CN102980782A - 桥梁和重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络与方法 - Google Patents

Abstract

桥梁和重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络，采用传感器模块安装在桥梁等重大基础设施的关键结构点上，用来监测采集关键结构点的振动、应变以及环境温湿度、光照信息；有线传感器节点安装于桥梁的主塔与钢箱梁内部的关键结构点上，用来采集主塔与钢箱梁的振动、应变片信息以及温度、湿度等环境信息，采用有线传输方式；无线传感器节点安装于桥梁的主缆与悬索的关键结构点上，用来采集主缆与悬索的振动、应变等信息以及温度、湿度等环境信息；对所监测的重大基础设施结构安全状态进行评估与预警。

Description

桥梁和重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络与方法

技术领域

本发明涉及重大基础设施结构安全状态的监测及应急预警控制技术，具体涉及一种用于重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络系统。

背景技术

桥梁和其它重大基础设施如隧道、大坝、高速铁路等，在长时间的运营下会因天气、震动、撞击、自身老化等因素影响其本身的结构安全状况, 从而造成公共安全隐患, 事故一旦发生不仅会造成重大财产损失, 更会严重地危害生命。因此，对重大基础设施进行结构安全的监测并在危急状态下提供有效预警信息是相当重要的。

对于重大基础设施结构安全传统人工检测的方法，不仅周期长效率低，并且难以有效发现隐患，无法做到实时的监测评估及预警。而目前使用的结构安全监测系统多采用有线传感器技术，布线施工较为复杂，且难以进行系统更新如添加或删除监控节点；对于已建成的设施进行后装尤为困难，且容易对设施造成人为的损坏，增加安全隐患。新型的无线传感器网络技术克服了这些困难，布设方便，更新灵活。但无线系统的使用也受到环境的限制。无线传感器所使用的无线传输技术是一种视距传输技术，易受障碍物的阻挡，在复杂的现场环境下不易布设；无线传感器系统的传输距离通常较短，不适用于大跨度基础设施的监测。这两种限制可以通过增加中继节点解决，但增加了系统成本。另外，在封闭的空间以及钢结构内，如大型桥梁的钢箱梁内，多径干扰会造成无线传输质量的下降及错误率的增加。

       因此，针对复杂结构的重大基础设施，不管是有线还是无线传感器网络技术，都存在着实际应用的缺陷，需要一种新的传感器网络系统及设计方法来满足复杂结构重大基础设施的结构安全监测。

现有技术公开的CN200810155659.9公开了基于无线传感器网络的结构安全状态应急监测及预警方法，采用传感器模块安装在桥梁两侧或底部受力点或梁、柱受力支承部位的网络，用来采集桥梁温度、湿度、震动幅度、梁、柱的受力应变数据，以及桥梁结构变化的频度和幅度进行数据采集，传感器模块通过无线通信模块无线与汇集节点和基站节点进行收发，传送采集并进行处理过的数据，无线收发汇集节点连接基站节点，基站节点通过网络连接计算机；采用无线传感器网络实现对桥梁结构安全状态应急监测和预警，传感系统对数据经过处理系统分解、变换以获取所需要的参数后通过网络连接计算机后，利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度；

采用多尺度方法损伤识别方法，对加速度与应变信号同时进行分析，这种方法融合了整体结构信息（加速度）和局部结构响应（应变）。

无线传感器网络如下构成：监测的传感器节点每2-6个组成一个无线传感器节点群组，每一个群组有一个汇集节点，该汇集节点完成群组内传感器节点的数据汇集功能，且传感器节点与且仅与群组内汇集节点进行通信，汇集节点和基站节点不接传感器。所有群组的汇集节点，组成1个或者多个群组，直接与基站节点通信（1个群组），或通过群组内的汇集节点与基站节点通信（多个群组），基站节点将汇集节点的监测数据通过网络连接计算机，送到监控中心，并且计算机系统在异常情况下进行报警,监测人员可随时了解桥梁运行情况，达到结构安全状态应急监测及预警的目的。

结构安全状态应急监测和预警系统采用分层结构的方法，分层结构包括数值计算函数、中间件和损伤识别算法给出桥梁结构安全状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种满足桥梁等复杂结构重大基础设施的结构安全监测系统。针对前述的有线/无线传感网技术的问题，设计一种新型的基于异构传感器网络的结构安全监测系统。该系统的特点是融合多种数据传输方式，构成异构传感器网络，可针对现场环境特点灵活部署，适用于各种复杂结构的重大基础设施结构安全监测。

       本发明的目的是这样实现的：桥梁和重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络，其特征是采用传感器模块安装在桥梁等重大基础设施的关键结构点上，用来监测采集关键结构点的振动、应变以及环境温湿度、光照信息；有线传感器节点安装于桥梁的主塔与钢箱梁内部的关键结构点上，用来采集主塔与钢箱梁的振动、应变片信息以及温度、湿度等环境信息，采用有线传输方式；无线传感器节点安装于桥梁的主缆与悬索的关键结构点上，用来采集主缆与悬索的振动、应变等信息以及温度、湿度等环境信息；相应的无线网络基站安装于主塔与边塔之上，无线网络基站位置处于桥梁的开放区域，无线传感器节点与无线网络基站建立直接的视距连接，可有效进行无线数据的传输。

