專利名稱：橋梁和重大基礎設施結構安全監測及預警的異構傳感器網絡與方法
技術領域：
本發明涉及重大基礎設施結構安全狀態的監測及應急預警控制技術，具體涉及一種用于重大基礎設施結構安全監測及預警的異構傳感器網絡系統。
背景技術：
橋梁和其它重大基礎設施如隧道、大壩、高速鐵路等，在長時間的運營下會因天氣、震動、撞擊、自身老化等因素影響其本身的結構安全狀況，從而造成公共安全隱患， 事故一旦發生不僅會造成重大財產損失，更會嚴重地危害生命。因此，對重大基礎設施進行結構安全的監測并在危急狀態下提供有效預警信息是相當重要的。
對于重大基礎設施結構安全傳統人工檢測的方法，不僅周期長效率低，并且難以有效發現隱患，無法做到實時的監測評估及預警。而目前使用的結構安全監測系統多采用有線傳感器技術，布線施工較為復雜，且難以進行系統更新如添加或刪除監控節點；對于已建成的設施進行后裝尤為困難，且容易對設施造成人為的損壞，增加安全隱患。新型的無線傳感器網絡技術克服了這些困難，布設方便，更新靈活。但無線系統的使用也受到環境的限制。無線傳感器所使用的無線傳輸技術是一種視距傳輸技術，易受障礙物的阻擋，在復雜的現場環境下不易布設；無線傳感器系統的傳輸距離通常較短，不適用于大跨度基礎設施的監測。這兩種限制可以通過增加中繼節點解決，但增加了系統成本。另外，在封閉的空間以及鋼結構內，如大型橋梁的鋼箱梁內，多徑干擾會造成無線傳輸質量的下降及錯誤率的增加。
因此，針對復雜結構的重大基礎設施，不管是有線還是無線傳感器網絡技術，都存在著實際應用的缺陷，需要一種新的傳感器網絡系統及設計方法來滿足復雜結構重大基礎設施的結構安全監測。
現有技術公開的CN200810155659. 9公開了基于無線傳感器網絡的結構安全狀態應急監測及預警方法，采用傳感器模塊安裝在橋梁兩側或底部受力點或梁、柱受力支承部位的網絡，用來采集橋梁溫度、濕度、震動幅度、梁、柱的受力應變數據，以及橋梁結構變化的頻度和幅度進行數據采集，傳感器模塊通過無線通信模塊無線與匯集節點和基站節點進行收發，傳送采集并進行處理過的數據，無線收發匯集節點連接基站節點，基站節點通過網絡連接計算機；采用無線傳感器網絡實現對橋梁結構安全狀態應急監測和預警，傳感系統對數據經過處理系統分解、變換以獲取所需要的參數后通過網絡連接計算機后，利用可實現診斷功能的各種軟硬件對接收到的數據進行診斷，包括結構是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度；采用多尺度方法損傷識別方法，對加速度與應變信號同時進行分析，這種方法融合了整體結構信息(加速度)和局部結構響應(應變)。
無線傳感器網絡如下構成監測的傳感器節點每2-6個組成一個無線傳感器節點群組，每一個群組有一個匯集節點，該匯集節點完成群組內傳感器節點的數據匯集功能，且傳感器節點與且僅與群組內匯集節點進行通信，匯集節點和基站節點不接傳感器。所有群組的匯集節點，組成I個或者多個群組，直接與基站節點通信(I個群組)，或通過群組內的匯集節點與基站節點通信(多個群組)，基站節點將匯集節點的監測數據通過網絡連接計算機，送到監控中心，并且計算機系統在異常情況下進行報警，監測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到結構安全狀態應急監測及預警的目的。
結構安全狀態應急監測和預警系統采用分層結構的方法，分層結構包括數值計算函數、中間件和損傷識別算法給出橋梁結構安全狀態。發明內容
本發明的目的在于提供一種滿足橋梁等復雜結構重大基礎設施的結構安全監測系統。針對前述的有線/無線傳感網技術的問題，設計一種新型的基于異構傳感器網絡的結構安全監測系統。該系統的特點是融合多種數據傳輸方式，構成異構傳感器網絡，可針對現場環境特點靈活部署，適用于各種復雜結構的重大基礎設施結構安全監測。
