異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò) 對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)有什么價(jià)值？

在傳感器優(yōu)化布置問(wèn)題中，模態(tài)識(shí)別與網(wǎng)絡(luò)能耗這兩個(gè)目標(biāo)之間是相互耦合的，將每個(gè)目標(biāo)以一定比例的加權(quán)方式得到目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。為了獲取該目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的最優(yōu)解，采用離散粒子群算法對(duì)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解，最終可以得到傳感器優(yōu)化后的位置。由于權(quán)重系數(shù)的不同，將會(huì)影響運(yùn)用離散粒子群對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解結(jié)果，導(dǎo)致最優(yōu)化布置方案不同。兩個(gè)目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)表示對(duì)整個(gè)異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器布置的影響程度，在面臨傳感器布置時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)識(shí)別精度比較重要時(shí)，則將模態(tài)識(shí)別的權(quán)重系數(shù)取較大值；當(dāng)異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗比較重要時(shí)，則將網(wǎng)絡(luò)能耗的權(quán)重系數(shù)取較大值。權(quán)重系數(shù)的大小取決于決策者對(duì)結(jié)構(gòu)兩個(gè)目標(biāo)的重視程度。

針對(duì)本文中的結(jié)構(gòu)模型，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布置如圖5所示，圖中紅色圓形表示基站，紅色方形表示布置在外側(cè)的加速度傳感器，黑色方形表示布置在外側(cè)的應(yīng)變傳感器，紅色三角形表示布置在內(nèi)測(cè)的加速度傳感器，黑色三角形表示布置在內(nèi)測(cè)的應(yīng)變傳感器。

桁架結(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布置

最佳分簇

異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中各類(lèi)傳感器節(jié)點(diǎn)和基站都已確定的情況下，進(jìn)一步的路由機(jī)制優(yōu)化，可使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)交镜哪芰繐p失指數(shù)降低，也有效減少了數(shù)據(jù)擁堵情況的發(fā)生，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)能耗。通過(guò)分析樹(shù)簇形無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)簇的建立階段和信息傳輸階段，在簇形成過(guò)程中建立無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)能耗與簇群個(gè)數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后利用求取函數(shù)極值的方法得到最佳分簇?cái)?shù)量。

對(duì)于一定空間區(qū)域內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，最優(yōu)簇頭數(shù)由傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)和、簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)布廣播信息的距離、簇頭到基站的距離共同決定。

工程應(yīng)用的優(yōu)良性

平湖編組站大橋位于深圳市龍崗區(qū)平湖鎮(zhèn)，為分離式跨越平南鐵路平湖編組站，主橋?yàn)樗目邕B續(xù)PC箱梁橋，如圖6所示。該橋已服役20年，歷經(jīng)兩次加固維修，擬布置無(wú)線(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握橋梁整體振動(dòng)特性及局部應(yīng)力應(yīng)變情況。

首先利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真建模，其建模主要是對(duì)主橋上部承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)基頻和結(jié)構(gòu)振型等模態(tài)；然后運(yùn)用基于模態(tài)識(shí)別和網(wǎng)絡(luò)能耗的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，結(jié)合離散粒子群算法，對(duì)該目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得到異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置方案；最后在確定兩類(lèi)無(wú)線(xiàn)傳感器的個(gè)數(shù)和位置后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)分簇形式進(jìn)行優(yōu)化。利用最佳簇頭數(shù)的表達(dá)式，得到最優(yōu)的簇群數(shù)。經(jīng)過(guò)合理的分簇與未分簇的方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，即使分簇方案下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑即數(shù)據(jù)傳輸路徑，比未分簇下增大28.3%，能耗反而減少了33.3%，能耗節(jié)省效果明顯。

應(yīng)用課題技術(shù)研發(fā)組在深圳市大鵬半島某邊坡建立了降雨型滑坡預(yù)警體系。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)搭建，其基本組成主要包含傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三個(gè)部分，具體可總結(jié)為八個(gè)測(cè)點(diǎn)、五個(gè)節(jié)點(diǎn)、一個(gè)基站和一臺(tái)服務(wù)器。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體工作原理如圖7所示。基本過(guò)程為：傳感器采集物理數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸?shù)綔y(cè)點(diǎn)旁的傳感器節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)基站，隨后基站通過(guò)3G移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，最后在遠(yuǎn)程校園內(nèi)的服務(wù)器上即可聯(lián)網(wǎng)登錄客戶(hù)端，獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理分析、消息發(fā)送等后續(xù)工作。依據(jù)長(zhǎng)期積累的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了基于大數(shù)據(jù)分析的邊坡失穩(wěn)時(shí)刻預(yù)測(cè)技術(shù)，在預(yù)測(cè)邊坡深部位移及預(yù)警方面具有優(yōu)良的表現(xiàn)。

邊坡穩(wěn)定性無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理示意圖

應(yīng)用課題技術(shù)研發(fā)組對(duì)廣東省惠州市境內(nèi)某輸電桿塔實(shí)施了傾斜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，為其安全性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。系統(tǒng)包括應(yīng)用層、信息層、數(shù)據(jù)層、物理層，可接入不同類(lèi)型傳感器，安裝方便，即插即用，安裝后可24小時(shí)監(jiān)控桿塔安全狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心服務(wù)器。自主開(kāi)發(fā)的上位機(jī)接收軟件，可實(shí)時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送的各關(guān)鍵參數(shù)并存儲(chǔ)。強(qiáng)大的專(zhuān)家分析與預(yù)警軟件，可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，運(yùn)用大數(shù)據(jù)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并及時(shí)給出預(yù)警信息。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在桿塔所屬輸電線(xiàn)路安全評(píng)估及災(zāi)害防治工作中發(fā)揮了重要作用。