| 标题 | 基于现场实验的无线与有线加速度系统桥梁振动监测比较研究 |
| 范文 | 蒋新花+丁华平+沈庆宏 摘 要： 以Imote2无线通信平台为核心，构建新一代无线加速度节点；将无线通信、信号预处理、数据运算以及电源管理在节点内部完成，减少无线通信数据量，降低传感器运行功耗；以润扬大桥原有有线加速度节点为测试参考对象，通过现场试验，比较研究无线加速度节点和有线加速度节点在系统构架、数据采集、数据传输、数据精确度等方面的表现，验证无线加速度节点在桥梁振动监测应用中的可行性。 关键词： Imote2； 无线加速度节点； 有线加速度节点； 现场实验； 桥梁振动监测 中图分类号： TN914.34?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0101?04 Experimental comparison study on wireless and wired acceleration systems for bridge vibration monitoring JIANG Xin?hua1， DING Hua?ping2， SHEN Qing?hong2 （1. Guangxi Communications Investment Group Co.， Ltd.， Nanning 530028， China； 2. School of Electronic Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210023， China） Abstract： The next?generation wireless acceleration node was designed with a new wireless communication platform Imote2 as the core. The amount of transmitted data and the power consumption were reduced by integrating wireless communication， signal pre?processing， data analysis and power management in the node. Taking the wired acceleration node of the original vibration monitoring system in the Run?yang Yangtze River Bridge as a reference， a field experiment was conducted to compare the system architecture， data acquisition， data transmission and data accuracy of the wrieless acceleration node with those of the wired acceleration node. The result shows that wireless acceleration node is quite promising in the bridge vibration monitoring applications. Keywords： Imote2； wireless acceleration node； wired acceleration node； field experiment； bridge vibration monitoring 0 引 言 针对大跨度桥梁结构损伤、超载和极端荷载以及设计功能缺陷等现象普遍存在，大跨度桥梁坍塌事故越演越烈，桥梁的结构健康监测越来越引起相关学者以及工程人员的关注[1?3]。到目前为止，国内外已有众多的大型桥梁安装了桥梁结构健康监测系统，比如香港的青马大桥[4?6]，其结构健康监测系统造价超过770万美元，系统集成了各类传感器，包括加速度传感器，应变传感器，位移传感器等等，平均每个传感器造价高于2.5万美元；国内的润扬大桥构建了一整套结构健康监测系统用于对主梁线形，大桥钢索索力，桥梁振动，主梁应力，以及温度等桥梁关键参数的监测[7?8]。 目前，大多数桥梁结构健康监测系统均采用有线传输的单一星型构架，这种构架普遍存在工程造价高，保养维护难，数据传输量大，数据处理复杂等一系列弊端。针对以上现象，有学者提出了将无线通信和传感器集成于一体的无线传感器节点的概念，并将其应用于桥梁结构健康监测系统[9?10]。 但是，在将无线传感器节点用于桥梁结构健康监测的研究以及应用过程中，学者以及工程人员普遍发现这种新兴的技术虽然解决了有线网络的诸多弊端，但仍然存在一系列问题[11?13]，如大部分以单片机为核心硬件，资源过少；缺乏电源管理，功耗过大，网络生命周期过短；数据传输量大，无预处理机制等等。 本文针对传统无线传感器节点存在的一系列问题，以其中的振动监测为突破点，设计了一款高性能无线加速度节点，并构建了无线加速度系统，目的在于解决传统无线传感器节点存在的诸多问题，并以现有桥梁的结构健康监测系统中的有线加速度节点为比较对象，验证无线加速度节点在桥梁振动监测领域中应用的可行性。 1 无线加速度系统 1.1 系统构架 如图1所示，系统由若干无线加速度节点群、基站以及监控中心构成。其中每个无线加速度节点群由若干无线加速度节点组成，基站由无线接收设备（不含传感器单元的无线加速度节点）以及网络转换设备组成。监控中心接收基站发过来的数据并根据结论发布预警信息。 图1 无线加速度系统构架 1.2 无线加速度节点 针对传统无线传感器节点存在的问题，通过对比研究，选取Imote2无线通信平台（如图2所示）为节点的核心硬件平台。Imote2 是由Intel公司研发的一款高性能无线传感器网络平台[14]。处理器采用的是Intel的低功耗X?scale PXA271，该处理器的主频可在13 MHz （44 mW）到416 MHz （570 mW） 动态范围内变化。电源管理单元采用的是Dialog的电源管理集成芯片DA9030，可动态管理节点的休眠、工作等状态，最大程度降低节点功耗。无线通信单元采用基于ZigBee协议的低功耗CC2420集成芯片，该芯片可工作在2.4 GHz频段，无线传输速度可达250 Kb/s。