CN105959367A - 用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统 - Google Patents

Abstract

一种用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，包括多个振动节点、应力应变节点、位移节点和智能桥梁节点，多个振动节点、应力应变节点和位移节点分别安装在桥跨结构、支座、桥台或桥墩表面，监测桥梁结构体的振动信息，应力应变及温度信息和位移信息，各自以链状拓扑结构实现信息传递和交互，通过无线通信把振动、应力应变、温度和位移信息传送给智能桥梁节点；智能桥梁节点无线接收振动节点、应力应变节点和位移节点传输的信息，实现信息的交互，并将振动、应力应变、温度和位移信息传送给桥梁监测信息服务中心。本发明实现与智能桥梁节点的信息交互，实现桥梁位移长期监测，并提高了无线通信系统的鲁棒性。

Description

用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统

技术领域

本发明涉及一种用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统。

背景技术

近年来在全国范围内的城市化建设浪潮中，桥梁建设事业得到了前所未有的发展，众多造型独特、科技含量高的大型、特大型桥梁及险道相继建成，成为公路交通中重要的组成元素。然而，频发的桥梁事故除了造成巨大的社会和经济损失，更让人们付出了血淋淋的代价。专家指出，除却设计缺陷，交通超载、环境恶化是引起桥隧结构退化的主要因素，并且这种退化会由于高频率的维修和承载能力的减少而显著加剧。

对于桥梁的健康检测最初的检测手段比较落后，一般靠肉眼观察，受人为因素影响较大。后来为了检测桥梁内部的病害，采用了钻孔的方法，这种方法虽然较直观，但检测速度慢，同时难免会破坏桥梁的主体结构，从而影响桥隧的寿命，此外这种方法难以全面反映桥梁的整体及各部位质量。

对于使用寿命长达几十年，甚至上百年的桥梁工程结构而言，实现结构长期安全监控对感应器性能的长期稳定性、耐久性以及信号传输提出了苛刻的要求。因此，桥梁结构长期安全监控问题较早已经受到学术界的重视，但直到上世纪九十年代光纤光栅等智能传感技术，以及近些年来发展的无线传感及射频识别技术取得突破性进展后，传感技术才逐渐进入工程应用阶段。基于无线传感技术的桥梁智能监测系统在一定程度上可以缓解大规模桥梁安全检测过程中的人工劳动，为桥梁病害及其预警提供数据支持。

随着计算机技术、传感器技术、信号处理技术和数据传输技术等的迅速发展，人们开始着手研究能够自动的、实时且准确的监测桥梁健康状况的系统。桥梁健康监测技术越来越趋于自动化、网络化和实时化。其中，可靠、安全、便捷的无线通信技术作为桥梁智能健康监测系统的基础，是该系统主要研究的核心技术之一，通过高效的无线通信技术来实现监测系统中信息的双向实时交互，从而实现桥梁智能健康监测系统的高度融合一体化。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，通过高效的无线通信技术来实现监测系统中信息的双向实时交互，实现桥梁智能健康监测系统的高度融合一体化，从而实现桥梁结构长期安全监控。

本发明的所采用的技术为：一种用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，包括多个振动节点、应力应变节点、位移节点和智能桥梁节点，多个振动节点、应力应变节点和位移节点安装在桥跨结构、支座、桥台或桥墩表面，检测桥梁结构体的振动信息，包括桥梁结构体的振幅、波型、频率或周期、阻尼以及动载情况下的最大振幅及冲击系数等信息；应力应变及温度信息，包括桥梁结构体的荷载分配系数、次应力的传递、应力集中状态、桥面应力分布及其与主梁的共同作用情况以及结构体外部温度等信息；位移信息，包括桥梁结构体的挠度、横向位移、纵向位移、水平位移以及混凝土裂纹的变化等信息，多个振动节点、应力应变节点和位移节点各自以链状拓扑结构实现信息传递和交互，通过无线通信把振动、应力应变、温度和位移信息传送给智能桥梁节点；智能桥梁节点安装在桥面边缘，无线接收振动节点、应力应变节点和位移节点传输的信息，实现信息的交互，并将振动、应力应变、温度和位移信息传送给桥梁监测信息服务中心。

本发明还具有如下技术特征：

1、该系统以振动节点、应力应变节点、位移节点作为核心节点，节点各自以链状拓扑结构进行数据传输，实现与智能桥梁节点的信息交互。

2、所述的振动节点、应力应变节点、位移节点和智能桥梁节点都可与外界实现无线通讯交互，即既可向外界无线传送信息，也可接收外界无线传送的信息。

本发明具有以下技术特征：

1)本发明以振动节点、应力应变节点、位移节点作为核心节点，节点各自以链状拓扑结构布局，接力传输信息，实现与智能桥梁节点的信息交互，实现桥梁位移长期监测。

2)本发明的振动节点、应力应变节点、位移节点安装位置多样化，可安装在桥跨结构、支座、桥台或桥墩表面，能够检测到不同桥梁结构体的振动信息，包括桥梁结构体的振幅、波型、频率或周期、阻尼以及动载情况下的最大振幅及冲击系数等信息；应力应变及温度信息，包括桥梁结构体的荷载分配系数、次应力的传递、应力集中状态、桥面应力分布及其与主梁的共同作用情况以及结构体外部温度等信息；位移信息，包括桥梁结构体的挠度、横向位移、纵向位移、水平位移以及混凝土裂纹的变化等信息，获取信息丰富，并提高了无线通信系统的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的通信系统图。

