一種新型的高速鐵路橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　摘要：為了降低傳統(tǒng)鐵路橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功耗高，擴(kuò)展性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于Imote2和IRIS無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用Imote2強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和超低功耗特性，以及IRIS遠(yuǎn)距離無(wú)線收發(fā)的特點(diǎn)，控制由Imote2組成的無(wú)線自組織傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超低功耗的目的，并且應(yīng)用CDMA無(wú)線通信技術(shù)，完成了橋梁的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，在功耗方面比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)降低了35%以上。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);Imote2;IRIS;在線監(jiān)測(cè);高速鐵路

　　引 言

　　鐵路橋梁在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中不可難免會(huì)出現(xiàn)各種損傷現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)承受力與安全性降低。如今隨著高速鐵路在我國(guó)逐步普及，對(duì)高速鐵路橋梁健康的在線監(jiān)測(cè)提出了更為嚴(yán)格的要求。

　　高速鐵路速度快，絕大多數(shù)鐵路橋又都在野外，環(huán)境相對(duì)比較惡劣，因此，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須做到精度高、穩(wěn)定性好，另外在惡劣的環(huán)境中，頻繁地為數(shù)量巨大的節(jié)點(diǎn)更換電池不現(xiàn)實(shí)也不可能， 因而節(jié)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(dāng)然地成為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本原則。

　　為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，通過(guò)對(duì)所用于該設(shè)計(jì)的硬件進(jìn)行嚴(yán)格的挑選，最后采用了目前在國(guó)際上先進(jìn)的MOTE(塵埃)技術(shù)，即Crossbow推出的Imote2和IRIS兩款無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，對(duì)加速度、動(dòng)振幅、撓度等參量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。其最大特點(diǎn)就是節(jié)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(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集與傳輸，能夠滿足對(duì)野外橋梁狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。

　　橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　橋梁在線監(jiān)測(cè)，即通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為橋梁在特殊氣候、特殊交通條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，分析評(píng)估橋梁使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修與管理決策、驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)的依據(jù)[1]。

　　橋梁在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般應(yīng)包括以下幾部分內(nèi)容[2]。

　　● 傳感系統(tǒng)。用于將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而在選擇傳感器及二次儀表的類型和數(shù)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)建立橋梁在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的和投資規(guī)模來(lái)確定。

　　● 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信息源、不同物理信號(hào)的采集與預(yù)處理，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求對(duì)各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、變換以獲取系統(tǒng)所需要的參數(shù)，并以一定的形式存儲(chǔ)起來(lái)。

　　● 通信系統(tǒng)。將采集并處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

　　● 監(jiān)控中心和報(bào)警設(shè)備。利用具備診斷功能的軟硬件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，判斷損傷的發(fā)生、位置、程度，對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況做出評(píng)估，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報(bào)警信息。

　　基于WSN的鐵路橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，處理后的信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者[3]。

　　鐵路橋梁與一般橋梁的最大區(qū)別在于鐵路橋在大部分時(shí)間是沒(méi)有列車通過(guò)的，因此為了鐵路橋梁在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中盡可能地降低功耗，在沒(méi)列車通過(guò)時(shí)，系統(tǒng)是不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的。為此我們?cè)阼F路橋梁兩端分別布置了一個(gè)IRIS傳感器節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，當(dāng)鐵路橋梁一端有列車過(guò)來(lái)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)平臺(tái)發(fā)射信號(hào)給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而通知Imote2節(jié)點(diǎn)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)鐵路橋梁另一端時(shí)，此處的節(jié)點(diǎn)平臺(tái)又發(fā)送信號(hào)給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，控制Imote2節(jié)點(diǎn)停止數(shù)據(jù)采集，充分達(dá)到減少能耗的目的。

　　本文設(shè)計(jì)的鐵路橋梁在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示：包括若干個(gè)Imote2傳感節(jié)點(diǎn)，它們被大量布散在橋梁關(guān)鍵監(jiān)測(cè)區(qū)域，它們通過(guò)無(wú)線信道相連，形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)橋梁的撓度、應(yīng)變等主要結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器單元將采集到的數(shù)據(jù)傳送給Imote2的處理單元，處理單元完成數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)后，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)， 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)CDMA等方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心，并且系統(tǒng)可在異常情況下進(jìn)行報(bào)警，監(jiān)測(cè)人員可隨時(shí)了解橋梁運(yùn)行情況，達(dá)到健康監(jiān)測(cè)的目的。