另外一个比较突出的优势是Imote2自带了32 MB FLASH 和 32 MB的SDRAM，大容量的存储设计为信号预处理提供了必备条件。 图2 Imote2顶部与底部 无线加速度节点实物如图3所示，采用堆叠式连接方式将传感器接口板、Imote2以及供电模块连接成一个整体。 无线加速度节点构成如图4所示，包括模拟系统、数字系统以及电源管理单元。模拟系统由加速度传感器、放大单元以及模/数转换单元组成。数字部分由中央处理器、信号预处理单元以及无线通信单元组成。电源管理单元一方面给模拟系统以及数字系统供电；另一方面可配合Linux[15]或者TinyOS操作系统提供动态电源管理机制，用于节省系统能耗。 图3 无线加速度节点实物图 图4 无线加速度节点构成 2 本地数据处理 无线加速度节点可提供节点内部数据处理，一方面可减少数据通信量，以便最大程度节省节点功耗；另一方面，可提供精简的数据给监测中心，确保其信息发布准确。以在节点内部完成数据滤波处理为例，设计一款低通滤波器（低通截止频率为10 Hz），其幅频响应和相频响应分别如图5，图6所示。 图5 低通滤波器幅频响应 根据滤波器的参数，得出该滤波器的冲激响应，如图7所示。利用滤波器的冲激响应，根据公式（1），得出系统滤波后的输出信号： [f（n）=x（n）*y（n）=m=-∝x（m）y（n-m）] （1） 式中：[f（n）]为滤波后的输出信号；[x（n）]为原始信号；[y（n）]为滤波器的冲激响应。 图6 低通滤波器相频响应 图7 低通滤波器冲激响应 3 实验分析 3.1 实验搭建 实验选取润扬大桥斜拉桥的钢箱梁为测试对象，为了验证无线加速度系统的性能，将无线加速度节点（包含信号调理单元）安装在原有有线加速度节点（不含信号放大、模/数转换等信号调理单元）的附近，如图8所示。有线加速度系统的信号调理单元如图9所示。 图8 实验搭建环境 3.2 数据分析 实验通过研究对比无线加速度系统与有线加速度系统性能，验证无线加速度系统的测量可靠性与准确度。无线加速度节点可测量三维加速度数据，有线加速度节点只提供垂直于桥面的加速度数据。 图9 有线加速度系统的信号调理单元 （1） 振动数据 选取无线加速度系统测量的垂直于桥面的加速度数据与原有有线加速度系统数据进行对比，两者振动数据如图10所示。 图10 振动数据对比 （2）功率谱密度 为了得出箱梁的振动模态，对测量的加速度数据进行功率谱密度分析，其结果如图11所示。 图11 功率谱密度对比 将图11局部放大，使频域集中于1.5 Hz之内，如图12所示，可以确定箱梁前5阶结构振动模态分别对应为0.273 Hz， 0.625 Hz， 0.820 Hz， 1.016 Hz， 1.328 Hz，并且两者测量的结果非常接近。 （3） 无线三维数据 相对于有线加速度节点只提供单一测量方向，无线加速度节点提供三维的加速度数据，可用于全面的桥梁振动分析，图13显示了垂直于桥面的[Z]方向振动数据，以及平行于桥面的[X]和[Y]方向振动数据。图14分别显示了三个方向的振动功率谱密度，可以看出，桥梁振动的主要能量集中于[Z]方向，[X]和[Y]振动幅度较小，振动模态没有完全激发出来。 图12 前五阶振动模态对比 图13 桥梁振动三维数据 图14 三维功率谱密度 4 结 论 通过润扬大桥钢箱梁的振动对比实验，可以看出，无线加速度系统相对于有线加速度系统，具有系统构架精简，造价低，无需铺设电缆等一系列优势；更重要的是，在数据可靠性及准确度方面，无线系统较好的与有线系统保持了一致；并且无线系统可在不增加系统开销的前提下，提供完善的数据测量。另外，无线系统在数据预处理方面也有着较为明显的优势。 参考文献 [1] 孙莉，刘钊.2000—2008年美国桥梁倒塌案例分析与启示[J].世界桥梁，2009（3）：46?49. [2] 丁华平，冯兆祥，沈庆宏，等.基于新型树状结构的无线传感器网络桥梁结构健康监测系统研究[J].南京大学学报：自然科学版，2009，45（4）：488?493. [3] 余波，邱洪兴，王浩，等.苏通大桥结构健康监测系统设计[J].地震工程与工程振动，2009，29（4）：170?177. [4] WONG K Y. Instrumentation and health monitoring of cable?supported bridges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11（2）： 91?124. [5] CHO S. Structural health monitoring of cable?stayed bridge using wireless smart sensors [D]. Daejeon， Korea： KAIST， 2004. [6] WONG K Y， NI Y Q. Modular architecture of structural health monitoring system for cable?supported bridges [J]. Encyclopedia of Structural Health Monitoring， 2009， 5： 2089?2105. [7] 李爱群，缪长青，李兆霞，等.润扬长江大桥结构健康监测系统研究[J].东南大学学报：自然科学版，2003，33（5）：544?548. [8] 丁幼亮，李爱群.润扬长江大桥结构损伤预警系统的设计与实现[J].