本發明的目的是這樣實現的橋梁和重大基礎設施結構安全監測及預警的異構傳感器網絡，其特征是采用傳感器模塊安裝在橋梁等重大基礎設施的關鍵結構點上，用來監測采集關鍵結構點的振動、應變以及環境溫濕度、光照信息；有線傳感器節點安裝于橋梁的主塔與鋼箱梁內部的關鍵結構點上，用來采集主塔與鋼箱梁的振動、應變片信息以及溫度、 濕度等環境信息，采用有線傳輸方式；無線傳感器節點安裝于橋梁的主纜與懸索的關鍵結構點上，用來采集主纜與懸索的振動、應變等信息以及溫度、濕度等環境信息；相應的無線網絡基站安裝于主塔與邊塔之上，無線網絡基站位置處于橋梁的開放區域，無線傳感器節點與無線網絡基站建立直接的視距連接，可有效進行無線數據的傳輸。
所述有線或無線傳感器節點的傳感器模塊包括溫濕度傳感器、光照傳感器以及加速度傳感器、光電傳感器和外置的光纖傳感器；溫濕度傳感器和光照傳感器采集環境的溫濕度和光照信號，為數字式傳感器，直接連接至傳感器節點內部的系統總線；加速度傳感器和光電傳感器為模擬式傳感器，通過ADC進行模數轉換后接入傳感器節點內部的系統總線，加速度傳感器采集橋梁監測點的振動信號，光電傳感器通過外置的光纖傳感器采集橋梁監測點的應變信號；光纖傳感器的激勵信號由傳感器節點系統通過數模轉換DAC提供。
所述異構傳感器網絡系統由無線與有線兩種傳感器節點和基站節點以及中心監控計算機并通過網絡連接；兩種傳感器節點分別為基于Zigbee網絡或3G網絡的無線傳感器節點和基于TCP/IP網絡或光纖網絡的有線傳感器節點；安裝位置接近的多個同種傳感器節點組成一個節點群組，向同一個基站節點傳輸數據，無線基站節點與有線基站節點分別通過TCP/IP網絡或光纖網絡連接到中心監控計算機，構成異構傳感器網絡。
所述傳感器節點與基站節點的數據傳輸及基站節點與計算機的數據傳輸過程中采用統一的數據包格式，包括節點標識、傳感數據類型、時間戳以及傳感數據等數據域，與所采用的數據傳輸類型無關。
傳感器節點由傳感器模塊、數據采集模塊、微處理器模塊構成的數據處理和控制模塊、數據傳輸模塊和電源模塊組成。傳感器模塊用來將振動、應變以及環境溫濕度、光照等物理信號轉換為電信號；數據采集模塊用來進行外部傳感器信號的接收和轉換；數據處理和控制模塊用來進行節點設備的控制、任務調度、能量計算、功能協調等；數據傳輸模塊負責與基站進行數據通信、交換控制信息和收發采集數據；電源模塊負責為傳感器節點提供運行所需的能量。微處理模塊與數據采集模塊相連接，傳感器輸出接數據采集模塊，電源模塊分別與傳感器模塊、微處理器模塊、數據傳輸模塊相連接，微處理器模塊分別連接數據采集模塊和數據傳輸模塊。
所述數據傳輸模塊可根據需要分別配置TCP/IP傳輸模塊、光纖傳輸模塊等有線數據傳輸模塊，也可配置Zigbee傳輸模塊、3G傳輸模塊等無線數據傳輸模塊,可與相應種類的基站建立數據連接進行通信。
所述電源模塊可根據監測環境及監測時間選擇電池供電、交/直流供電及太陽能供電、風力供電中的一種或多種，以節約能源、提高系統的健壯性。
基站節點由節點數據傳輸模塊、微處理器模塊構成的數據處理和控制模塊、網絡通信模塊和電源模塊組成。節點數據傳輸模塊可根據對應的節點類型配置TCP/IP傳輸模塊、光纖傳輸模塊等有線數據傳輸模塊，也可配置Zigbee傳輸模塊、3G傳輸模塊等無線數據傳輸模塊，用來接收相應類型節點傳輸的數據及發送相應的控制信號；數據處理和控制模塊用來進行基站設備的控制、任務調度、功能協調以及數據傳輸協議轉換等；網絡傳輸模塊用于將接收到的節點數據通過TCP/IP網絡或光纖網絡發送給中心監控計算機；電源模塊負責為傳感器節點提供運行所需的能量。微處理器模塊分別連接節點數據傳輸模塊和網絡通信模塊，電源模塊分別與節點數據傳輸模塊、微處理器模塊、網絡通信模塊相連接。
