0 引言
橋梁在幾十年、甚至上百年的使用過程中，結(jié)構(gòu)長期承受交通荷載的作用，嚴(yán)酷自然環(huán)境的侵蝕，自然災(zāi)害和人為因素等的禍合作用，不可避免地導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種損傷現(xiàn)象，抗力衰減，使得結(jié)構(gòu)承受力與安全性降低，引發(fā)災(zāi)難性突發(fā)事故。全國規(guī)律普查結(jié)果顯示，有相當(dāng)一部分的橋梁存在不同程度的損傷，1951 年美國金門大橋在風(fēng)速振動下造成橋體損傷，1994 年韓國圣水大橋段塌，臺灣的高屏大橋攔腰斷裂，還有我國的彩虹橋，宜賓南門大橋等一系列令人觸目驚心的橋梁坍塌事故，提醒我們必須要重視橋梁的定期健康檢測與安全評估，及危橋的損傷檢測和監(jiān)控，爭取消除隱患。所以對橋梁進行定期維護和檢修，對其健康狀況進行監(jiān)測和評價，掌握其健康狀況是有重要意義的。橋梁結(jié)構(gòu)的檢測、監(jiān)測也就成為橋梁結(jié)構(gòu)安全養(yǎng)護和保障正常使用的主要技術(shù)手段。
隨著傳感器、通信、計算機、信號處理以及人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開始研究基于信息技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，橋梁工程領(lǐng)域開始考慮一些能夠在不影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下的可長期實時觀測累積損傷狀態(tài)的技術(shù)和方法，以便對服役期間的橋梁安全狀況進行長期實時在線監(jiān)測，為進一步的維護管理提供正確的決策。
1 緒論
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述
1.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，它們分別完成對被測量對象的信息提取、信息傳輸及信息處理。隨著它們的飛速發(fā)展，具有感知、計算存儲和通信能力的微型傳感器開始出現(xiàn)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和宇航各個領(lǐng)域。這些微型傳感器具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而生。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有局部信號處理的功能，將傳統(tǒng)的串行處理、集中決策的系統(tǒng)變成并行的分布式處理,提高了檢測系統(tǒng)的運行速度和靈活性。另外,無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成的分布式監(jiān)測系統(tǒng)最大程度地減少了器件連線,減低了系統(tǒng)的搭建、維修費用和難度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
1.1.2 Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測中的優(yōu)勢
Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國內(nèi)外工程領(lǐng)域的研究熱點，Zigbee無線模塊節(jié)點具有功耗低、體積小、系統(tǒng)安全性高、穩(wěn)定性、可靠性和實時性好的特點。將Zigbee數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，有利于整個系統(tǒng)的小型化，低成本，智能化。通過Zigbee無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，可以提高系統(tǒng)安裝的方便性和可移動性，并使監(jiān)測系統(tǒng)可方便地應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，具有以下明顯優(yōu)勢：
1）構(gòu)成自組織動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，無需人工干涉自動組網(wǎng)，適應(yīng)長期工作的需要。傳感器可自動加入、斷開網(wǎng)絡(luò)，方便監(jiān)測點位置的改變。
2）傳感器節(jié)點數(shù)量大，分布密度高，使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集量大，精度高增加了系統(tǒng)監(jiān)測的精度和穩(wěn)定性。
3）傳感器節(jié)點具有無線通信能力，并且支持多跳技術(shù)，能實現(xiàn)健康監(jiān)測的遠(yuǎn)程監(jiān)測，減少現(xiàn)場布線的工作量，移動靈活。
4）健康監(jiān)測中的監(jiān)測對象不盡相同，傳感器節(jié)點具備良好的靈活性，可以配接各種類型的傳感器，滿足監(jiān)測的不同應(yīng)用。
為了滿足橋梁長期健康監(jiān)測的要求，構(gòu)建合理、高效的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，選擇合適的無線通信協(xié)議是至關(guān)重要的，本文選擇Zigbee 作為無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。
