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用土木工程中的传感方法进行有效的施工管理
ChristianU.Grosse1，ChristophGehlen1，StevenD.Glaser21Materialpruuml;fungsanstaltUniversitauml;tStuttgart，
邮政编码：801140，D-70511德国斯图加特。电子邮件：christian.grosse@mpa.uni-stuttgart.de2社会利益信息技术研究中心，加州大学伯克利分校，加利福尼亚94720
摘要：包括无损检测和监测技术在内的传感方法是为了服务中的结构能执行高效状态管理系统的基本工具。他们一方面可以支持定期的视觉检查，另一方面可以帮助评估建筑物的实际状况和性能。这些方法为利益相关者提供可靠数据，以估计当前和未来结构投资的必要性。土木结构监测系统的主要目的是支持工程师进行结构评估。现有的监测技术包括使用不同类型的传感器（包括MEMS）的无线传感器网络。无线传感器网络（WSN）可用于监测结构中的某个区域，提供关于各种物理测量的数据。现场测量的属性包括结构的特征振动、结构外部和内部的湿度和温度、异常的应力和应变，以及裂缝和其他病害的检测。开发嵌入式传感器系统以获取结构状况，同时通过无线网络将传感器数据传播到公共基站，并进行进一步的分析。
关键词：无损检测；监测；结构健康；传感；公私合作伙伴合同
1.简介
持续的结构健康监测应提供结构数据，以更好地了解其结构性能，并预测其耐久性和剩余寿命。特别是对于越来越多地面临更高轴载和更高列车速度以及由于欧盟扩张而导致总体交通量增加的桥梁，对结构性能的了解变得更为重要。在此背景下，一个名为“可持续桥梁-对未来交通需求和更长寿命的评估”[2007]的欧洲研究项目在第六框架计划中获得批准，其中包括斯图加特大学建筑材料研究所。
对结构进行高效监控的另一个目标是安全。在欧洲，由于上个世纪四五十年代后期或五十年代替第二次世界大战期间许多旧建筑被摧毁，许多建筑物在此建立。许多混凝土桥梁的设计寿命通常为60至80年，即将达到或已达到使用年限。对于使用各种材料和材料成分构建的公共建筑也是如此。2006年1月初，巴特赖兴哈尔（德国）的一个培训大厅突然倒塌，导致有15人丧生；数周后，卡托维兹（波兰），一座新贸易大楼倒塌，超过60人失去了生命，这些都显现出一些问题。
最终，不仅现有建筑物得到监测，而且建造过程本身也受到监测。以前，承包商只是实施了一个特定的设计，但目前客户委托的趋势是某些性能要求来满足基于性能的设计。行业的重心逐渐偏向交付某些结构性行为状态，而不是简单地建立在客户的计划上。签约过程决定成为绩效的标准，交付成为这些标准的长期实现。这只有在可以测量绩效状态可以并且在决策过程中利用测量时才会发生。评估施工后和运营期交付所需的工具正在发生相应的变化。这个过程越来越依赖密集的传感器数据，有效的模型将数据转化为物理行为，并通过决策工具来确定是否满足性能要求。关于正确的感知技术，测量结构性能以及将传感器数据转换为利益相关方所需的有用信息有了新的方向。
2.监督基于绩效的结构的基础
在建立结构的基于绩效的方法中，所有的决策，选择和折衷都始于所需的行为-使用行为，而不是如何满足所述需求的规定解决方案。供应商回应一个包含该产品预计表现的产品。验证方法，通过测量，计算或测试，对评估性能（随时间推移）和比较替代解决方案是必要的[Szigeti＆Davis，2005]。设计/施工团队必须保证结构性能达到合同规定的水平，并延长合同期限。如何建立和验证这种性能，是需要进一步研究的领域之一。这些都需要测量，因此需要传感器。这种情况为全面优化生命周期管理打开了新的视角。客户可能希望测量现成结构的产值;另一方面，承包商可以证明符合要求的性能。设施经理开始利用绩效数据来优化运营阶段的维护和经济性。当绩效指标开始偏离时，可以进行主动干预[例如，Yanev，2003]。性能数据中的偏差会导致生成警报，并根据实际实时数据增加修复计划。对传感器生成数据的显著需求表明了近期为建立全新的性能和状态监测服务类别所做的许多努力的原因。
3.传感器，MEMS和微尘
