摘要
對例如橋梁和房屋等民用基礎設施的生命周期的監(jiān)測，是老化結構長期運行的成本和安全的關鍵。普遍使用的結構健康監(jiān)測(SHM)系統(tǒng)受限于專業(yè)數(shù)據(jù)采集設備的性能、通用設備的高成本和全自動決策支持系統(tǒng)的缺乏。
此項目的目標包括：第一，要設計一個無線智能傳感網(wǎng)絡（WISAN）和制造一整套用于完成結構健康檢測任務的便宜設備；第二，要發(fā)展適用于自主結構健康監(jiān)測的SHM理論。
設計無線傳感網(wǎng)絡是針對結構健康監(jiān)測的應用，解決問題以達到單位傳感器的低成本，高可靠性，以能源為網(wǎng)絡節(jié)點，計算負荷的節(jié)能分布，ISM無線電波段的安全和和諧。實用性的傳感網(wǎng)絡通過智能計算的應用和信號生成能力的支持在增加。
雖然SHM理論也將被認可，但自動化SHM理論的基礎是模態(tài)應變能量的理論。自動化的任務包括通過環(huán)境振動實現(xiàn)模態(tài)識別的自動化、對獲得的模態(tài)振型進行分類和結構健康的自動評價。
關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡、結構健康監(jiān)測、環(huán)境振動、自動系統(tǒng)、模態(tài)應變能
1.介紹
對例如橋梁和房屋等民用基礎設施的生命周期的監(jiān)測，是老化結構長期運行的成本和安全的關鍵。結構健康的知識、承載能力和剩余使用時間是任何方法進行結構健康監(jiān)測（SHM）的主要任務。維持和改善橋梁的條件是運輸系統(tǒng)結構完整和成本效率的關鍵。橋梁構成了交通基礎設施里最脆弱的元素。一座橋梁的停止運行都會對橋梁的使用者（交通延誤和走彎路）和道路橋梁的運營者造成經(jīng)濟損失。在2001年末，聯(lián)邦公路管理局（FHWA）已經(jīng)列出了近30%的國家的590000座橋梁，它們在尺寸、負載或其他特點上存在結構缺乏或者功能過時。這些橋路的絕大多數(shù)都是中小跨度結構,坐落在當?shù)?次要的)或農村道路上。
FHWA提出了兩個破壞運輸基礎設施的主要原因：在交通水平顯著增加的快速老齡化的橋梁和隧道，他們在設計時把許多橋梁的損耗作水平處理。例如，在聯(lián)邦洲際公路系統(tǒng)上一半的橋梁是33歲以上。FHWA的估計數(shù)據(jù)顯示，截至2010年底客流將增長17%（從2.7兆汽車英里增到3.1兆），卡車交通將增長28%。老化的基礎設施和增加的交通數(shù)量在橋梁養(yǎng)護和運行安全問題上產(chǎn)生了更大的壓力。
客觀評價橋梁狀態(tài)可顯著降低在保養(yǎng)、維修和更換存在結構缺陷的部件的費用。關鍵在于要有較低的成本和可靠的方法來評估結構的完整性，來識別惡化的部件。這個目標可以通過一個能夠執(zhí)行連續(xù)橋梁健康監(jiān)測和評價的系統(tǒng)實現(xiàn)。這樣一個系統(tǒng)能夠補充FHWA的橋梁的周期目視檢查，能夠提供橋梁健康狀態(tài)的定量措施。連續(xù)的SHM的一個顯著優(yōu)點在于該系統(tǒng)有檢測和定位損傷的能力，對橋梁檢測和定位是很難通過目視檢查的，就比如隱藏的腐蝕和老化。這些和其他有關橋梁結構健康監(jiān)測的問題吸引了很多學者的關注。
同樣的SHM方法可以擴展到土木工程結構，例如位于高地震活動帶的建筑。一個監(jiān)測系統(tǒng)能夠在地震后通過減少需要目視檢查的焊接連接顯著降低建筑的維修費用（與去除的高成本、安裝熔覆和阻燃相比）。
目前，由于結構健康監(jiān)測專業(yè)數(shù)據(jù)采集設備的需要和推廣的高成本，有線儀表，耦合的高成本安裝都限制了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的實際使用。Lynch指出，在加州，每座橋要花費$300,000（每個傳感器要$5000）去安裝擁有60個加速計的監(jiān)測系統(tǒng)，Tsing Ma Suspension橋的600路監(jiān)測系統(tǒng)的花費超過$1600萬（每路超過$27,000）。安裝電纜、電纜管道是勞動密集型工作，構成了最終成本的很大一部分。
另一個限制因素來自于許多結構健康監(jiān)測的方法沒有全自動的決策支持的事實。一個高水平的專家通常被要求在放緩對連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的引入時解釋數(shù)據(jù)和進行損傷檢測。
