CN109405882A - 大跨度桥梁健康状态监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了大跨度桥梁健康状态监测装置，包括健康监测子系统、数据存储子系统和监测终端；所述健康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；所述监测终端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

大跨度桥梁健康状态监测装置
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健康状态监测装置。
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健康状态监测装置。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了大跨度桥梁健康状态监测装置，包括健康监测子系统、数据存储子系统和监测终端；所述健康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；所述监测终端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，所述监测终端包括数据处理模块和结果显示模块，该数据处理模块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，并由结果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大跨度桥梁结构的安全监测，并通过监测终端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健康状态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监测终端的框图示意图。
附图标记：
健康监测子系统1、数据存储子系统2、监测终端3、数据处理模块10、结果显示模块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，本实施例提供了大跨度桥梁健康状态监测装置，包括健康监测子系统1、数据存储子系统2和监测终端3；所述健康监测子系统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；所述监测终端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，监测终端3包括数据处理模块10和结果显示模块20，该数据处理模块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，并由结果显示模块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。
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，并通过监测终端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，传感器节点可在[Hmin,Hmax]的范围内调节自身的通信距离，初始时，各传感器节点调节自身的通信距离为Hmax，其中Hmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Hmax为传感器节点可调节的最大通信距离；
传感器节点在初始时确定将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式，并根据所述传输方式将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点，具体为：
(1)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距离范围内的其他传感器节点；
(2)传感器节点判断自身是否满足直接传输数据条件，若满足，传感器节点直接将采集的大跨度桥梁危险部位数据发送至汇聚节点，若不满足直接传输数据条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的大跨度桥梁危险部位数据发送至下一跳节点；所述的直接传输数据条件为：
式中，D(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，为与传感器节点i距离最近的邻居节点，为与传感器节点i距离次近的邻居节点，为所述最近的邻居节点到汇聚节点的距离，为所述次近的邻居节点到汇聚节点的距离， 为判断取值函数，当时， 当时，
本实施例中，传感器节点基于通信距离确定邻居表，并在初始时确定将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式，以根据所述传输方式将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点。在确定传输方式时，本实施例创造性地设定了直接传输数据条件，根据该直接传输数据条件可知，当传感器节点的通信距离小于其到汇聚节点的距离，且相对于其邻居节点距离汇聚节点更近时，与汇聚节点直接通信，选择直接发送的形式将大跨度桥梁危险部位数据直接传输至汇聚节点，否则与汇聚节点间接通信，按照多跳转发的形式转发大跨度桥梁危险部位数据。本实施例按照传感器节点的实际位置情况确定路由方式，保障了路由的灵活性，有利于提高大跨度桥梁危险部位数据发送至汇聚节点的可靠性，降低丢包率，且能够尽可能地减少传感器节点发送大跨度桥梁危险部位数据的能耗。
在一个实施例中，初始时，汇聚节点收集各传感器节点的初始能量信息，并根据初始能量信息计算网络平均能量；各传感器节点确定将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式后，按照确定的传输方式建立其到汇聚节点的路由路径，与汇聚节点直接通信的传感器节点接收由汇聚节点发送的网络平均能量信息；
与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期，周期性地根据自身的当前剩余能量和网络平均能量信息，定期更新自己的通信距离，并根据更新后的通信距离更新自己的邻居表，以及重新确定将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式，所述通信距离的更新方式为：
中，Hj(t)为与汇聚节点直接通信的传感器节点j在第t个周期更新的通信距离，Ej0为与所述传感器节点j的初始能量，Ej(t)为所述传感器节点j在第t个周期更新通信距离时的当前剩余能量，Eavg为所述网络平均能量，Hmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Hmax为传感器节点可调节的最大通信距离，δ为基于能耗的通信距离影响因子，δ的取值范围为[0.8,0.9]。