东南大学学报：自然科学版，2008，38（4）：704?708. [9] LYNCH J P， LOH K J. A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring [J]. The Shock and Vibration Digest， 2006， 38（2）： 91?128. [10] SPENCER J， RUIZ S M， KURATA N. Smart sensing technology： opportunities and challenges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11： 349?368. [11] LYNCH J P， SUNDARARAJAN A， LAW K H， et al. Embedding damage detection algorithms in a wireless sensing unit for operational power efficiency [J]. Smart Materials & Structures， 2004， 13（4）： 800?810. [12] NAGAYAMA T， SPENCER J. Sensor development using berkeley mote platform [J]. Journal of Earthquake Engineering， 2006， 10（2）： 289?309. [13] NI Y Q， LI B， LAM K H， et al. In?construction vibration monitoring of a super?tall structure using a long?range wireless sensing system [J]. Smart Structures and Systems. 2010， 7（2）： 83?102. [14] Intel Corporation Research. Intel Mote2 Overview [R]. Santa Clara， CA ： [s.n.]， 2005. [15] DENG R L， CHEN J M， FAN J L， et al. A general approach for building Linux on sensor node Imote2 [J]. Computer Standards & Interfaces， 2012， 34： 101?108. 图13 桥梁振动三维数据 图14 三维功率谱密度 4 结 论 通过润扬大桥钢箱梁的振动对比实验，可以看出，无线加速度系统相对于有线加速度系统，具有系统构架精简，造价低，无需铺设电缆等一系列优势；更重要的是，在数据可靠性及准确度方面，无线系统较好的与有线系统保持了一致；并且无线系统可在不增加系统开销的前提下，提供完善的数据测量。另外，无线系统在数据预处理方面也有着较为明显的优势。 参考文献 [1] 孙莉，刘钊.2000—2008年美国桥梁倒塌案例分析与启示[J].世界桥梁，2009（3）：46?49. [2] 丁华平，冯兆祥，沈庆宏，等.基于新型树状结构的无线传感器网络桥梁结构健康监测系统研究[J].南京大学学报：自然科学版，2009，45（4）：488?493. [3] 余波，邱洪兴，王浩，等.苏通大桥结构健康监测系统设计[J].地震工程与工程振动，2009，29（4）：170?177. [4] WONG K Y. Instrumentation and health monitoring of cable?supported bridges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11（2）： 91?124. [5] CHO S. Structural health monitoring of cable?stayed bridge using wireless smart sensors [D]. Daejeon， Korea： KAIST， 2004. [6] WONG K Y， NI Y Q. Modular architecture of structural health monitoring system for cable?supported bridges [J]. Encyclopedia of Structural Health Monitoring， 2009， 5： 2089?2105. [7] 李爱群，缪长青，李兆霞，等.润扬长江大桥结构健康监测系统研究[J].东南大学学报：自然科学版，2003，33（5）：544?548. [8] 丁幼亮，李爱群.润扬长江大桥结构损伤预警系统的设计与实现[J].东南大学学报：自然科学版，2008，38（4）：704?708. [9] LYNCH J P， LOH K J. A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring [J]. The Shock and Vibration Digest， 2006， 38（2）： 91?128. [10] SPENCER J， RUIZ S M， KURATA N. Smart sensing technology： opportunities and challenges [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2004， 11： 349?368. [11] LYNCH J P， SUNDARARAJAN A， LAW K H， et al. Embedding damage detection algorithms in a wireless sensing unit for operational power efficiency [J]. Smart Materials & Structures， 2004， 13（4）： 800?810. [12] NAGAYAMA T， SPENCER J. Sensor development using berkeley mote platform [J]. Journal of Earthquake Engineering， 2006， 10（2）： 289?309. [13] NI Y Q， LI B， LAM K H， et al. In?construction vibration monitoring of a super?tall structure using a long?range wireless sensing system [J]. Smart Structures and Systems. 2010， 7（2）： 83?102. [14] Intel Corporation Research. Intel Mote2 Overview [R]. 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