一個來解決這些儀器儀表問題可能的方法要依賴于由許多便宜的低功耗節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡的概念和結構健康監(jiān)測的執(zhí)行。Mitchel, Rao and Pottinger使用商用硬件設計了用戶希望使用的傳感網(wǎng)絡。Lin使用綜合結構壓電式傳感器監(jiān)控復合材料結構的完整性。Fraser計劃去利用一個傳感網(wǎng)絡作為綜合健康監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，它包含計算機視覺、復雜的數(shù)值模擬系統(tǒng)、可視化、風險分析和統(tǒng)計決策。Basheer著眼于結構健康監(jiān)測里傳感器網(wǎng)絡的自我組織問題。作者也突出了其他設計的問題，例如容錯、節(jié)能通信和可靠運行。Kotapalli基于商業(yè)上可用的硬件為結構健康監(jiān)測設計了一個雙層的網(wǎng)絡體系結構。Lynch測試了一個無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
這些和其他重要課題論文描述無線儀表的設計結構的健康監(jiān)測。本文中我們提出一個完全自主的設計結構健康監(jiān)測的無線系統(tǒng)。
2.自主結構健康監(jiān)測的背景
設計的數(shù)據(jù)采集儀器如傳感器網(wǎng)絡應該能夠保證最大程度地適應特定任務。作為一個整體，利用無線傳感器網(wǎng)絡進行長期單孔位微吹氣擾動是在試圖降低成本和最大化利用系統(tǒng)。因此，執(zhí)行任何設計問題的決議都應該在思想上保持這種方法。傳感器網(wǎng)絡設計應該緊密結合監(jiān)測方法的設計而不一定需要遵循制定其他應用的概念。在這里,我們將考慮的一些問題集中在基于模態(tài)應變能的連續(xù)監(jiān)測橋梁的自治結構的任務。
第一，傳感器網(wǎng)絡應提供低成本的自主的數(shù)據(jù)采集能力。傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)采集儀表，應該專門為在很長一段時期內被結構健康監(jiān)測和自動控制普遍利用的傳感器而設計。傳感器節(jié)點應該很便宜（每個數(shù)據(jù)頻道/傳感器為$100或者更少），支持異類傳感器數(shù)據(jù)易于安裝和維護。
第二，被用于驅動傳感節(jié)點的能量的價格應該最低，而且最好是來自自我支撐的能源。無線傳感器網(wǎng)絡的應用以避免高成本的布線和維護為主要省錢途徑。耗電的傳感節(jié)點在消耗相當數(shù)量的像電池一樣的中等昂貴的能源時可能會消除任何成本優(yōu)勢。通常，傳感器位于很難被接觸到的地方，而且根據(jù)電池的價格、更換電池的時間、勞動力的花費，在更換擁有100個傳感節(jié)點裝置的電池的一次性費用會在$1000以上的任何數(shù)字。如果一個網(wǎng)絡節(jié)點在被要求更換電池之前只能僅僅持續(xù)幾個月的話，那么總的花費將很快地增長。
第三，傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)要在能工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)的無線電頻率范圍內共享其他設備的功能，而且在一個擁有大量節(jié)點的網(wǎng)絡里能夠提供一個容錯、可靠和安全的通訊方式。這些問題常常被研究者們所忽略。
第四，傳感器模塊應該提供計算負荷的節(jié)能分布和用智能支持監(jiān)測的方法。計算負荷的分布僅僅在總能量消耗最小或者系統(tǒng)的延遲最小時才又意義。
第五，傳感網(wǎng)絡一個為傳感節(jié)點的自我定位提供便利的方法。大部分的SHM理論都要求傳感器在結構中位置的知識。網(wǎng)絡的定位能力必須允許3 D分辨率節(jié)點的位置。
第六，作為一個整體的傳感網(wǎng)絡，應該在某種程度上類似于有線系統(tǒng)去獲得數(shù)據(jù)能力，也就是說在網(wǎng)路與渠道之間保持同步和最小的錯誤。網(wǎng)絡中任何兩個節(jié)點之間的采樣同步誤差應該遠遠低于信號在接受的時期。