本实施例中，与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期周期性地根据自身的当前剩余能量定期更新自己的通信距离，本实施例相应地提出了通信距离的更新公式。通过该更新公式可知，与汇聚节点直接通信的传感器节点随着能耗的增加逐渐减小自己的通信距离。通过周期性地调节通信距离的方式，本实施例能够使得与汇聚节点直接通信的传感器节点及时更新将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式，提高了路由的灵活性，有利于降低传感器节点传输大跨度桥梁危险部位数据的能耗速率，避免传感器节点因维持固定的传输方式而导致能耗快速增加，从而进一步保障无线传感器网络的稳定性，提高大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的可靠度。
在一个实施例中，传感器节点从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，具体包括：
(1)传感器节点将与其距离最近的传感器节点、与其距离次近的传感器节点作为下一跳节点的备选节点；
(2)传感器节点向其两个备选节点发送竞选消息，该两个备选节点在接收到所述竞选消息后计算等待时间：
式中，Tik表示传感器节点i的第k个备选节点计算的等待时间，Eik为所述第k个备选节点的当前剩余能量，Eiko为所述第k个备选节点的初始能量，D(k,sink)为所述第k个备选节点到汇聚节点的距离，D(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，D(i,k)为传感器节点i与该第k个备选节点的距离，Hi为传感器节点i的通信距离，T1为预设的基于能量的等待时间，T2为预设的基于距离的等待时间；λ1、λ2为设定的权重系数；
(3)备选节点按照等待时间启动计时器，计时结束后向传感器节点i发送反馈消息；
(4)传感器节点i将接收到的第一个反馈消息所对应的备选节点作为下一跳节点。
本实施例提出了下一跳节点的选择机制，基于该机制，传感器节点从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点时，将与其距离最近的传感器节点、与其距离次近的传感器节点作为下一跳节点的备选节点，向各备选节点发送竞选消息，并以收到备选节点的反馈消息的时间顺序确定下一跳节点。其中通过等待时间的设计，能够将备选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位置优势更好的备选节点具有较短的等待时间，从而使得该备选节点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数据多跳转发的可靠性。
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 (7)

1.大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，包括健康监测子系统、数据存储子系统和监测终端；所述健康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；所述监测终端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所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，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所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，所述监测终端包括数据处理模块和结果显示模块，该数据处理模块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，并由结果显示模块进行比较结果显示。
4.根据权利要求1所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，传感器节点可在[Hmin,Hmax]的范围内调节自身的通信距离，初始时，各传感器节点调节自身的通信距离为Hmax，其中Hmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Hmax为传感器节点可调节的最大通信距离；传感器节点在初始时，根据通信距离确定将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式，并根据所述传输方式将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点。
5.根据权利要求4所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，传感器节点在初始时，根据通信距离确定将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式，具体为：
(1)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距离范围内的其他传感器节点；
(2)传感器节点判断自身是否满足直接传输数据条件，若满足，传感器节点直接将采集的大跨度桥梁危险部位数据发送至汇聚节点，若不满足直接传输数据条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的大跨度桥梁危险部位数据发送至下一跳节点；所述的直接传输数据条件为：
式中，D(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，为与传感器节点i距离最近的邻居节点，为与传感器节点i距离次近的邻居节点，为所述最近的邻居节点到汇聚节点的距离，为所述次近的邻居节点到汇聚节点的距离， 为判断取值函数，当时， 当时，
6.根据权利要求4所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，初始时，汇聚节点收集各传感器节点的初始能量信息，并根据初始能量信息计算网络平均能量；各传感器节点确定将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式后，按照确定的传输方式建立其到汇聚节点的路由路径，与汇聚节点直接通信的传感器节点接收由汇聚节点发送的网络平均能量信息；与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期，周期性地根据自身的当前剩余能量和网络平均能量信息定期更新自己的通信距离，并根据更新后的通信距离更新自己的邻居表，以及重新确定将大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点的传输方式。
7.根据权利要求6所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，所述通信距离的更新方式为：
式中，Hj(t)为与汇聚节点直接通信的传感器节点j在第t个周期更新的通信距离，Ej0为与所述传感器节点j的初始能量，Ej(t)为所述传感器节点j在第t个周期更新通信距离时的当前剩余能量，Eavg为所述网络平均能量，Hmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Hmax为传感器节点可调节的最大通信距离，δ为基于能耗的通信距离影响因子，δ的取值范围为[0.8,0.9]。
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