異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)有什么價(jià)值？

伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、超高層建筑、大型水利工程、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及核電站等，它們的使用壽命長(zhǎng)達(dá)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(zāi)害因素的耦合作用，不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，甚至在極端情況下引發(fā)災(zāi)難事故。為了保障結(jié)構(gòu)的安全、可靠，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到重視。

“無(wú)線”VS“有線”

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以傳感器準(zhǔn)確采集傳輸數(shù)據(jù)為前提，數(shù)據(jù)采集主要通過傳統(tǒng)的“有線”傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，它具有采集信號(hào)準(zhǔn)確、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，利用“有線”傳感器組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布線量大、安裝和維護(hù)成本高、可靠性差，甚至在一些結(jié)構(gòu)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)布線。隨著傳感器與無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已開始向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面滲透。無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于其小型化、集成化、低維修費(fèi)用、安裝方便等特點(diǎn)，在大型基礎(chǔ)設(shè)施智能化監(jiān)測(cè)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)克服了有線傳感網(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)線傳感器還具有智能處理單元，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行初步提取，這樣可以大大分散中央處理器在數(shù)據(jù)處理方面的壓力。無(wú)線傳感單元的無(wú)線收發(fā)模塊通常使用在工業(yè)通信頻率上，無(wú)須單獨(dú)申請(qǐng)頻點(diǎn)，通信不受電信部門的限制。此外，無(wú)線傳感器體積小、具有節(jié)能的特點(diǎn)，可以方便地安放在被測(cè)結(jié)構(gòu)物上，并且依據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)，形成實(shí)時(shí)高效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

無(wú)線智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)一般由結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)組成。本文介紹的方法是一種異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與同構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，前者傳感器的節(jié)點(diǎn)，具備不同的資源配置，更能滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)場(chǎng)景對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的需求。異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由低成本、具備感知、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和無(wú)線通信能力的多類型微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)，這種特性使得異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)非常適合用于大型基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)。

異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布置

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的無(wú)線傳感技術(shù)日趨完善，智能化程度日益提高。許多重要工程設(shè)施，特別是一些大跨度橋梁工程上開始安裝無(wú)線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。值得注意的是，這些大型橋梁無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際部署的傳感節(jié)點(diǎn)大多采用太陽(yáng)能或風(fēng)能供電，由此帶來(lái)一系列能耗問題，導(dǎo)致系統(tǒng)不能很好地滿足橋梁監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要。為了解決以上問題，需要對(duì)現(xiàn)有的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的布置方法進(jìn)行優(yōu)化。通過研究異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)以提高模態(tài)識(shí)別精度和降低網(wǎng)絡(luò)能耗為目標(biāo)的傳感器布置方案，對(duì)于解決上述問題有良好的實(shí)用效果。

結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別

在同構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)構(gòu)模態(tài)之間存在正交性，適宜常用的模態(tài)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。但在異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，存在加速度和應(yīng)變兩種傳感器節(jié)點(diǎn)，然而兩種類型傳感器監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)模態(tài)并不存在正交性?！敖Y(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別”是通過運(yùn)用模態(tài)清晰度和模態(tài)相對(duì)誤差，將兩者比值作為模態(tài)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則結(jié)合了模態(tài)之間的清晰程度、實(shí)際模態(tài)與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)之間的誤差，其對(duì)模態(tài)的評(píng)價(jià)更具全面性和充分性。

為了得出異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的不同傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和與其對(duì)應(yīng)位置對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別和網(wǎng)絡(luò)能耗的影響規(guī)律，本方法選用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)室桁架結(jié)構(gòu)模型作為研究對(duì)象。結(jié)合該桁架結(jié)構(gòu)，經(jīng)過有限元分析，提取結(jié)構(gòu)的位移振型向量和應(yīng)變振型向量。用仿真信號(hào)來(lái)代替試驗(yàn)信號(hào)，對(duì)結(jié)構(gòu)施加外加激勵(lì)，可以得到任意測(cè)點(diǎn)的加速度和應(yīng)變信號(hào)，最后通過ERA法得到位移振型向量和應(yīng)變振型向量。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別計(jì)算時(shí)，先通過模態(tài)識(shí)別方法得到結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)，然后與有限元仿真模態(tài)進(jìn)行比較，得到異構(gòu)無(wú)線傳感器布置方案的模態(tài)識(shí)別指標(biāo)。結(jié)構(gòu)模態(tài)振型是根據(jù)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(jié)構(gòu)振動(dòng)情況。