传统上，传感器这个术语与换能器是同义的。然而，这里将“传感器”定义为包括传统的转换元件以及实质的信号处理和计算能力[例如，Glaser等人2005]。这些传感器还可以组合成综合的微型传感平台，其中包括被称为微尘的转导、信号处理、计算能力和无线通信平台[例如，克鲁格等人2005;Grosse＆Reinhardt2007]（图1，左）。
这种微粒是一个完整的小型测量和通信系统，必须通电并且使成本最优化。由一个或多个传感器、数据采集和处理单元、无线收发器和电池电源组成（图1右）。采集和处理单元通常配备一个低功耗微控制器，提供一个集成的模数转换器（ADC）和足够的数据存储器（RAM）来存储测量结果。该单元还集成了将传感器连接到ADC的信号调理电路。
只要功耗与传感系统的功能相关，几乎所有类型的传感器都可以连接到这样的传感器节点。低功耗传感器是首选，这就是为什么称为MEMS（微机电系统）的微传感器与这种系统结合非常有吸引力的原因。MEMS是集成电气和机械组件的小型集成设备，生产一个这样的产品大约50欧元。由于过程中元件和内部连杆运动很小，这些基于MEMS的换能器消耗的功率非常小。基于MEMS的传感器的低成本，低功耗和小尺寸已经彻底改变了我们测量的方式。这也包括传感器数据和传感器网络的组合以及与低功率视频技术（VSLI相机）的组合。
图1.微粒的原理。左：Mote包括传感器和数据处理板，无线电传输单元和天线，外壳。右图：传感器和数据处理板的概念
4.传感器网络和协议
无线传感器网络由许多节点（微尘）组成，其上有一个或多个不同的传感器。在对微尘中的数据进行记录和初步分析之后，必须使用例如无线电传输系统将数据传输到基站或监测器，以进一步处理数据或正确生成警报消息。为了使用传感器节点在一个网络中传输数据，存在多种拓扑，包括星形和多跳拓扑[Culleretal。2003]。
多跳技术的主要优点在于传输功率效率，因为与其他技术相比，传输数据只需要一小部分能量;数据只传输到下一个节点，而不一定直接传输到接收器。这也减少了干扰的危险，因为一个节点只与其他几个节点通信。但是，这需要复杂的网络协议，包括临时配置功能以及自我配置，校准和加密。作为下一步，我们已经实施了一个集群多跳技术。集群中的图案（图2中标有虚线的圆圈）共享连接到这些图案的所有传感器的数据。数据的预处理在通过多跳网络中的其他集群传输到数据汇（在图2中由膝上型计算机表示）之前在集群中完成。这是与传输所有数据的遥测系统相比的主要优势。智能数据处理模块或簇中的模式识别算法可以额外地降低功耗。只有有用的数据被传输到接收器。数据接收器使用基于知识的算法进一步从数据中提取信息，然后自动使用电子邮件消息或移动电话短消息系统将信息发送给负责人（建筑工程师，业主）。
图2.使用群集传感器节点的多跳传感器网络的方案
基于无线微控制器的传感系统具有更多优势。这样一个系统很简易并且成本效益适用。它可以在一个结构上使用一段时间，当利益相关者决定在这个特定的结构部分上收集足够的数据时，系统可以很容易地应用到其他地方。另外，可以使用各种传感器来获取关于结构状态的信息。对一个物理量单独或一个传感器进行结构健康分析显然是非常有帮助的。结合在不同传感器节点获得的信息，监测系统的可靠性得到了很大的增强。此外，比较不同物理量获得的时间序列的记录会导致可靠性的显着提高并降低劣化的检测阈值。贝叶斯统计的自然应用来建立数据与结构性能之间的相关性很困难，应当基于用户的数据来了释。在传感器网络中嵌入一些本地处理能力是可取的。例如，从众多传感器收集到的温度数据可以输入到网络上的一个或多个其他传感器进行处理。然后可以计算加权平均值并发送给用户，从而显着减少在网络上传递的数据量。
最后，必须强调无线传感器网络的另外两个优点。如果利益相关方想要扩展监控领域或需要更多数据，可扩展性就成了一个问题。现有的无线传感器网络技术可以实现这种网络的自组织，从而可以在任何时候添加或移除传感器节点，而无需耗费用户对WSN的重新组织。此外，实施的预处理算法可能需要不时更新以适应用户需求或更有效地减少数据。大多数开发的传感器节点具有可重新编程的能力，即用户可以通过按下按钮来改变在每个传感器中实现的算法。
然而，MEMS传感器不适用于所有类型的土木工程结构健康监测应用。因此，开发传感器节点以使得微尘也能够与常规传感器通信，即除了MEMS之外。这些传感技术被称为混合传感器节点。尽管这些传感器都是低功耗传感器，但一旦可用，它们将部分由MEMS取代。