第七，傳感網(wǎng)絡和SHM系統(tǒng)應該圍繞傳感器和監(jiān)測的原理組建，不需要勵磁結構和對主要的能量使用進行測量，但是需要功能捕捉和分析環(huán)境對結構的影響。通過利用像來自交通、風的環(huán)境能量來勵磁，我們就可以在強迫激勵結構上避免與成本有關的能量收支。
最后，SHM不能依靠有人類介入的任何部分的決策，要能夠損傷特征分析，數(shù)據(jù)采集，發(fā)電和自主完成功能。結構健康監(jiān)測系統(tǒng)要處理所有數(shù)據(jù)所在的位置，定期向生成報表，并把他們傳送到監(jiān)測機構，在檢測到一種威脅或一個極端的事件（例如快速增長的裂紋或地震）時發(fā)出警報。
在這一部分我們提出了符合所有這些要求的框架。
3. 無線智能傳感器網(wǎng)絡
無線智能傳感網(wǎng)絡（WISAN，“傳感網(wǎng)絡”）在設計時把連續(xù)結構健康監(jiān)測的目標記在心里。網(wǎng)絡設計要符合前面所述的要求和為各種各樣的土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的切實實施提供一個良好的基礎。有限信號處理的智能功能，壓縮，波形代和嵌入式計算智能（模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡）使這類傳感網(wǎng)絡幾乎在大量的SHM方法中適用。
傳感節(jié)點的內部結構如圖一所示。數(shù)據(jù)采集模塊是圍繞Texas Instruments的超低耗MSP430F1611單片機建立的。數(shù)據(jù)采集模塊也提供了六個12位的數(shù)模通道，兩個12位的數(shù)模轉換頻道，16通用數(shù)字輸入/輸出渠通道和16M位的EEPROM存儲器。模塊化設計允許一個可擴展的設計與靈活的數(shù)數(shù)輸入/輸出通道和解除了網(wǎng)絡協(xié)議控制器執(zhí)行信號處理任務。
數(shù)據(jù)采集模塊通過一條內部總線連接到網(wǎng)絡接口上。在網(wǎng)絡接口上根據(jù)IEEE 802.15.4的標準實施網(wǎng)絡協(xié)議。Chipcon的2.4Ghz模塊CC2420被用于接收廣播。一個傳感節(jié)點的所有組件都是低價的，實現(xiàn)了每頻道$100成本的目標。
利用MSP430單片機和CC2420芯片RF射頻（高頻交流變化電磁波）設計傳感節(jié)點需要的驅動能量非常低。信號在MSP430單片機里每1Mhz消耗0.84mW或者每8Mhz消耗7.5mW，這在單片機里是非常有優(yōu)越性的。另外，MSP430單片機在低功率模式下大約只有5μW消耗,使在備用狀態(tài)下的電池壽命達到好幾年。CC2420射頻收發(fā)器是低功耗，低花費，是IEEE 802.15.4部門為高頻交流變化電磁波能夠2.4 GHz的無線帶寬里順應接收而設計的。收發(fā)模塊提供了16個頻道的范圍在2 Mchips /s和250 kbps有效原始數(shù)據(jù)率d 直接序列擴頻調制解調器，它低功率消耗（接收時是60 mW，發(fā)送時是52 mW），有效范圍在10 ~ 75米，輸出功率可編程，硬件MAC加密和認證(AES- 128)，有信號強度指示器和電池監(jiān)視器。WISAN節(jié)點所有設備滿負荷(在 3V時75mW)運行時消耗的總的最大功率遠低于其他傳感網(wǎng)絡在進行結構健康監(jiān)測任務時的功率消耗。
如此的低功耗能夠延長電池的壽命和延長更換周期到好幾年，或者還可以利用環(huán)境振動的能量來驅動傳感器節(jié)點。WISAN節(jié)點消耗的峰值功率（(75 mW）在時間上是非常短暫的，而且僅在必要時與信標保持同步和傳送收集到的數(shù)據(jù)的一些時間里出現(xiàn)。該節(jié)點的其他所有的時間都工作在低功耗模式下，約0.1瓦特的電力消耗。舉個例子，在一段30秒的時間里，在50Hz下連續(xù)采集12位的模擬輸入將產(chǎn)生2250字節(jié)的數(shù)據(jù)。假設最糟糕的功率消耗和1毫秒的保守采集時間，那么采集過程將消耗50Hz*30s*(1ms*7.5mW+19ms*5µW) = 0.0113925J的能量。假設無線鏈路利用率為50%（一個非常保守的估計）傳播這些數(shù)據(jù)將會持續(xù)2250bytes/(250kbps*0.5/8)≈0.14s。因此，傳送過程大約要耗費0.14s*(52mW+7.5mw) =8.3mJ的能力。假設一個傳感節(jié)點的在接收模式下大約要花100毫秒來等待802.15.4的信標，則總共的能量消耗將增加到大約0.1s*(60mW+7.5mW) =6.75mJ。因此一個WISAN節(jié)點在50赫茲采樣率連續(xù)30秒采集一個模擬信號的總共能量消耗為11.4mJ+8.3mJ+6.75mJ=26.45mJ。相比較，Lynch提出的設計，在傳送相同數(shù)量數(shù)據(jù)的功率消耗為0.9J (相對于 WISAN的8.3mJ)，相差兩個數(shù)量級別或者更高。這些數(shù)據(jù)將直接影響傳感節(jié)點電池的使用壽命和是備用電池能夠利用能量采集設備產(chǎn)生的小到1mW下工作。
