CN107911803A - 一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，包括基于无线传感器网络的桥梁监测装置、基站设备和桥梁监测中心；所述基于无线传感器网络的桥梁监测装置包括多个传感器节点，传感器节点对桥梁各危险部位进行监测感知，并将获得的桥梁危险部位感知数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各传感器节点发送的桥梁危险部位感知数据，进行处理后转发至桥梁监测中心；桥梁监测中心用于对基站设备发送的桥梁危险部位感知数据进行分析和处理，并输出监测结果。本发明利用无线传感器网络技术实现了桥梁的无线监测，系统结构简单，监测精度较高，且可有效地节省人力物力。

Description

一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统
技术领域
本发明涉及桥梁监测领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统。
背景技术
相关技术中，采用有线监测网络对桥梁进行监测，而有线监测网络一方面需要布设大量的电力和通信线缆，成本较高，布设难度大，需要浪费较多的人力物力。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，包括基于无线传感器网络的桥梁监测装置、基站设备和桥梁监测中心；所述基于无线传感器网络的桥梁监测装置包括多个传感器节点，传感器节点对桥梁各危险部位进行监测感知，并将获得的桥梁危险部位感知数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各传感器节点发送的桥梁危险部位感知数据，进行处理后转发至桥梁监测中心；桥梁监测中心用于对基站设备发送的桥梁危险部位感知数据进行分析和处理，并输出监测结果。
优选地，所述桥梁危险部位感知数据包括桥梁危险部位的应力数据、加速度数据、位移数据。
优选地，所述桥梁监测中心包括数据分析模块和显示模块，该数据分析模块将收到的桥梁危险部位感知数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示模块进行比较结果显示。
本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术实现了桥梁的无线监测，系统结构简单，监测精度较高，且可有效地节省人力物力。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明一个实施例的结构示意框图；
图2是本发明一个实施例的桥梁监测中心的框图示意图。
附图标记：
基于无线传感器网络的桥梁监测装置1、基站设备2、桥梁监测中心3、数据分析模块10、显示模块20。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例提供的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，包括基于无线传感器网络的桥梁监测装置1、基站设备2和桥梁监测中心3；所述基于无线传感器网络的桥梁监测装置1包括多个传感器节点，传感器节点对桥梁各危险部位进行监测感知，并将获得的桥梁危险部位感知数据发送至基站设备2；所述基站设备2汇聚各传感器节点发送的桥梁危险部位感知数据，进行处理后转发至桥梁监测中心3；桥梁监测中心3用于对基站设备2发送的桥梁危险部位感知数据进行分析和处理，并输出监测结果。
其中，所述桥梁危险部位感知数据包括桥梁危险部位的应力数据、加速度数据、位移数据。传感器节点包括用于对桥梁危险部位进行探测的传感器，其中传感器包括应力传感器、加速度传感器、位移传感器。
在一个实施例中，如图2所示，桥梁监测中心3包括数据分析模块10和显示模块20，该数据分析模块10将收到的桥梁危险部位感知数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示模块20进行比较结果显示。可选地，该桥梁监测中心3为计算机或云服务器。
本发明上述实施例利用无线传感器网络技术实现了桥梁的无线监测，避免了布线，系统结构简单，监测精度较高，且可有效地节省人力物力。
在一个实施例中，各传感器节点的感知半径相等，各传感器节点皆部署于设定的桥梁监测区域内，为实现对桥梁监测区域的全面监测，设Nmin表示传感器节点的最小部署个数，按照下列公式计算Nmin：
式中，Q表示所述设定的桥梁监测区域的面积，Sα为预部署的传感器节点间的最小距离，Sβ为预部署的传感器节点到桥梁监测区域边界的最小距离，K表示预设的传感器节点覆盖率，为传感器节点的感知半径，Q与同单位，a为预设的余量因子，a的取值范围为[0.1,0.2]；
式中，f(·)为预设的取值函数，当时，当时，int[·]为取整函数。
进行传感器节点的实际部署前，应根据监测的实际需要进行传感器节点的预部署方案制定，以确定传感器节点的预部署位置，从中找到距离桥梁监测区域边界最近的传感器节点，以该传感器节点到桥梁监测区域边界的距离作为Sβ，并从中确定相距最近的两个传感器节点，以该两个传感器节点间的距离作为Sα。例如，根据桥梁监测的实际需要确定桥梁危险部位的个数，进行传感器节点的预部署方案制定时，由于每个桥梁危险部位上至少应该设置一个传感器节点，因此可以在传感器节点的预部署方案制定的传感器节点数目等于桥梁危险部位的个数，或者为桥梁危险部位的个数的数倍。本实施例对此不作限定。
计算传感器节点的最小部署数目时，可根据实际情况设定传感器节点覆盖率K的取值。在一个实施例中，为实现对桥梁监测区域的全面监测，预设传感器节点覆盖率K的取值应不小于80％。实际上，传感器节点覆盖率K的取值越大，传感器节点的部署数量就更多，但是由于传感器节点的增加，会导致能耗的提高，为最优化传感器节点的部署数量，本实施例中传感器节点覆盖率K的取值上限设为95％。
计算出传感器节点的最小部署数目后，若预部署方案中的传感器节点数目小于该最小部署数目，则在实际部署传感器节点时，在预部署方案的基础上继续增加部署传感器节点，使得实际部署的传感器节点数目大于或者等于最小部署数目。若预部署方案中的传感器节点数目不小于该最小部署数目，则在实际部署传感器节点时根据预部署方案进行传感器节点部署。例如，计算出最小部署数目为30个传感器节点时，若预部署方案中的传感器节点数目为25个传感器节点，则应该继续增加至少5个传感器节点，若预部署方案中的传感器节点数目为35个传感器节点，则在桥梁监测区域内部署35个传感器节点。