本發明采用異構傳感器網絡技術實現對基礎設施結構安全監測和預警。傳感系統對基礎設施各個關鍵結構點變化的頻度和幅度進行數據采集，數據經過處理系統分解、變換以獲取所需要的參數后通過數據傳輸系統傳輸到監控中心，監控人員利用可實現診斷功能的各種軟硬件對接收到的數據進行診斷，包括結構是否受到損傷以及損傷的位置、損傷程度等。
計算機服務于異構傳感器網絡重大基礎設施結構安全監測和預警系統，用于存儲數據(數據庫)、處理數據、圖形化顯示，和警訊發布。
本發明的有益效果是采用了異構傳感器網絡，可針對現場環境特點靈活部署。在無線通信條件較好、節點布設密集的監測點，布設短距離無線傳感器，易于安裝維護；在節點布設間隔較大，短距離無線通信無法覆蓋的監測點，布設遠距離無線傳感器，節約布線工程量；在被障礙物阻擋或狹小封閉空間內、無法保證無線通信質量的監測點，布設有線傳感器節點，保證數據傳輸質量。采用與數據傳輸類型無關的數據包格式，簡化監控程序的設計。多種有線/無線數據傳輸技術融合于一體，構成異構傳感器網絡，適用于各種復雜結構重大基礎設施的結構安全監測，尤其適用于現代橋梁。本發明將傳感數據以統一的數據包格式傳輸到中心監控計算機；中心監控計算機對傳感數據進行存儲與顯示，并通過可實現診斷功能的算法對各種傳感數據進行處理、分解與變換以獲取所需的參數，對所監測的重大基礎設施結構安全狀態進行評估與預警。
圖I是本發明的系統工作流程圖；圖2是異構傳感器網絡體系結構圖；圖3是傳感模塊電路原理框圖；圖4是異構網絡傳感器節點電路原理框圖；圖5是基站節點的電路原理框圖；圖6是異構傳感器網絡統一數據包格式圖；圖7是本發明用于橋梁結構安全監測的實例。具體實施方案
下面以橋梁結構安全監測作為具體實例并結合附圖對本發明做詳細闡述，但本系統應用范圍不限于此例。
結合圖1-7，本實例由兩種傳感器節點和基站節點以及中心監控計算機組成。兩種傳感器節點分別為基于Zigbee網絡的短距離無線傳感器節點和基于光纖網絡的有線傳感器節點，并配置了兩種相應的基站節點。無線傳感器節點與無線基站節點建立數據連接，有線傳感器節點與有線基站節點建立數據連接，無線基站節點與有線基站節點分別通過光纖網絡連接到中心監控計算機。
無線傳感器節點安裝于橋梁的主纜與懸索的關鍵結構點上，用來采集主纜與懸索的振動、應變等信息以及溫度、濕度等環境信息。相應的無線網絡基站安裝于主塔與邊塔之上，這些位置處于橋梁的開放區域，無線傳感器節點與無線網絡基站可建立直接的視距連接，可有效進行無線數據的傳輸。
有線傳感器節點安裝于橋梁的主塔與鋼箱梁內部的關鍵結構點上，用來采集主塔與鋼箱梁的振動、應變等信息以及溫度、濕度等環境信息。這些位置由于處于封閉空間內， 且內部結構復雜，無線傳輸方式易受多徑干擾影響及障礙物阻礙，無法有效進行無線數據的傳輸，因此采用有線傳感器。
結合圖3，傳感模塊由數字式溫濕度傳感器、光照傳感器以及模擬式加速度傳感器、光纖傳感器構成。溫濕度傳感器型號為SHT11，光照傳感器型號為ISL29004，加速度傳感器型號為LIS344ALH，光纖傳感器選用布里淵光纖。
結合圖4，無線傳感器節點和有線傳感器節點采集的數據，以統一的數據包格式發送到相應的基站節點，再由基站節點傳輸到中心監控計算機。在中心監控計算機上利用可實現診斷功能的各種軟硬件對接收到的數據分析并對結構安全進行診斷，包括結構是否受到損傷以及損傷的位置、損傷程度。系統可在異常情況下進行報警，監測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到結構安全狀態監測及預警的目的。