所述有线或无线传感器节点的传感器模块包括温湿度传感器、光照传感器以及加速度传感器、光电传感器和外置的光纤传感器；温湿度传感器和光照传感器采集环境的温湿度和光照信号，为数字式传感器，直接连接至传感器节点内部的系统总线；加速度传感器和光电传感器为模拟式传感器，通过ADC进行模数转换后接入传感器节点内部的系统总线，加速度传感器采集桥梁监测点的振动信号，光电传感器通过外置的光纤传感器采集桥梁监测点的应变信号；光纤传感器的激励信号由传感器节点系统通过数模转换DAC提供。

所述异构传感器网络系统由无线与有线两种传感器节点和基站节点以及中心监控计算机并通过网络连接；两种传感器节点分别为基于Zigbee网络或3G网络的无线传感器节点和基于TCP/IP网络或光纤网络的有线传感器节点；安装位置接近的多个同种传感器节点组成一个节点群组，向同一个基站节点传输数据，无线基站节点与有线基站节点分别通过TCP/IP网络或光纤网络连接到中心监控计算机，构成异构传感器网络。

所述传感器节点与基站节点的数据传输及基站节点与计算机的数据传输过程中采用统一的数据包格式，包括节点标识、传感数据类型、时间戳以及传感数据等数据域，与所采用的数据传输类型无关。

传感器节点由传感器模块、数据采集模块、微处理器模块构成的数据处理和控制模块、数据传输模块和电源模块组成。传感器模块用来将振动、应变以及环境温湿度、光照等物理信号转换为电信号；数据采集模块用来进行外部传感器信号的接收和转换；数据处理和控制模块用来进行节点设备的控制、任务调度、能量计算、功能协调等；数据传输模块负责与基站进行数据通信、交换控制信息和收发采集数据；电源模块负责为传感器节点提供运行所需的能量。微处理模块与数据采集模块相连接，传感器输出接数据采集模块，电源模块分别与传感器模块、微处理器模块、数据传输模块相连接，微处理器模块分别连接数据采集模块和数据传输模块。

所述数据传输模块可根据需要分别配置TCP/IP传输模块、光纤传输模块等有线数据传输模块，也可配置Zigbee传输模块、3G传输模块等无线数据传输模块，可与相应种类的基站建立数据连接进行通信。

所述电源模块可根据监测环境及监测时间选择电池供电、交/直流供电及太阳能供电、风力供电中的一种或多种，以节约能源、提高系统的健壮性。

基站节点由节点数据传输模块、微处理器模块构成的数据处理和控制模块、网络通信模块和电源模块组成。节点数据传输模块可根据对应的节点类型配置TCP/IP传输模块、光纤传输模块等有线数据传输模块，也可配置Zigbee传输模块、3G传输模块等无线数据传输模块，用来接收相应类型节点传输的数据及发送相应的控制信号；数据处理和控制模块用来进行基站设备的控制、任务调度、功能协调以及数据传输协议转换等；网络传输模块用于将接收到的节点数据通过TCP/IP网络或光纤网络发送给中心监控计算机；电源模块负责为传感器节点提供运行所需的能量。微处理器模块分别连接节点数据传输模块和网络通信模块，电源模块分别与节点数据传输模块、微处理器模块、网络通信模块相连接。

本发明采用异构传感器网络技术实现对基础设施结构安全监测和预警。传感系统对基础设施各个关键结构点变化的频度和幅度进行数据采集，数据经过处理系统分解、变换以获取所需要的参数后通过数据传输系统传输到监控中心，监控人员利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤的位置、损伤程度等。

计算机服务于异构传感器网络重大基础设施结构安全监测和预警系统，用于存储数据（数据库）、处理数据、图形化显示，和警讯发布。

本发明的有益效果是：采用了异构传感器网络，可针对现场环境特点灵活部署。在无线通信条件较好、节点布设密集的监测点，布设短距离无线传感器，易于安装维护；在节点布设间隔较大，短距离无线通信无法覆盖的监测点，布设远距离无线传感器，节约布线工程量；在被障碍物阻挡或狭小封闭空间内、无法保证无线通信质量的监测点，布设有线传感器节点，保证数据传输质量。采用与数据传输类型无关的数据包格式，简化监控程序的设计。多种有线/无线数据传输技术融合于一体，构成异构传感器网络，适用于各种复杂结构重大基础设施的结构安全监测，尤其适用于现代桥梁。本发明将传感数据以统一的数据包格式传输到中心监控计算机；中心监控计算机对传感数据进行存储与显示，并通过可实现诊断功能的算法对各种传感数据进行处理、分解与变换以获取所需的参数，对所监测的重大基础设施结构安全状态进行评估与预警。