本实施例根据预部署方案的实际情况以及需要满足的传感器节点覆盖率来计算传感器节点的最小部署数目，并相应提出了传感器节点的最小部署数目的计算公式，为传感器节点的科学部署提供了数据支持；
本实施例在桥梁监测区域内实际部署传感器节点时，设置传感器节点不小于计算的最小部署数目，能够实现对桥梁监测区域的全面监测，有利于提高桥梁监测的工作效率。
在另一个实施例中，还设置传感器节点的部署数目上限，若预部署方案中的传感器节点数目超过该部署数目上限，应该根据实际情况筛除多余的传感器节点。作为优选，设置传感器节点的部署数目上限为计算出的传感器及节点的最小部署数目的1.2倍。通过传感器节点的部署数目上限的设置，有利于保证一定网络覆盖度的前提下控制桥梁危险部位感知数据采集的能耗。
在一个实施例中，所述的在预部署方案的基础上继续增加部署传感器节点，具体包括：
(1)设预部署方案制定的要部署的传感器节点个数为Ng，计算预部署方案中各传感器节点的冗余覆盖率：
其中
式中，Wi表示预部署方案中第i个传感器节点的冗余覆盖率，Hi∩d为传感器节点i与其第j个邻居节点的相交感知区域面积，mi为传感器节点i的邻居节点个数，其中邻居节点是位于传感器节点i通信范围内的其他传感器节点，Hi为传感器节点i的感知区域面积，Bi为传感器节点i的感知半径，Sid为传感器节点i与其邻居节点d之间的距离，cos-1为反余弦函数；
(2)根据冗余覆盖率由小到大的顺序对预部署方案中的各传感器节点进行相应排序，选择前η个传感器节点作为部署参考节点，并在各部署参考节点的通信范围内增加部署传感器节点。
对于预部署方案制定的要部署的传感器节点，本实施例将其中冗余覆盖率较小的传感器节点作为部署参考节点，并在各部署参考节点的通信范围内增加部署传感器节点，有利于提高部署参考节点的冗余覆盖率，使得传感器节点的分布更加均匀，有利于提高无线传感器网络的覆盖质量，降低桥梁危险部位感知数据采集的能耗，延长桥梁监测的工作周期。
在一个实施例中，设Nλ为在第λ个部署参考节点中应该增加部署的传感器节点个数，按照下列公式计算Nλ：
式中，Wλ表示第λ个部署参考节点的冗余覆盖率，Wμ表示第μ个部署参考节点的冗余覆盖率；
式中，int{·}为取整函数，表示对 的计算结果进行取整；
式中，y[·]为设定的取值函数，当时， 当时，
本实施例提出了在部署参考节点中应该增加部署的传感器节点个数的计算公式，该计算公式根据各部署参考节点的冗余覆盖率的相对比例确定相应的应该增加部署的传感器节点个数，为传感器节点的部署工作提供了科学依据；
本实施例一方面保证了实际部署的传感器节点个数能够趋近于上述的传感器节点的最小部署数目，确保实现对桥梁监测区域的全面监测；
本实施例另一方面使得传感器节点的分布更加均匀，有利于平衡各传感器节点的负载，降低桥梁危险部位感知数据采集的能耗，从而节省桥梁监测的通信成本。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征是，包括基于无线传感器网络的桥梁监测装置、基站设备和桥梁监测中心；所述基于无线传感器网络的桥梁监测装置包括多个传感器节点，传感器节点对桥梁各危险部位进行监测感知，并将获得的桥梁危险部位感知数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各传感器节点发送的桥梁危险部位感知数据，进行处理后转发至桥梁监测中心；桥梁监测中心用于对基站设备发送的桥梁危险部位感知数据进行分析和处理，并输出监测结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征是，所述桥梁危险部位感知数据包括桥梁危险部位的应力数据、加速度数据、位移数据。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征是，所述桥梁监测中心包括数据分析模块和显示模块，该数据分析模块将收到的桥梁危险部位感知数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示模块进行比较结果显示。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征是，各传感器节点的感知半径相等，各传感器节点皆部署于设定的桥梁监测区域内，设Nmin表示传感器节点的最小部署个数，按照下列公式计算Nmin：
<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>int</mi> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>Q</mi> <mi>K</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mi>Q</mi> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msup> <msub> <mi>B</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <msub> <mi>&amp;pi;B</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mrow>
式中，Q表示所述设定的桥梁监测区域的面积，Sα为预部署的传感器节点间的最小距离，Sβ为预部署的传感器节点到桥梁监测区域边界的最小距离，K表示预设的传感器节点覆盖率，为传感器节点的感知半径，Q与同单位，a为预设的余量因子，a的取值范围为[0.1,0.2]；
式中，f(·)为预设的取值函数，当时，当时，为取整函数。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统，其特征是，传感器节点覆盖率K的取值不小于80％。
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