張清安

（湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 吉首 416000）

基于新型樹狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)＊

張清安

（湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 吉首 416000）

將新型樹狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測，保留了有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了其布線復(fù)雜問題的不足.橋梁建筑在使用運(yùn)行時，由于材料性能隨著時間推移而老化，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)安全性能下降.基于新型樹狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用業(yè)務(wù)方向性特點(diǎn)，有效減少資源浪費(fèi)，提高通信效率.通過數(shù)據(jù)采集，傳送或接收及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析，建立了基于新型樹狀結(jié)構(gòu)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的能效和生命周期，并在系統(tǒng)魯莽性和數(shù)據(jù)傳輸效率方面得到了提高.

傳感器節(jié)點(diǎn)；無線傳感器；健康監(jiān)測

橋梁在使用一段時間后，不可避免會受到各類損傷，這使得其承載力與壽命下降.中國的公路橋梁普查中顯示，現(xiàn)已有大部分橋梁存在不同程度的損傷，如2003年的江蘇交通統(tǒng)計年鑒顯示，全江蘇省危橋數(shù)達(dá)到1307座.近年來，湖南省的幾座大橋（如平江大橋、株洲高架橋、岳陽紅泥大橋、湘西鳳凰大橋）出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，給人民的生命財產(chǎn)安全帶來重大威脅，這也提醒我們必須要重視橋梁的定期健康檢測與安全評估，盡量將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless sensor networks）因其自組織，低功耗、無線傳輸和低成本等特點(diǎn)而應(yīng)用到橋梁的安全檢測中來，這類健康檢測系統(tǒng)的設(shè)計正日益受到研究者們重視.

成千上萬的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被部署在橋梁的各個部位，以自組織的方式構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并以無線通信的方式將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到基站（BS，Base Station）或Sink.由于節(jié)點(diǎn)分布可以非常密集，這樣會造成數(shù)據(jù)傳輸泛濫，帶寬資源浪費(fèi)巨大，本文在基于新型樹狀結(jié)構(gòu)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，將節(jié)點(diǎn)構(gòu)造成以傳感器節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)再至基站節(jié)點(diǎn)的二重樹，而數(shù)據(jù)按照樹的方向進(jìn)行無線傳輸，可以有效減少網(wǎng)絡(luò)頻譜資源的浪費(fèi)，進(jìn)而提高傳輸效率.本文通過對無線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問題研究，提出了兩種休眠調(diào)度方法來減少傳感節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，并對橋梁監(jiān)控中BS的數(shù)據(jù)聚合問題進(jìn)行研究，得出WSN的分布式數(shù)據(jù)處理能有效減少數(shù)據(jù)無線傳輸能耗的結(jié)論.研究中對WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了WSN在各類橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用.［1-5］

在中國，結(jié)構(gòu)性橋梁監(jiān)控系統(tǒng)的研究盡管起步慢，但正成為土木工程領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn).如清華大學(xué)與東南大學(xué)的防災(zāi)減災(zāi)專業(yè)技術(shù)研究中，對全國各大橋梁系統(tǒng)正在進(jìn)行檢測.而在國外，英國比較早地開展了這方面的工作.在國內(nèi)，對于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究經(jīng)過不斷發(fā)展，國內(nèi)先后已有40座橋梁安裝或即將安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng).其實(shí)比較具有代表性的有：中南大學(xué)與上海鐵路局合作在南京長江大橋及吉首矮寨懸索大橋都建成了健康監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用了150多個各類傳感器，在監(jiān)測中首次提出對監(jiān)測系統(tǒng)本身維護(hù)的重要性，并根據(jù)大橋的實(shí)際情況進(jìn)行了有益探索，對以后大型橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測具有重要的參考價值.

1 基于新型樹狀體系結(jié)構(gòu)

在一般的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中，無線傳輸支持任意兩節(jié)點(diǎn)之間的通信，如果通信協(xié)議在解決數(shù)據(jù)傳輸問題沒有限制，則很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹丿B和混亂，從而造成頻譜資源的浪費(fèi).本文利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可以構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，通過對路由協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，將網(wǎng)絡(luò)中部署的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的形成構(gòu)成以BS為根的樹.然后根據(jù)路由選擇算法確定一個代理（Agent）為樹的簇節(jié)點(diǎn).簇內(nèi)所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)只與代理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，代理節(jié)點(diǎn)把接收到的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)處理后，再一次性轉(zhuǎn)發(fā)給基站.BS由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)絡(luò)或其它類似網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程計算機(jī).基于新型樹狀體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 基于新型樹狀體系結(jié)構(gòu)圖

2 傳感器節(jié)點(diǎn)