图2是本发明的具体实施例1图。

图3是本发明的具体实施例2图。

图4是本发明的具体实施例3图。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步解释：

实施例1

如图1所示，一种用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，包括多个振动节点1、应力应变节2点、位移节点3和智能桥梁节点4，多个振动节点1、应力应变节点2和位移节点3分别安装在桥跨结构、支座、桥台或桥墩表面，监测桥梁结构体的振动信息，包括桥梁结构体的振幅、波型、频率或周期、阻尼以及动载情况下的最大振幅及冲击系数信息；应力应变及温度信息，包括桥梁结构体的荷载分配系数、次应力的传递、应力集中状态、桥面应力分布及其与主梁的共同作用情况以及结构体外部温度信息；位移信息，包括桥梁结构体的挠度、横向位移、纵向位移、水平位移以及混凝土裂纹的变化信息，多个振动节点、应力应变节点和位移节点各自以链状拓扑结构实现信息传递和交互，通过无线通信把振动、应力应变、温度和位移信息传送给智能桥梁节点；智能桥梁节点安装在桥面边缘，无线接收振动节点、应力应变节点和位移节点传输的信息，实现信息的交互，并将振动、应力应变、温度和位移信息传送给桥梁监测信息服务中心。该系统以振动节点、应力应变节点、位移节点作为核心节点，节点各自以链状拓扑结构进行数据传输，实现与智能桥梁节点的信息交互。所述的振动节点1、应力应变节点2、位移节点3和智能桥梁节点4都与外界实现无线通讯交互，即既能够向外界无线传送信息，也能够接收外界无线传送的信息。

振动节点为一种太阳能供电无线振动传感通讯装置，集成先进微传感技术、微功耗处理器技术、低功耗无线通讯技术、高效率太阳能收集和管理技术，包括能量收集单元、能量贮存单元、能量管理单元、振动传感单元、低功耗无线通讯与控制单元。可检测到桥梁结构体的振动信息，包括桥梁结构体的振幅、波型、频率或周期、阻尼以及动载情况下的最大振幅及冲击系数等信息，并与外界实现无线通讯交互，即既可向外界无线传送振动信息，也可接受外界无线传送的振动信息。

应力应变节点为一种太阳能供电无线应力应变传感通讯装置，集成先进微传感技术、微功耗处理器技术、低功耗无线通讯技术、高效率太阳能收集和管理技术，包括能量收集单元、能量贮存单元、能量管理单元、应力应变传感单元、低功耗无线通讯与控制单元。可检测到桥梁结构体的应力应变及温度信息，包括桥梁结构体的荷载分配系数、次应力的传递、应力集中状态、桥面应力分布及其与主梁的共同作用情况以及结构体外部温度等信息，并与外界实现无线通讯交互，即既可向外界无线传送应力应变信息，也可接收外界无线传送的应力应变信息。

位移节点为一种太阳能供电无线位移传感通讯装置，集成先进微传感技术、微功耗处理器技术、低功耗无线通讯技术、高效率太阳能收集和管理技术，包括能量收集单元、能量贮存单元、能量管理单元、位移传感单元、低功耗无线通讯与控制单元。可检测到桥梁结构体的位移信息，包括桥梁结构体的挠度、横向位移、纵向位移、水平位移以及混凝土裂纹的变化等信息，并与外界实现无线通讯交互，即既可向外界无线传送位移信息，也可接收外界无线传送的位移信息。

智能桥梁节点为一种太阳能供电无线通讯装置，集成微功耗处理器技术、低功耗无线通讯技术、高效率太阳能收集和管理技术，包括能量收集单元、能量贮存单元、能量管理单元、低功耗无线通讯与控制单元，可与外界实现无线通讯交互，即既可向外界无线传送信息，也可接收外界无线传送的信息。

实施例2

如图2所示，所述的用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，包括若干振动节点1、应力应变节点2、位移节点3和智能桥梁节点4。振动节点1为一种低功耗无线振动传感通讯装置，安装在桥台表面，检测桥台的振动信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过BLE无线通信技术把振动信息，包括振幅、波型、频率或周期、阻尼以及动载情况下的最大振幅及冲击系数等信息，传送给智能桥梁节点2；应力应变节点2为一种低功耗无线应力应变传感通讯装置，安装在桥台表面，检测桥台的应力应变及温度信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过BLE无线通信技术把应力应变及温度信息，包括荷载分配系数、次应力的传递、应力集中状态、以及结构体外部温度等信息，传送给智能桥梁节点2；位移节点3为一种低功耗无线位移传感通讯装置，安装在桥台表面，检测桥台的位移信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过BLE无线通信技术把位移信息，包括挠度、横向位移、纵向位移、水平位移以及混凝土裂纹的变化等信息，传送给智能桥梁节点2；智能桥梁节点2为具有BLE通信功能的低功耗无线通讯装置，安装在桥面边缘，可无线接收振动节点1、应力应变节点2、位移节点3各自传输的桥台的振动、应力应变、温度和位移信息，实现与各个节点的信息交互，并将振动、应力应变、温度和位移信息传送给桥梁监测信息服务中心。