圖5是基站節點的電路原理框圖；主要包括節點數據傳輸模塊、微處理模塊和網絡通信模塊。圖6是異構傳感器網絡統一數據包格式圖；圖7是本發明用于橋梁結構安全監測的實例，圖7主要是用于結構復雜監控要求高的懸索橋梁(包括斜拉橋梁亦然、斜拉桿對應著懸索、主纜進行監測)。本發明的應用是監視及時準確且符合實際運行條件的應用方式。
權利要求
1.橋梁和重大基礎設施結構安全監測及預警的異構傳感器網絡，其特征是采用傳感器模塊安裝在橋梁等重大基礎設施的關鍵結構點上，用來監測采集關鍵結構點的振動、應變以及環境溫濕度、光照信息；有線傳感器節點安裝于橋梁的主塔與鋼箱梁內部的關鍵結構點上，用來采集主塔與鋼箱梁的振動、應變片信息以及溫度、濕度等環境信息，采用有線傳輸方式；無線傳感器節點安裝于橋梁的主纜與懸索的關鍵結構點上，用來采集主纜與懸索的振動、應變等信息以及溫度、濕度等環境信息；相應的無線網絡基站安裝于主塔與邊塔之上，無線網絡基站位置處于橋梁的開放區域，無線傳感器節點與無線網絡基站建立直接的視距連接，可有效進行無線數據的傳輸。
2.根據權利要求I所述的橋梁和重大基礎設施結構安全監測及預警的異構傳感器網絡，其特征是所述有線或無線傳感器節點的傳感器模塊包括溫濕度傳感器、光照傳感器以及加速度傳感器、光電傳感器和外置的光纖傳感器；溫濕度傳感器和光照傳感器采集環境的溫濕度和光照信號，為數字式傳感器，直接連接至傳感器節點內部的系統總線；加速度傳感器和光電傳感器為模擬式傳感器，通過ADC進行模數轉換后接入傳感器節點內部的系統總線，加速度傳感器采集橋梁監測點的振動信號，光電傳感器通過外置的光纖傳感器采集橋梁監測點的應變信號；光纖傳感器的激勵信號由傳感器節點系統通過數模轉換DAC提供。
3.根據權利要求I或2所述的橋梁和重大基礎設施結構安全監測及預警的異構傳感器網絡，其特征是所述異構傳感器網絡系統由無線與有線兩種傳感器節點和基站節點以及中心監控計算機并通過網絡連接；兩種傳感器節點分別為基于Zigbee網絡或3G網絡的無線傳感器節點和基于TCP/IP網絡或光纖網絡的有線傳感器節點；安裝位置接近的多個同種傳感器節點組成一個節點群組，向同一個基站節點傳輸數據，無線基站節點與有線基站節點分別通過TCP/IP網絡或光纖網絡連接到中心監控計算機，構成異構傳感器網絡。
4.根據權利要求I或2所述的橋梁和重大基礎設施結構安全監測及預警的異構傳感器網絡，其特征是所述傳感器節點與基站節點的數據傳輸及基站節點與計算機的數據傳輸過程中采用統一的數據包格式，包括節點標識、傳感數據類型、時間戳以及傳感數據等數據域，與所采用的數據傳輸類型無關。
5.根據權利要求I或2所述的所述傳感器節點的電源模塊根據監測環境及監測時間選擇電池供電、交/直流供電、太陽能供電呀風力供電中的一種或多種。
全文摘要
橋梁和重大基礎設施結構安全監測及預警的異構傳感器網絡，采用傳感器模塊安裝在橋梁等重大基礎設施的關鍵結構點上，用來監測采集關鍵結構點的振動、應變以及環境溫濕度、光照信息；有線傳感器節點安裝于橋梁的主塔與鋼箱梁內部的關鍵結構點上，用來采集主塔與鋼箱梁的振動、應變片信息以及溫度、濕度等環境信息，采用有線傳輸方式；無線傳感器節點安裝于橋梁的主纜與懸索的關鍵結構點上，用來采集主纜與懸索的振動、應變等信息以及溫度、濕度等環境信息；對所監測的重大基礎設施結構安全狀態進行評估與預警。
文檔編號G08C17/02GK102980782SQ201210450609
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年6月13日
發明者沈慶宏, 劉云峰, 朱飛飛, 馬千里, 楊根成, 馮兆祥, 唐軻, 陳紅梅, 都思丹 申請人:南京大學, 南京金曉電子信息有限公司