1.2.1 Zigbee 技術(shù)的特點
作為一種流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來說，Zigbee 協(xié)議具備很多自身的特點，這些特點保證了Zigbee數(shù)傳模塊 能夠很好地運行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，同時得到廣泛應(yīng)用。Zigbee 數(shù)傳模塊主要有如下的特點：
1）低功耗
2）低成本
3）通信可靠
4）網(wǎng)絡(luò)的自組織，自愈能力強
5）網(wǎng)絡(luò)容量大
6）低速率
7）近距離
8）數(shù)據(jù)安全
1.2.2 Zigbee 與其他幾種無線通信協(xié)議的比較
表1 給出了幾種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的比較。可以看出，它們各有特點，也決定了它們的應(yīng)用領(lǐng)域是不同的。
表1 幾種主流無線通信協(xié)議比較
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率低，要求傳輸設(shè)備成本低，功耗小，系統(tǒng)所使用的終端設(shè)備通常采用電池供電。Zigbee 技術(shù)更符合這些特點。
基于Zigbee 數(shù)傳模塊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有功耗低、系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、低等待時間等特性。在固定的時間間隔傳輸數(shù)據(jù)的低速率特性，滿足健康監(jiān)測中，以一定的采集頻率，進行周期性的Zigbee數(shù)據(jù)采集，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心進行分析和處理。相比其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Zigbee數(shù)傳技術(shù)更適合在橋梁健康監(jiān)測中應(yīng)用。
2 基于Zigbee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計
2.1 橋梁健康監(jiān)測要求
反映橋梁健康狀況需要監(jiān)測的內(nèi)容指標(biāo)很多，如果全面監(jiān)測難免給健康監(jiān)測系統(tǒng)造成硬件龐大、數(shù)據(jù)繁雜，處理數(shù)據(jù)不可靠等缺陷。因此在監(jiān)測指標(biāo)上，應(yīng)根據(jù)橋型選擇最能反映橋梁健康狀況的指標(biāo)。基于通常橋梁監(jiān)測指標(biāo)的選擇是在基于“橋梁本身安全”的情況下，主要監(jiān)測指標(biāo)如下:
1）環(huán)境溫度及橋上溫度分布監(jiān)測
2）主梁應(yīng)力監(jiān)測
3）撓度監(jiān)測
4）振動監(jiān)測
應(yīng)力、撓度、振動、溫度是對橋梁進行長期健康監(jiān)測和健康評估的主要指標(biāo)，對橋梁重點部位的這些指標(biāo)進行實時監(jiān)測有助于了解橋面系的受力狀況，橋梁的剛度性能，間接反映橋梁的穩(wěn)定性，并及時準(zhǔn)確地提供橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)數(shù)據(jù)。便于及時發(fā)現(xiàn)橋梁的結(jié)構(gòu)損傷與質(zhì)量退化，對大橋的結(jié)構(gòu)安全做出準(zhǔn)確評價，保證大橋安全運營，并為橋梁維護、管理決策提供可信的科學(xué)依據(jù)。
2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成
一套結(jié)構(gòu)和性能都稱得上完整的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是由傳感采集子系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和終端監(jiān)控子系統(tǒng)三部分組成。
橋梁健康狀況實時監(jiān)測的系統(tǒng)構(gòu)建如圖2 所示，該傳感器網(wǎng)絡(luò)感知層由若干傳感器節(jié)點、若干路由器節(jié)點、匯集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。
圖2 實時監(jiān)測的系統(tǒng)構(gòu)建
感知層利用Z-STACK 協(xié)議棧構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，各Zigbee數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集應(yīng)力、撓度、沉降等橋梁參數(shù)經(jīng)過路由器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)至匯集節(jié)點，匯集節(jié)點（協(xié)調(diào)器）一方面創(chuàng)建并維護網(wǎng)絡(luò)運行，另一方面把各節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)送入網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過GPRS 模塊SIM300 將感知網(wǎng)絡(luò)接入Internet，將數(shù)據(jù)通過Internet 傳輸至遠(yuǎn)程計算機進行分析處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。