一般的傳感器節(jié)點(diǎn)可以由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，無線通信和電源等模塊構(gòu)成.數(shù)據(jù)采集采集部分可以采集橋梁在應(yīng)變、振動、溫度和濕度方面的等數(shù)據(jù)，并通過無線傳通的方式將數(shù)據(jù)從無線傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)紹S.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用電池供電，電池的使用壽命有限，一般能提供半年至一年的使用范圍.在實(shí)際使用中電池的更換是非常困難的，因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，能量的節(jié)省顯得非常重要，這關(guān)系到整個網(wǎng)絡(luò)的有效使用壽命.而到橋梁出現(xiàn)故障時，找到受損傷的點(diǎn)是很重要的，即傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問題.定位和能效是影響網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測質(zhì)量和生命周期的最重要的因素.

（1）傳感節(jié)點(diǎn)的定位.在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測過程中，一般可以在橋梁建設(shè)之前采用人工布署節(jié)點(diǎn)的方式來構(gòu)建WSN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而當(dāng)橋梁建成以后，也可以加設(shè)這樣的無線傳感器，盡管都是采用人工進(jìn)行布署，但因其不規(guī)則性，可以將其看成是隨機(jī)的，這符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)性部署的特點(diǎn).在WSN中，每個傳感器節(jié)點(diǎn)都會被分配一個全網(wǎng)唯一的身份（ID地址），在橋梁監(jiān)控系統(tǒng)中，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)量不是很多，節(jié)點(diǎn)是通過人工部署，因此，可以考慮將傳感器節(jié)點(diǎn)的ID和相應(yīng)的位置信息進(jìn)行綁定，這樣，傳感器節(jié)點(diǎn)的ID即可以看成是節(jié)點(diǎn)的位置，這樣大大減化了WSN節(jié)點(diǎn)定位的過程.在數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)上，只要通過確定受損傷事件發(fā)生的采集節(jié)點(diǎn)的ID，就可以找到橋梁相應(yīng)位置的健康情況報告.

（2）傳感器節(jié)點(diǎn)的能效.無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量一般由電池提供，當(dāng)然也可以由交流電進(jìn)行無限制提供，這時網(wǎng)絡(luò)將轉(zhuǎn)換成Ad Hoc網(wǎng)絡(luò).由于電池的更換是非常困難的，因此，在網(wǎng)絡(luò)部署過程中，要盡量地采用外部電源供電方式，而對于不可更換的電池，則必須優(yōu)化WSN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而優(yōu)化WSN的能效，以提高WSN數(shù)據(jù)采集生命周期，提高使用壽命.在有限初始電池供電的情況下，的初始能量配置下，如何提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄菢蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中的主要因素.為了提高無線傳感器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的能效，這里有兩種休眠調(diào)度方法：即節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度方法和MAC（Media access control）層休眠調(diào)度方法.

節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度是指由路由協(xié)議進(jìn)行控制，讓不參與傳輸?shù)臒o線傳感器節(jié)點(diǎn)自覺進(jìn)行休眠，并在不同的數(shù)據(jù)傳輸周期中擔(dān)任不同的身份，讓這些節(jié)點(diǎn)輪流參與數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以大大地節(jié)省數(shù)據(jù)采集過程中節(jié)點(diǎn)所消耗的能量.當(dāng)然，在路由設(shè)計中，將按各種策略（如最短路徑樹，最小能耗，最小代價等方式）來進(jìn)一步節(jié)省能量，并提高網(wǎng)絡(luò)生命周期.

MAC層休眠調(diào)度是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，因無線通信會共用信道，數(shù)據(jù)傳輸有一個信道競爭過程，按照MAC層競爭協(xié)議機(jī)制，讓無線傳感器節(jié)點(diǎn)在不影響正常數(shù)據(jù)收／發(fā)的情況下進(jìn)行合理休眠調(diào)度，提高休眠的效率，進(jìn)一步提高能效和網(wǎng)絡(luò)生命周期.

3 動態(tài)代理節(jié)點(diǎn)

動態(tài)代理節(jié)點(diǎn)的選取是非常是重要的.在WSN進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中，如果代理節(jié)點(diǎn)發(fā)生通信故障，將影響其所屬WSN內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸.因?yàn)樗衅渌?jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)必須先傳到代理節(jié)點(diǎn).而由于代理節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的內(nèi)網(wǎng)融合與處理，而且要將數(shù)據(jù)以長距離傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)紹S，因此，代理節(jié)點(diǎn)所消耗的能量將比其它節(jié)點(diǎn)所消耗的能量大得多.因此，必須動態(tài)地選擇代理節(jié)點(diǎn).數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑是從群內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)到代理節(jié)點(diǎn)再到基站節(jié)點(diǎn)這樣一個過程，代理節(jié)點(diǎn)在向BS轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，對WSN內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，降低實(shí)際需要傳輸?shù)紹S的數(shù)據(jù)量.橋梁隨機(jī)響應(yīng)的功率譜密度函數(shù)可以反映振動能量對頻率的分布規(guī)律，在橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與故障診斷中.可以通過下式計算出功率譜密度函數(shù)的估計：