就像之前描述的，低功耗真正實現(xiàn)了自動化，是能量采集設備能夠連續(xù)工作。在實踐階段，一個幾乎無需維護的SHM系統(tǒng)可以利用驅動WISAN節(jié)點的機電設備或者壓電式發(fā)電設備組建。
選擇物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與802.15.4相互兼容的網(wǎng)絡協(xié)議也解決電磁兼容性、可靠性和安全性的問題。為802.15.4設備配置無線電頻率(頻道)使其與其他出現(xiàn)的流行的網(wǎng)絡協(xié)議共存是有預見性的，就像802.11（無線上網(wǎng)）。利用頻道吸收在一定程度上產(chǎn)生電磁干擾是允許的。傳感器節(jié)點之間的通信可以通過先進加密標準（AES）的加密和認證變得非常安全。
位于Chipcon公司生產(chǎn)的射頻接口模塊的信號強度計允許在傳感模塊通過對整個節(jié)點進行信號強度的測量來實施定位能力。這種能力能被執(zhí)行以下描述的過程。節(jié)點定位能潛在地被用于減少電腦連接動作次數(shù)的路由算法和在傳感器節(jié)點均勻分布能源消耗。
實時的搶占式內核在傳感節(jié)點里按照時間表來執(zhí)行任務，支持高精度的全球時間同步，傳感器數(shù)據(jù)的時標技術和執(zhí)行機構的命令。例如，為了從結構的模態(tài)響應上重建位移式模態(tài)振型，重建位移式模態(tài)振型的精度取決于抽樣事件的時間同步的精度。全球時間同步的時間信號將被轉發(fā)802.15.4超幀的一部分并且納入航標。結合低延遲的實時內核, 預計全球時間同步的精度將在微秒的級別。
傳感網(wǎng)絡的實施軟件提供的服務實現(xiàn)嵌入式智能和分布式計算負荷。通過對傳感器數(shù)據(jù)的現(xiàn)場壓縮實現(xiàn)了網(wǎng)絡帶寬的最小占用。通過模糊邏輯的實施和能無需傳送數(shù)據(jù)網(wǎng)絡完成控制任務轉換成簡單方法的神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)了網(wǎng)絡響應時間的最小化?？紤]到低能量的消耗WISAN的網(wǎng)絡接口，我們不能認為快速的應用，用大功率計算設備來執(zhí)行傳感節(jié)點里的傅里葉快速變換操作是合理的能量智能化。例如，估計摩托羅拉MPC555單片機的一個自回歸模型4000系數(shù)計算消耗大約3 J的能量。在WISAN里不使用任何計算壓縮方案傳送16000字節(jié)的原始數(shù)據(jù)將消耗大概66.75mJ的能量（保守地估計）。因此，網(wǎng)絡傳播具有潛在44次的比在傳感器里計算更優(yōu)越的算法。數(shù)據(jù)將被傳送到一個專門連接到用低價能量作為電源的節(jié)點上，如電力線路或一個太陽能電池。這樣的專門的節(jié)點將為SHM系統(tǒng)的計算要求提供一個更經(jīng)濟高效的解決方案。
所有上述的考慮同樣支配著傳感網(wǎng)絡的結構。我們建議使用比雙層結構有更加好的容錯的二級三簇結構。圖二闡明了二級三簇網(wǎng)絡結構。
一個簇里的傳感節(jié)點通常由一個中等價位的像電池或采集裝置能量為電源來驅動的。為了使一個節(jié)點消耗的能量最小和減少連接動作消息的數(shù)量，所有節(jié)點都與族里的頭節(jié)點單獨相連。如果一個單獨連接的線路不能用時，它就會被多路連接所替代。各種各樣的節(jié)能路由算法可以應用到在接受從其他節(jié)點來的傳感器節(jié)點的路由信息時減少和平均分配能耗。然而一個單路連接的郵件傳遞的通常是會傳送給所有節(jié)點。多路連接的目的是在可能發(fā)生的簇首跳出服務時為網(wǎng)絡提供容錯，以防萬一，比如在一個極端事件如地震。由Kottapalli提出的二級交流結構在任何的“現(xiàn)場大師”（簇首）跳出服務時被完全破壞。