實(shí)驗(yàn)室桁架結(jié)構(gòu)

為了研究傳感器個(gè)數(shù)和位置對(duì)模態(tài)識(shí)別的影響，采用不同個(gè)數(shù)傳感器和不同位置，共計(jì)16 種不同的均勻布置方案以及9 大類的非均勻布置方案。通過計(jì)算均勻布置方案和非均勻布置方案的模態(tài)識(shí)別指標(biāo)，得出傳感器布置與模態(tài)識(shí)別的一般規(guī)律。在進(jìn)行模態(tài)識(shí)別指標(biāo)計(jì)算之前，需要從有限元數(shù)據(jù)仿真中分別提取加速度和應(yīng)變信號(hào)，運(yùn)用ERA 模態(tài)識(shí)別方法得到模態(tài)參數(shù)。然后用ANSYS 直接提取模態(tài)參數(shù)與用ERA 法得到的模態(tài)振型參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別指標(biāo)隨著異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加而增加，同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑的增加而增加。當(dāng)傳感器總數(shù)一定時(shí)，采用一定配比的傳感器能夠最大化模態(tài)識(shí)別指標(biāo)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗

無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)由通信單元、處理器單元、感知單元、供能單元組成。當(dāng)無(wú)線傳感器工作時(shí)，能量消耗主要集中在以下四部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送。所有會(huì)產(chǎn)生能耗的數(shù)據(jù)過程都必須考慮在內(nèi)，以下為無(wú)線傳感節(jié)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(jì)算模型來(lái)模擬傳感器布置和數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域，如圖3所示，無(wú)線加速度和應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一個(gè)球體空間內(nèi)，組成一個(gè)異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基站布置在球體空間的球心處。

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

對(duì)于該球體能耗模型，做了以下假設(shè)：無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集的速率保持不變，并且無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)不存在空閑與休眠階段；所有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)全部發(fā)送給上級(jí)節(jié)點(diǎn)或基站；傳感器節(jié)點(diǎn)是均勻分布在網(wǎng)絡(luò)中的。根據(jù)提出的網(wǎng)絡(luò)能耗公式，通過改變其中的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，可以得到多跳形式的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗。圖4可以直觀地反映傳感器布置個(gè)數(shù)與覆蓋半徑對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響。通過該圖可以看出，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不同的網(wǎng)絡(luò)能耗。隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑的增加，網(wǎng)絡(luò)能耗也隨之增加；隨著傳感器個(gè)數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)能耗同樣隨之增加。

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

無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布置

在傳感器優(yōu)化布置問題中主要需解決3個(gè)問題——確定各種類型的傳感器個(gè)數(shù)、每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置、傳感器布置之間以何種布置準(zhǔn)則進(jìn)行。針對(duì)異構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，一方面，針對(duì)監(jiān)測(cè)具有較高的結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別程度，實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際意義；另一方面，針對(duì)所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的問題，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(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。

在上述兩個(gè)目標(biāo)中，都與傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和在網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的位置有關(guān)，即兩類傳感器分別的個(gè)數(shù)和相對(duì)應(yīng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑。將兩個(gè)目標(biāo)統(tǒng)一在一個(gè)目標(biāo)函數(shù)中，形成一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)公式。但是這兩個(gè)目標(biāo)具有不同的物理意義，從整體上來(lái)說，目標(biāo)函數(shù)值大小只是數(shù)值的反映，并且單個(gè)目標(biāo)的數(shù)量級(jí)也不在一個(gè)層次上，這就需要將這兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行系數(shù)調(diào)整。

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

其中：

FM：模態(tài)識(shí)別指數(shù)；

FE：網(wǎng)絡(luò)能耗；

wM：模態(tài)識(shí)別指數(shù)調(diào)整系數(shù)；

fM：模態(tài)識(shí)別權(quán)重系數(shù)；

wE；網(wǎng)絡(luò)能耗調(diào)整系數(shù)；

fE：網(wǎng)絡(luò)能耗權(quán)重系數(shù)。