实施例3

如图3所示，所述的用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，包括若干振动节点1、应力应变节点2、位移节点3和智能桥梁节点4。振动节点1为一种低功耗无线振动传感通讯装置，安装在桥墩表面，检测桥墩的振动信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过WIFI无线通信技术把振动信息，包括振幅、波型、频率或周期、阻尼以及动载情况下的最大振幅及冲击系数等信息，传送给智能桥梁节点2；应力应变节点2为一种低功耗无线应力应变传感通讯装置，安装在桥面，检测桥面的应力应变及温度信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过WIFI无线通信技术把应力应变及温度信息，包括荷载分配系数、次应力的传递、应力集中状态、桥面应力分布及其与主梁的共同作用情况以及结构体外部温度等信息，传送给智能桥梁节点2；位移节点3为一种低功耗无线位移传感通讯装置，安装在支座表面，检测支座的位移信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过WIFI无线通信技术把位移信息，包括挠度、横向位移、纵向位移、水平位移以及混凝土裂纹的变化等信息，传送给智能桥梁节点2；智能桥梁节点2为具有WIFI通信功能的低功耗无线通讯装置，安装在桥面边缘，可无线接收振动节点1、应力应变节点2、位移节点3各自传输的不同桥梁结构的振动、应力应变、温度和位移信息，实现与各个节点的信息交互，并将振动、应力应变、温度和位移信息传送给桥梁监测信息服务中心。

实施例4

如图4所示，所述的用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，包括若干振动节点1、应力应变节点2、位移节点3和智能桥梁节点4。振动节点1为一种低功耗无线振动传感通讯装置，安装在吊杆表面，检测吊杆的振动信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过Zig bee无线通信技术把振动信息，包括振幅、波型、频率或周期、阻尼以及动载情况下的最大振幅及冲击系数等信息，传送给智能桥梁节点2；应力应变节点2为一种低功耗无线应力应变传感通讯装置，安装在主梁表面，检测主梁的应力应变及温度信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过Zig bee无线通信技术把应力应变及温度信息，包括荷载分配系数、次应力的传递、应力集中状态、以及结构体外部温度等信息，传送给智能桥梁节点2；位移节点3为一种低功耗无线位移传感通讯装置，安装在桥跨结构表面，检测桥跨结构的位移信号，节点以链状拓扑结构布局，接力传输信息，通过Zig bee无线通信技术把位移信息，包括挠度、横向位移、纵向位移、水平位移以及混凝土裂纹的变化等信息，传送给智能桥梁节点2；智能桥梁节点2为具有Zig bee通信功能的低功耗无线通讯装置，安装在桥面边缘，可无线接收振动节点1、应力应变节点2、位移节点3各自传输的不同桥梁结构的振动、应力应变、温度和位移信息，实现与各个节点的信息交互，并将振动、应力应变、温度和位移信息传送给桥梁监测信息服务中心。

Claims (3)

1.一种用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，包括多个振动节点、应力应变节点、位移节点和智能桥梁节点，其特征在于，多个振动节点、应力应变节点和位移节点分别安装在桥跨结构、支座、桥台或桥墩表面，监测桥梁结构体的振动信息，包括桥梁结构体的振幅、波型、频率或周期、阻尼以及动载情况下的最大振幅及冲击系数信息；应力应变及温度信息，包括桥梁结构体的荷载分配系数、次应力的传递、应力集中状态、桥面应力分布及其与主梁的共同作用情况以及结构体外部温度信息；位移信息，包括桥梁结构体的挠度、横向位移、纵向位移、水平位移以及混凝土裂纹的变化信息，多个振动节点、应力应变节点和位移节点各自以链状拓扑结构实现信息传递和交互，通过无线通信把振动、应力应变、温度和位移信息传送给智能桥梁节点；智能桥梁节点安装在桥面边缘，无线接收振动节点、应力应变节点和位移节点传输的信息，实现信息的交互，并将振动、应力应变、温度和位移信息传送给桥梁监测信息服务中心。

2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，其特征在于，该系统以振动节点、应力应变节点、位移节点作为核心节点，节点各自以链状拓扑结构进行数据传输，实现与智能桥梁节点的信息交互。

3.根据权利要求1所述的一种用于桥梁智能健康监测系统的链状拓扑无线通信系统，其特征在于，所述的振动节点、应力应变节点、位移节点和智能桥梁节点都能够与外界实现无线通讯交互，即既能够向外界无线传送信息，也能够接收外界无线传送的信息。