CN109121226A - 大跨度桥梁结构损伤智能监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，包括损伤监测子系统、数据存储子系统和数据分析子系统；所述损伤监测子系统包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点对大跨度桥梁各危险部位进行监测感知，汇聚节点汇聚各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据并将汇聚的数据发送至数据存储子系统；所述数据分析子系统从数据存储子系统中获取大跨度桥梁危险部位感知数据，并对大跨度桥梁危险部位感知数据进行分析和处理。

Description

大跨度桥梁结构损伤智能监测装置
技术领域
本发明涉及大跨度桥梁监测领域，具体涉及大跨度桥梁结构损伤智能监测装置。
背景技术
相关技术中，采用有线监测网络对大跨度桥梁进行监测，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，本发明提供大跨度桥梁结构损伤智能监测装置。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，包括损伤监测子系统、数据存储子系统和数据分析子系统；所述损伤监测子系统包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点对大跨度桥梁各危险部位进行监测感知，汇聚节点汇聚各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据并将汇聚的数据发送至数据存储子系统；所述数据分析子系统从数据存储子系统中获取大跨度桥梁危险部位感知数据，并对大跨度桥梁危险部位感知数据进行分析和处理。
优选地，所述大跨度桥梁危险部位感知数据包括大跨度桥梁危险部位的应力数据、加速度数据、位移数据。
优选地，所述数据分析子系统包括处理器和显示器，该处理器将收到的大跨度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，并由显示器进行比较结果显示。
本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术实现了大跨度桥梁结构的安全监测，并通过数据分析子系统对采集的数据进行处理，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本发明一个示例性实施例的大跨度桥梁结构损伤智能监测装置的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的数据分析子系统的框图示意图。
附图标记：
损伤监测子系统1、数据存储子系统2、数据分析子系统3、处理器10、显示器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，本实施例提供了大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，包括损伤监测子系统1、数据存储子系统2和数据分析子系统3；所述损伤监测子系统1包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点对大跨度桥梁各危险部位进行监测感知，汇聚节点汇聚各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据并将汇聚的数据发送至数据存储子系统2；所述数据分析子系统3从数据存储子系统2中获取大跨度桥梁危险部位感知数据，并对大跨度桥梁危险部位感知数据进行分析和处理。
其中，所述大跨度桥梁危险部位感知数据包括大跨度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大跨度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，数据分析子系统3包括处理器10和显示器20，该处理器10将收到的大跨度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，并由显示器20进行比较结果显示，从而实现大跨度桥梁结构的安全监测。
可选地，该数据分析子系统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大跨度桥梁结构的安全监测，并通过数据分析子系统对采集的数据进行处理，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，网络初始化时，传感器节点接收汇聚节点的广播信息，通过广播信息进行网络泛洪，传感器节点添加所有邻居节点到自身的邻居表，其中邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点；
在大跨度桥梁危险部位感知数据传输阶段，传感器节点与汇聚节点的距离为单跳距离时，直接将采集的大跨度桥梁危险部位感知数据发送至汇聚节点，传感器节点与汇聚节点的距离不为单跳距离时，传感器节点通过多跳的形式将采集的大跨度桥梁危险部位感知数据发送至汇聚节点。
在一种实施方式中，与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点确定下一跳节点时，具体执行：
(1)传感器节点接收到汇聚节点定期发送的下一跳节点确认消息后，计算等待时间：
式中，Hi为传感器节点i计算的等待时间，i＝1，...，N，N为网络内传感器节点的数量，Hmin和Hmax是两个提前设定的时间参数，分别为最小等待时间、最大等待时间，Vi、Vio分别为传感器节点i的剩余能量、初始能量，L(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，Si为传感器节点i的通信距离；q1、q2为设定的权重系数，满足0＜q1＜q2≤1且q1+q2＝1；
(2)任意传感器节点i等待Hi后，向通信范围内的其他传感器节点发送竞选消息；
(3)与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点将接收到的第一个竞选消息所对应的邻居节点作为下一跳节点。
本实施例提出了一种新的路由协议，与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点根据该路由协议选择下一跳节点，以将采集的大跨度桥梁危险部位感知数据发送至该下一跳节点，其中通过等待时间的设计，能够将邻居节点的等待时间控制在一个合理的范围内，并且能够使得剩余能量较多且距离汇聚节点较近的邻居节点具有较短的等待时间，从而具有更大的概率充当传感器节点的下一跳节点，以提高大跨度桥梁危险部位感知数据多跳转发的可靠性。本实施例通过由邻居节点自行计算等待时间，使得传感器节点之间省略了位置、能量信息、通信半径的信息交互，提高了确定下一跳节点的效率，节省了传感器节点的能量。
其中，各传感器节点再一次接收到汇聚节点发送的下一跳节点确认消息时，与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点将重新确定下一跳节点。通过下一跳节点的定期选择，有利于均衡各传感器节点的能量消耗，延长无线传感器网络的生命周期。
在一个实施例中，下一跳节点根据当前剩余能量确定是否向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，接收到该反馈消息的上一跳传感器节点，临时在邻居表中选择当前剩余能量的最大的邻居节点作为下一跳节点。
在一种实施方式中，下一跳节点根据当前剩余能量确定是否向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，包括：下一跳节点定期根据当前剩余能量计算其通信距离阈值，当计算的通信距离阈值小于其与上一跳传感器节点的距离时，下一跳节点向上一跳传感器节点发送反馈消息，
其中，设定通信距离阈值的计算公式为：
式中，Si(t)为传感器节点i的下一跳节点j在第t个周期计算的通信距离阈值，为传感器节点i可调节的最大通信距离，为传感器节点i可调节的最小通信距离，Vi为传感器节点i的当前剩余能量，Vi0为传感器节点i的初始能量，d为预设的调节因子，d的取值范围为[0.9，0.95]。
本实施例中下一跳节点定期根据当前剩余能量计算其通信距离阈值，当计算的通信距离阈值小于其与上一跳传感器节点的距离时，下一跳节点向上一跳传感器节点发送反馈信息，以使上一跳传感器节点重新选择下一跳节点，其中根据下一跳节点的当前剩余能量设定了通信距离阈值的设定公式。本实施例通过让能量较低的下一跳节点避免继续承担中继转发的任务，有利于降低下一跳节点消耗能量的速率，避免下一跳节点快速失效，有效延长了下一跳节点的工作周期。
在一种实施方式中，下一跳节点根据当前剩余能量确定是否向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，包括：当下一跳节点的当前剩余能量满足预警条件时，下一跳节点向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，
其中所述预警条件为：
式中，Vij为传感器节点i的下一跳节点j的当前剩余能量，Vjk0为下一跳节点j的第k个邻居节点的当前剩余能量，nj为下一跳节点j的邻居节点数量，Vmin为预设的能量下限值。
本实施例创新性地设定了基于预警条件的自发暂停中继任务的机制，该机制使得下一跳节点在其当前剩余能量满足预警条件时向其对应的上一跳传感器节点即时发送反馈消息，进而上一跳传感器节点基于该反馈消息临时重新选择当前剩余能量的最大的邻居节点作为下一跳节点。本实施例能够避免承担中继任务的下一跳节点因能量的缩减快速失效，有利于进一步提高大跨度桥梁危险部位感知数据传输至汇聚节点的可靠性。
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 (6)

