異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò ) 對橋梁健康監測有什么價(jià)值？

伴隨著(zhù)中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多大型復雜工程結構得以興建，如超大跨橋梁、用于大型體育賽事的超大跨空間結構、超高層建筑、大型水利工程、海洋平臺結構以及核電站等，它們的使用壽命長(cháng)達幾十年、甚至上百年。然而，受環(huán)境侵蝕、材料老化、疲勞與突變等災害因素的耦合作用，不可避免地導致結構和系統的損傷積累和抗力衰減，甚至在極端情況下引發(fā)災難事故。為了保障結構的安全、可靠，結構健康監測越來(lái)越受到重視。

“無(wú)線(xiàn)”VS“有線(xiàn)”

結構健康監測以傳感器準確采集傳輸數據為前提，數據采集主要通過(guò)傳統的“有線(xiàn)”傳感器來(lái)實(shí)現，它具有采集信號準確、抗干擾性能強等特點(diǎn)。但是，利用“有線(xiàn)”傳感器組成的監測網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)量大、安裝和維護成本高、可靠性差，甚至在一些結構中無(wú)法實(shí)現布線(xiàn)。隨著(zhù)傳感器與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已開(kāi)始向結構健康監測方面滲透。無(wú)線(xiàn)傳感器及其網(wǎng)絡(luò )系統由于其小型化、集成化、低維修費用、安裝方便等特點(diǎn)，在大型基礎設施智能化監測方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )克服了有線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的不足，采用了先進(jìn)的封裝技術(shù)，具有體積小、低功耗、可靠性高等特點(diǎn)，適合集成。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器還具有智能處理單元，可以對信號進(jìn)行預處理，對特征信號進(jìn)行初步提取，這樣可以大大分散中央處理器在數據處理方面的壓力。無(wú)線(xiàn)傳感單元的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊通常使用在工業(yè)通信頻率上，無(wú)須單獨申請頻點(diǎn)，通信不受電信部門(mén)的限制。此外，無(wú)線(xiàn)傳感器體積小、具有節能的特點(diǎn)，可以方便地安放在被測結構物上，并且依據設定的通信協(xié)議，實(shí)現自組織網(wǎng)絡(luò )，形成實(shí)時(shí)高效的結構健康監測系統。

無(wú)線(xiàn)智能監測網(wǎng)絡(luò )一般由結構健康評價(jià)系統、數據存儲管理系統、數據處理與控制系統、數據采集與傳輸系統組成。本文介紹的方法是一種異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。異構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與同構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )不同，前者傳感器的節點(diǎn)，具備不同的資源配置，更能滿(mǎn)足實(shí)際監測場(chǎng)景對于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的需求。異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )是由低成本、具備感知、數據處理、存儲和無(wú)線(xiàn)通信能力的多類(lèi)型微型傳感器節點(diǎn)，通過(guò)自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò )，這種特性使得異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )非常適合用于大型基礎設施的安全監測。

異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)化布置

經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，結構健康監測中的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)日趨完善，智能化程度日益提高。許多重要工程設施，特別是一些大跨度橋梁工程上開(kāi)始安裝無(wú)線(xiàn)健康監測系統。值得注意的是，這些大型橋梁無(wú)線(xiàn)監測系統實(shí)際部署的傳感節點(diǎn)大多采用太陽(yáng)能或風(fēng)能供電，由此帶來(lái)一系列能耗問(wèn)題，導致系統不能很好地滿(mǎn)足橋梁監測的實(shí)際需要。為了解決以上問(wèn)題，需要對現有的異構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的布置方法進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)研究異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化機理，發(fā)現以提高模態(tài)識別精度和降低網(wǎng)絡(luò )能耗為目標的傳感器布置方案，對于解決上述問(wèn)題有良好的實(shí)用效果。

結構模態(tài)識別

在同構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中，結構模態(tài)之間存在正交性，適宜常用的模態(tài)評價(jià)準則。但在異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中，存在加速度和應變兩種傳感器節點(diǎn)，然而兩種類(lèi)型傳感器監測的結構模態(tài)并不存在正交性?！敖Y構模態(tài)識別”是通過(guò)運用模態(tài)清晰度和模態(tài)相對誤差，將兩者比值作為模態(tài)評價(jià)準則。該評價(jià)準則結合了模態(tài)之間的清晰程度、實(shí)際模態(tài)與實(shí)驗模態(tài)之間的誤差，其對模態(tài)的評價(jià)更具全面性和充分性。

為了得出異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中的不同傳感器節點(diǎn)個(gè)數和與其對應位置對結構模態(tài)識別和網(wǎng)絡(luò )能耗的影響規律，本方法選用如圖1所示的實(shí)驗室桁架結構模型作為研究對象。結合該桁架結構，經(jīng)過(guò)有限元分析，提取結構的位移振型向量和應變振型向量。用仿真信號來(lái)代替試驗信號，對結構施加外加激勵，可以得到任意測點(diǎn)的加速度和應變信號，最后通過(guò)ERA法得到位移振型向量和應變振型向量。在進(jìn)行結構模態(tài)識別計算時(shí)，先通過(guò)模態(tài)識別方法得到結構的試驗模態(tài)，然后與有限元仿真模態(tài)進(jìn)行比較，得到異構無(wú)線(xiàn)傳感器布置方案的模態(tài)識別指標。結構模態(tài)振型是根據有限元分析時(shí)所劃分單元的位移來(lái)確定，從而能夠從整體上反映結構振動(dòng)情況。