2.2.1 傳感采集子系統(tǒng)
傳感器節(jié)點采用TI 公司的CC2430 芯片為核心，結(jié)構(gòu)如圖所示，傾角、應(yīng)變和沉降值等模擬信號送入到CC2430 中轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再將這些信息通過天線發(fā)送至無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。
圖3 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)
2.2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)
無線傳感網(wǎng)絡(luò)由天線和GPRS 組成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)也稱為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，結(jié)構(gòu)如圖4 所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點當(dāng)中的CC2430 以無線方式接收若干節(jié)點所發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)送到LM3S8962 里，ARM 板利用SIM300 接入Internet，把接收的數(shù)據(jù)通過Internet 發(fā)送到遠(yuǎn)程端。
圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)
終端監(jiān)控子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接收、處理系統(tǒng),主要由中繼節(jié)點與用戶應(yīng)用軟件組成,中繼節(jié)點負(fù)責(zé)把整個網(wǎng)絡(luò)的采集數(shù)據(jù)通過串口通信保存在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期保存和備份，對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實時跟蹤，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)信息的可視化和決策數(shù)據(jù)庫的智能化。
3 其他關(guān)鍵問題
3.1 加強基礎(chǔ)和試驗
通過對各類橋梁的檢測數(shù)據(jù)收集，并依據(jù)各類橋梁不同部位常見病害及其原因的分析，將現(xiàn)代測試技術(shù)和數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于橋梁安全評價之中，重點研究各類特征量與病害之間的關(guān)系及其門檻值的設(shè)置原則，建立常見類型橋梁安全的評價模型。
3.2 注重特征參量測量與監(jiān)測設(shè)備的系統(tǒng)配置
橋梁承載能力狀態(tài)的變化將直接影響其安全運營，如何測量橋梁關(guān)鍵部位的特征參量的變化，并根據(jù)所建立的評定模或評定標(biāo)準(zhǔn)值判斷橋梁的運營狀態(tài)及病害原因和程度，對橋梁的安全給出適應(yīng)的評價，配置系列儀器對關(guān)鍵部位特征參數(shù)進行監(jiān)測是橋梁狀態(tài)(或健康或病害)評估的關(guān)鍵。
3.3 充分發(fā)揮專家系統(tǒng)的作用
根據(jù)橋梁狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，組織橋梁設(shè)計、施工、監(jiān)測、維護、管理等專家，對橋梁安全監(jiān)測與維護中的相關(guān)問題進行研討與評價，并提出維護方案，或者由依據(jù)專家經(jīng)驗建立的橋梁狀態(tài)監(jiān)測、病害原因及程度、安全評價與維護等相互關(guān)聯(lián)的專家系統(tǒng)進行橋梁安全評價并給出維護方案。
4 結(jié)束語
本文利用Zigbee數(shù)傳模塊實現(xiàn)了橋梁健康狀態(tài)的Zigbee數(shù)據(jù)采集，由于Zigbee無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于沒有了布線的束縛,使其可監(jiān)測的范圍大大得到了擴展。原來只能對大型結(jié)構(gòu)的部分特性進行監(jiān)控,對全局的特性只能通過一些算法進行推算或者根本無法獲得。另外,在監(jiān)控現(xiàn)場布線往往費時費力,還影響其他工種的施工作業(yè)。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在大范圍的空間中監(jiān)測大型結(jié)構(gòu)的健康狀況在局部作業(yè)時,布置監(jiān)測點方便,也不會影響到其他工種的作業(yè)。另外無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成的分布式監(jiān)測系統(tǒng)最大程度地減少了器件連線,降低了系統(tǒng)的搭建、維修費用和難度,在未來的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮重要的作用。