1.大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，其特征是，包括损伤监测子系统、数据存储子系统和数据分析子系统；所述损伤监测子系统包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点对大跨度桥梁各危险部位进行监测感知，汇聚节点汇聚各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据并将汇聚的数据发送至数据存储子系统；所述数据分析子系统从数据存储子系统中获取大跨度桥梁危险部位感知数据，并对大跨度桥梁危险部位感知数据进行分析和处理。
2.根据权利要求1所述的大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，其特征是，所述大跨度桥梁危险部位感知数据包括大跨度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所述的大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，其特征是，所述数据分析子系统包括处理器和显示器，该处理器将收到的大跨度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，并由显示器进行比较结果显示。
4.根据权利要求1所述的大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，其特征是，网络初始化时，传感器节点接收汇聚节点的广播信息，通过广播信息进行网络泛洪，传感器节点添加所有邻居节点到自身的邻居表，其中邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点；
在大跨度桥梁危险部位感知数据传输阶段，传感器节点与汇聚节点的距离为单跳距离时，直接将采集的大跨度桥梁危险部位感知数据发送至汇聚节点，传感器节点与汇聚节点的距离不为单跳距离时，传感器节点通过多跳的形式将采集的大跨度桥梁危险部位感知数据发送至汇聚节点。
5.根据权利要求4所述的大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，其特征是，与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点确定下一跳节点时，具体执行：
(1)传感器节点接收到汇聚节点定期发送的下一跳节点确认消息后，计算等待时间：
式中，Hi为传感器节点i计算的等待时间，i＝1,…,N，N为网络内传感器节点的数量，Hmin和Hmax是两个提前设定的时间参数，分别为最小等待时间、最大等待时间，Vi、Vio分别为传感器节点i的剩余能量、初始能量，L(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，Si为传感器节点i的通信距离；q1、q2为设定的权重系数，满足0＜q1＜q2≤1且q1+q2＝1；
(2)任意传感器节点i等待Hi后，向通信范围内的其他传感器节点发送竞选消息；
(3)与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点将接收到的第一个竞选消息所对应的邻居节点作为下一跳节点。
6.根据权利要求5所述的大跨度桥梁结构损伤智能监测装置，其特征是，下一跳节点根据当前剩余能量确定是否向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，接收到该反馈消息的上一跳传感器节点，临时在邻居表中选择当前剩余能量的最大的邻居节点作为下一跳节点。
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