其中X（w）和Y（w）是高斯隨機(jī)過程z（t）和y（t）的傅立葉變換，T是采樣間隔，相關(guān)函數(shù)可以通過譜估計函數(shù)進(jìn)行傅里葉逆變換得到.在代理節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)融合可以采用兩種方法：即集中式數(shù)據(jù)處理和分布式數(shù)據(jù)處理方法.圖2為集中式數(shù)據(jù)處理過程的示意圖.假設(shè)共有N個傳感器節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后發(fā)送給代理節(jié)點(diǎn)，代理節(jié)點(diǎn)再利用公式（1）計算出傳輸?shù)墓β首V密度，重復(fù)n次后取平均值.然后用傅里葉逆變換求出相關(guān)函數(shù)并進(jìn)行模擬分析.所有的這些計算都由代理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé).因此，代理節(jié)點(diǎn)因數(shù)據(jù)處量和融合的能量是比較大的，而如果是同構(gòu)WSN網(wǎng)絡(luò)，則傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力要求比較高，而如果是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，則只要求少數(shù)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力比較高.而對于橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)而言，由于節(jié)點(diǎn)的部署可以是人工的，可以在靠近BS的地方部署結(jié)構(gòu)復(fù)雜點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，因此，可以采集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這樣，可以大大地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)成本.當(dāng)功率譜密度是由長度為N的離散時間序列得到時，需要傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量為N×m×n.

圖3是分布式數(shù)據(jù)處理過程示意圖.在布式數(shù)據(jù)處理過程中，充分利用了每個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力.首先，代理節(jié)點(diǎn)會采用TDMA的方式將控制信息廣播給所有的傳感器節(jié)點(diǎn).在接收到控制信息后，每個無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)會自動計算出功率譜密度，然后將功率譜密度進(jìn)行本地存儲.這個過程需要重復(fù)數(shù)次，再進(jìn)行加權(quán)平均.最后利用傅里葉逆變換得到相關(guān)函數(shù)，并將其發(fā)送回代理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與融合.對于模態(tài)分析的一些損傷算法，比如特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法最多只需要相關(guān)函數(shù)的一半數(shù)據(jù)量，因此需要傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量為

圖2 集中式數(shù)據(jù)處理過程示意圖

隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，分布式數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢會更明顯，其數(shù)據(jù)無線傳輸量為O（N×（m＋n））.而集中式數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)傳輸量為O（N×m×n）.分布式數(shù)據(jù)處理可以提高CPU和存儲器的使用效率.數(shù)據(jù)傳輸量的減少可以有效地減少傳輸能耗，從而延長WSN的網(wǎng)絡(luò)生命周期.

圖3 分布式數(shù)據(jù)處理過程示意圖

4 結(jié)語

WSN為人們提供了一種全新的數(shù)據(jù)采集與信息處理的途徑.分析橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的體系組成以及其特殊要求后，研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中必須面對的問題，分析了橋梁這種大型結(jié)構(gòu)部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)必然引起網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過于龐大，造成網(wǎng)絡(luò)整體數(shù)據(jù)傳輸量劇增；橋梁環(huán)境惡劣，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受到環(huán)境噪聲以及溫度濕度的影響，導(dǎo)致通信鏈路質(zhì)量極其不穩(wěn)定.

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（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

Bridge Monitoring System with Wireless Sensor Networks Based on Tree Structure

ZHANG Qin’an
（Xiangxi Vocational and Technical College for Minorities，Jishou 416000，China）

Wireless sensor network with new tree structure applied in bridge health monitoring keeps the advantages of wired network monitoring and covers the shortage of complex wiring.With the material performance aging over time，the safety performance of the bridge structure will decrease.Due to the feature of service direction，the waste of resources can be reduced and the communication efficiency can be improved.Through data collection，transmission and receiving and data analysis，bridge monitoring system based on novel tree structure is established，which improves the system energy efficiency and life cycle and also increases the system crudeness and data transmission efficiency.

sensor node；wireless sensor；health monitoring

TP212；TP393

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.03.015

1007－2985（2012）03－0061－05

2012－02－16

湖南省教育廳優(yōu)秀青年資助項(xiàng)目（11B102）

張清安（1974－），男，湖南張家界人，湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)研究.