實(shí)驗室桁架結構

為了研究傳感器個(gè)數和位置對模態(tài)識別的影響，采用不同個(gè)數傳感器和不同位置，共計16 種不同的均勻布置方案以及9 大類(lèi)的非均勻布置方案。通過(guò)計算均勻布置方案和非均勻布置方案的模態(tài)識別指標，得出傳感器布置與模態(tài)識別的一般規律。在進(jìn)行模態(tài)識別指標計算之前，需要從有限元數據仿真中分別提取加速度和應變信號，運用ERA 模態(tài)識別方法得到模態(tài)參數。然后用ANSYS 直接提取模態(tài)參數與用ERA 法得到的模態(tài)振型參數進(jìn)行對比。研究結果表明，結構模態(tài)識別指標隨著(zhù)異構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)個(gè)數增加而增加，同時(shí)隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )覆蓋半徑的增加而增加。當傳感器總數一定時(shí)，采用一定配比的傳感器能夠最大化模態(tài)識別指標。

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )能耗

無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)由通信單元、處理器單元、感知單元、供能單元組成。當無(wú)線(xiàn)傳感器工作時(shí)，能量消耗主要集中在以下四部分：數據采集、數據處理、數據接收和數據發(fā)送。所有會(huì )產(chǎn)生能耗的數據過(guò)程都必須考慮在內，以下為無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)各模塊的能耗。

為方便探究網(wǎng)絡(luò )能耗，建立網(wǎng)絡(luò )能耗計算模型來(lái)模擬傳感器布置和數據傳輸區域，如圖3所示，無(wú)線(xiàn)加速度和應變傳感器節點(diǎn)隨機分布在一個(gè)球體空間內，組成一個(gè)異構無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，基站布置在球體空間的球心處。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能耗模型（R’為傳輸半徑或簇半徑）

對于該球體能耗模型，做了以下假設：無(wú)線(xiàn)傳感器的數據發(fā)送和數據采集的速率保持不變，并且無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)不存在空閑與休眠階段；所有無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)將數據全部發(fā)送給上級節點(diǎn)或基站；傳感器節點(diǎn)是均勻分布在網(wǎng)絡(luò )中的。根據提出的網(wǎng)絡(luò )能耗公式，通過(guò)改變其中的網(wǎng)絡(luò )層數，可以得到多跳形式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的能耗。圖4可以直觀(guān)地反映傳感器布置個(gè)數與覆蓋半徑對網(wǎng)絡(luò )能耗的影響。通過(guò)該圖可以看出，不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構具有不同的網(wǎng)絡(luò )能耗。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )覆蓋半徑的增加，網(wǎng)絡(luò )能耗也隨之增加；隨著(zhù)傳感器個(gè)數的增加，網(wǎng)絡(luò )能耗同樣隨之增加。

當M=1或2時(shí)傳感器配比和覆蓋半徑對網(wǎng)絡(luò )能耗的影響

無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)優(yōu)化布置

在傳感器優(yōu)化布置問(wèn)題中主要需解決3個(gè)問(wèn)題——確定各種類(lèi)型的傳感器個(gè)數、每個(gè)傳感器節點(diǎn)的位置、傳感器布置之間以何種布置準則進(jìn)行。針對異構無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，一方面，針對監測具有較高的結構模態(tài)識別程度，實(shí)現健康監測工作的實(shí)際意義；另一方面，針對所有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最大的問(wèn)題，需要考慮網(wǎng)絡(luò )能耗，在相同工作量的同時(shí)，盡量降低能耗，以延長(cháng)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工作壽命。

在上述兩個(gè)目標中，都與傳感器節點(diǎn)的個(gè)數和在網(wǎng)絡(luò )相應的位置有關(guān)，即兩類(lèi)傳感器分別的個(gè)數和相對應的傳感器網(wǎng)絡(luò )的覆蓋半徑。將兩個(gè)目標統一在一個(gè)目標函數中，形成一個(gè)數學(xué)表達公式。但是這兩個(gè)目標具有不同的物理意義，從整體上來(lái)說(shuō)，目標函數值大小只是數值的反映，并且單個(gè)目標的數量級也不在一個(gè)層次上，這就需要將這兩個(gè)目標進(jìn)行系數調整。

FE(FM,FE)=(fMwMFM(Na,Ns,Ra,Rs)+fEwEFE(Na,Ns,Ra,Rs)

其中：

FM：模態(tài)識別指數；

FE：網(wǎng)絡(luò )能耗；

wM：模態(tài)識別指數調整系數；

fM：模態(tài)識別權重系數；

wE；網(wǎng)絡(luò )能耗調整系數；

fE：網(wǎng)絡(luò )能耗權重系數。