附图说明：

       图1是本发明的系统工作流程图；

       图2是异构传感器网络体系结构图；

       图3是传感模块电路原理框图；

       图4是异构网络传感器节点电路原理框图；

       图5是基站节点的电路原理框图；

       图6是异构传感器网络统一数据包格式图；

       图7是本发明用于桥梁结构安全监测的实例。

具体实施方案

       下面以桥梁结构安全监测作为具体实例并结合附图对本发明做详细阐述，但本系统应用范围不限于此例。

       结合图1-7，本实例由两种传感器节点和基站节点以及中心监控计算机组成。两种传感器节点分别为基于Zigbee网络的短距离无线传感器节点和基于光纤网络的有线传感器节点，并配置了两种相应的基站节点。无线传感器节点与无线基站节点建立数据连接，有线传感器节点与有线基站节点建立数据连接，无线基站节点与有线基站节点分别通过光纤网络连接到中心监控计算机。

无线传感器节点安装于桥梁的主缆与悬索的关键结构点上，用来采集主缆与悬索的振动、应变等信息以及温度、湿度等环境信息。相应的无线网络基站安装于主塔与边塔之上，这些位置处于桥梁的开放区域，无线传感器节点与无线网络基站可建立直接的视距连接，可有效进行无线数据的传输。

有线传感器节点安装于桥梁的主塔与钢箱梁内部的关键结构点上，用来采集主塔与钢箱梁的振动、应变等信息以及温度、湿度等环境信息。这些位置由于处于封闭空间内，且内部结构复杂，无线传输方式易受多径干扰影响及障碍物阻碍，无法有效进行无线数据的传输，因此采用有线传感器。

结合图3，传感模块由数字式温湿度传感器、光照传感器以及模拟式加速度传感器、光纤传感器构成。温湿度传感器型号为SHT11，光照传感器型号为ISL29004，加速度传感器型号为LIS344ALH，光纤传感器选用布里渊光纤。

结合图4，无线传感器节点和有线传感器节点采集的数据，以统一的数据包格式发送到相应的基站节点，再由基站节点传输到中心监控计算机。在中心监控计算机上利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据分析并对结构安全进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤的位置、损伤程度。系统可在异常情况下进行报警，监测人员可随时了解桥梁运行情况，达到结构安全状态监测及预警的目的。

图5是基站节点的电路原理框图；主要包括节点数据传输模块、微处理模块和网络通信模块。图6是异构传感器网络统一数据包格式图；图7是本发明用于桥梁结构安全监测的实例，图7主要是用于结构复杂监控要求高的悬索桥梁（包括斜拉桥梁亦然、斜拉杆对应着悬索、主缆进行监测）。本发明的应用是监视及时准确且符合实际运行条件的应用方式。

Claims (5)

1.桥梁和重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络，其特征是采用传感器模块安装在桥梁等重大基础设施的关键结构点上，用来监测采集关键结构点的振动、应变以及环境温湿度、光照信息；有线传感器节点安装于桥梁的主塔与钢箱梁内部的关键结构点上，用来采集主塔与钢箱梁的振动、应变片信息以及温度、湿度等环境信息，采用有线传输方式；无线传感器节点安装于桥梁的主缆与悬索的关键结构点上，用来采集主缆与悬索的振动、应变等信息以及温度、湿度等环境信息；相应的无线网络基站安装于主塔与边塔之上，无线网络基站位置处于桥梁的开放区域，无线传感器节点与无线网络基站建立直接的视距连接，可有效进行无线数据的传输。

2.根据权利要求1所述的桥梁和重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络，其特征是所述有线或无线传感器节点的传感器模块包括温湿度传感器、光照传感器以及加速度传感器、光电传感器和外置的光纤传感器；温湿度传感器和光照传感器采集环境的温湿度和光照信号，为数字式传感器，直接连接至传感器节点内部的系统总线；加速度传感器和光电传感器为模拟式传感器，通过ADC进行模数转换后接入传感器节点内部的系统总线，加速度传感器采集桥梁监测点的振动信号，光电传感器通过外置的光纤传感器采集桥梁监测点的应变信号；光纤传感器的激励信号由传感器节点系统通过数模转换DAC提供。

3.根据权利要求1或2所述的桥梁和重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络，其特征是所述异构传感器网络系统由无线与有线两种传感器节点和基站节点以及中心监控计算机并通过网络连接；两种传感器节点分别为基于Zigbee网络或3G网络的无线传感器节点和基于TCP/IP网络或光纤网络的有线传感器节点；安装位置接近的多个同种传感器节点组成一个节点群组，向同一个基站节点传输数据，无线基站节点与有线基站节点分别通过TCP/IP网络或光纤网络连接到中心监控计算机，构成异构传感器网络。

4.根据权利要求1或2所述的桥梁和重大基础设施结构安全监测及预警的异构传感器网络，其特征是所述传感器节点与基站节点的数据传输及基站节点与计算机的数据传输过程中采用统一的数据包格式，包括节点标识、传感数据类型、时间戳以及传感数据等数据域，与所采用的数据传输类型无关。

5.根据权利要求1或2所述的所述传感器节点的电源模块根据监测环境及监测时间选择电池供电、交/直流供电、太阳能供电呀风力供电中的一种或多种。

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