一種新型的高速鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

　　摘要：為了降低傳統(tǒng)鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)功耗高，擴展性差的問題，設計了基于Imote2和IRIS無線傳感器節(jié)點平臺的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。利用Imote2強大的數(shù)據(jù)處理功能和超低功耗特性，以及IRIS遠距離無線收發(fā)的特點，控制由Imote2組成的無線自組織傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集時間，實現(xiàn)超低功耗的目的，并且應用CDMA無線通信技術，完成了橋梁的遠距離監(jiān)測。實驗表明，在功耗方面比傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)降低了35%以上。

　　關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡;Imote2;IRIS;在線監(jiān)測;高速鐵路

　　引 言

　　鐵路橋梁在營運過程中不可難免會出現(xiàn)各種損傷現(xiàn)象，使得結構承受力與安全性降低。如今隨著高速鐵路在我國逐步普及，對高速鐵路橋梁健康的在線監(jiān)測提出了更為嚴格的要求。

　　高速鐵路速度快，絕大多數(shù)鐵路橋又都在野外，環(huán)境相對比較惡劣，因此，在線監(jiān)測系統(tǒng)必須做到精度高、穩(wěn)定性好，另外在惡劣的環(huán)境中，頻繁地為數(shù)量巨大的節(jié)點更換電池不現(xiàn)實也不可能， 因而節(jié)點的能源供給都是一次性電池。這樣，為了提高網(wǎng)絡的使用壽命，高效能、低成本同樣理所當然地成為節(jié)點設計的基本原則。

　　為了實現(xiàn)以上目標，通過對所用于該設計的硬件進行嚴格的挑選，最后采用了目前在國際上先進的MOTE(塵埃)技術，即Crossbow推出的Imote2和IRIS兩款無線傳感器節(jié)點平臺，組成無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)，對加速度、動振幅、撓度等參量進行在線監(jiān)測。其最大特點就是節(jié)能，即使在沒有交流電源的環(huán)境下，僅僅利用電池就可以實現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)采集與傳輸，能夠滿足對野外橋梁狀態(tài)的實時監(jiān)測需求。

　　橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

　　橋梁在線監(jiān)測，即通過對橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)測與評估，為橋梁在特殊氣候、特殊交通條件下或運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，分析評估橋梁使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護、維修與管理決策、驗證橋梁設計理論、改進橋梁設計方法和相應的規(guī)范標準提供科學的依據(jù)[1]。

　　橋梁在線監(jiān)測系統(tǒng)一般應包括以下幾部分內容[2]。

　　● 傳感系統(tǒng)。用于將待測物理量轉變?yōu)殡娦盘?，而在選擇傳感器及二次儀表的類型和數(shù)量時，應根據(jù)建立橋梁在線監(jiān)測系統(tǒng)的目的和投資規(guī)模來確定。

　　● 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。實現(xiàn)對多種信息源、不同物理信號的采集與預處理，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求對各種原始數(shù)據(jù)進行分解、變換以獲取系統(tǒng)所需要的參數(shù)，并以一定的形式存儲起來。

　　● 通信系統(tǒng)。將采集并處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

　　● 監(jiān)控中心和報警設備。利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數(shù)據(jù)進行診斷，判斷損傷的發(fā)生、位置、程度，對結構健康狀況做出評估，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報警信息。

　　基于WSN的鐵路橋監(jiān)測系統(tǒng)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送給觀察者[3]。

　　鐵路橋梁與一般橋梁的最大區(qū)別在于鐵路橋在大部分時間是沒有列車通過的，因此為了鐵路橋梁在線監(jiān)測過程中盡可能地降低功耗，在沒列車通過時，系統(tǒng)是不進行數(shù)據(jù)采集的。為此我們在鐵路橋梁兩端分別布置了一個IRIS傳感器節(jié)點平臺，當鐵路橋梁一端有列車過來時，該節(jié)點平臺發(fā)射信號給無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關節(jié)點，進而通知Imote2節(jié)點開始數(shù)據(jù)采集，當列車經(jīng)過鐵路橋梁另一端時，此處的節(jié)點平臺又發(fā)送信號給無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關節(jié)點，控制Imote2節(jié)點停止數(shù)據(jù)采集，充分達到減少能耗的目的。

　　本文設計的鐵路橋梁在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示：包括若干個Imote2傳感節(jié)點，它們被大量布散在橋梁關鍵監(jiān)測區(qū)域，它們通過無線信道相連，形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，對橋梁的撓度、應變等主要結構的受力狀態(tài)進行監(jiān)測，傳感器單元將采集到的數(shù)據(jù)傳送給Imote2的處理單元，處理單元完成數(shù)據(jù)處理和存儲后，通過無線通信技術轉發(fā)給網(wǎng)關節(jié)點， 網(wǎng)關節(jié)點可通過CDMA等方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心，并且系統(tǒng)可在異常情況下進行報警，監(jiān)測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到健康監(jiān)測的目的。