或監測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò )方式傳送給觀(guān)察者[3]。

　　鐵路橋梁與一般橋梁的最大區別在于鐵路橋在大部分時(shí)間是沒(méi)有列車(chē)通過(guò)的，因此為了鐵路橋梁在線(xiàn)監測過(guò)程中盡可能地降低功耗，在沒(méi)列車(chē)通過(guò)時(shí)，系統是不進(jìn)行數據采集的。為此我們在鐵路橋梁兩端分別布置了一個(gè)IRIS傳感器節點(diǎn)平臺，當鐵路橋梁一端有列車(chē)過(guò)來(lái)時(shí)，該節點(diǎn)平臺發(fā)射信號給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，進(jìn)而通知Imote2節點(diǎn)開(kāi)始數據采集，當列車(chē)經(jīng)過(guò)鐵路橋梁另一端時(shí)，此處的節點(diǎn)平臺又發(fā)送信號給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，控制Imote2節點(diǎn)停止數據采集，充分達到減少能耗的目的。

　　本文設計的鐵路橋梁在線(xiàn)監測系統如圖1所示：包括若干個(gè)Imote2傳感節點(diǎn)，它們被大量布散在橋梁關(guān)鍵監測區域，它們通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道相連，形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，對橋梁的撓度、應變等主要結構的受力狀態(tài)進(jìn)行監測，傳感器單元將采集到的數據傳送給Imote2的處理單元，處理單元完成數據處理和存儲后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)轉發(fā)給網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)， 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)可通過(guò)CDMA等方式將監測數據送到監控中心，并且系統可在異常情況下進(jìn)行報警，監測人員可隨時(shí)了解橋梁運行情況，達到健康監測的目的。