5.硬件发展
斯图加特大学在EMPA（Eidgenouml;ssischeMaterialpruuml;fanstalt，Switzerland）的帮助下开发了应变和压电数据信号调节（如声发射）的单独板。电气元件的实施和开发、布局以及原型制造正在进行中。这些电路板专为恶劣环境而开发，包括在IP64/65水保护标准的密封容器中实施。作为能源来源，在项目的这个阶段选择了高容量的18Ah电池，并应该根据应用情况用其他技术（太阳能，能量收集技术）来替代。除了应变和压电数据之外，环境温度和湿度可以通过在微尘中实施的MEMS传感器来测量。用于应变计测量的信号调理板（图3）的开发，让我们可以同时选择两个平行应变进行测量。该电路板可为电阻式传感器提供完整的前端，并提供温度补偿，校准和线性化（图4右）。
图3.应变和开发图形用户界面的信号调理板
此外，还开发了一种用于压电传感器的信号调理板，该板包含每块板上的两个通道，而一个传感器节点中可以搭载两块板。每个通道都可以过滤（高通）并单独放大。抗混叠滤波器的应用可以触发事件记录。减少能源消耗的几个模式也得到了实施。A/D转换使用微控制器的TI微控制器MSP430完成。开发舒适的用户界面（GUI）来控制设备。对于第一次测试，只有一个通道用于声发射（AE）监测（图4，左侧）。
图4.布伦瑞克的“ConcertoBridge”配备了无线AE传感器（左）和无线应变传感器（右）
6.使用无线传感技术监测桥梁
作为第一次测试，该设备安装在德国北部不伦瑞克技术大学的一个大型测试设施（图3）和斯图加特大学的较小结构的无负载应变和声发射测量中。由于并未分析大型测试的所有数据，所以下面将描述小规模测试的测试程序以及所实施的技术。
最常见的被动监测系统包括声学监测，通常称为声发射（AE）[Grosse，Wanneretal。2006年]。声发射是在裂纹扩展和材料内部变形过程中伴随着能量释放而产生的弹性波。微观结构的变化或位移发生得非常快，可以通过各种材料对应力变化的响应产生，从晶格结构中的小尺度变化到宏观裂纹的生长。随着应力波在介质中传播，波形形状由来源的特性决定，并受主体材料的性质以及主介质的几何形状的影响。
在WSN中实现的AE系统的主要任务包括信号检测，去噪，本地化以及其他数据分析和信号表征技术，如下所述。本文档没有给出数据解释的细节，因为这将在另一篇描述现场测试的论文中进行介绍。然而，这种解释可能仅限于根据正在进行的工作结果通过开发和了释技术进一步研究的“感兴趣区”。预计记录的AE数据与每个传感器获得的数据（温度，湿度，应变等）的相关性将导致对结构行为的进一步了解。例如，随着应变增加或环境温度或内部结构温度的突然或异常增加而对AE活动进行交叉检查可以进一步了解结构状态。这种传感器数据相关性还将减少实施智能数据处理和相关算法后传输的数据量。
6.1 信号检测
噪声和信号之间的区分（来自结构恶化）对于故障监测至关重要。环境（如铁路桥）被认为是非常嘈杂的。必须使用传统的硬件和传感器（宽带传感器）进行噪声分析，以表征不同电桥噪声的频带。这可以在混凝土，钢筋和钢桥分别进行现场试验时完成。区分信号和噪声的算法必须被开发并且被实现到微粒中。它们可以基于傅里叶变换或计算幅度平方相干性的互相关[例如Grosse，Glaser等人。2006;Grosse＆Reinhardt2007]。假设AE信号形式受到行程路径效应的控制，该行程路径效应超过了来自断裂过程的信号，区分技术从而得以实现。去噪技术和波形分析也可以帮助检测信号并区分它们。
6.2 本土化
不同的算法决定了多样的AE定位技术。大多数现有的解决方案都在其他地方描述[Grosse＆Ohtsu2007]。在CE结构中使用AE技术的监测技术是有必要的，比如“第一击”技术或计算2D源坐标的平面技术。由于处理时间和阵列间通信的功耗，传统的3D定位技术并未在无线传感器网络中实现。在很多情况下，信噪比不足以使用3D定位。而其他选项是基于阵列技术的方法。由于传感器阵列在地震学中得到了成功应用，阵列数据分析技术在所描述的SHM微粒中得以实现。只需要集群中的微粒之间的数据通信的技术现在正在测试中。
6.3 声发射阵列技术
Stuttgart-Vaihingen钢筋混凝土桥梁的声发射试验已经建立，用于测试和实施无线声发射技术，特别是AE阵列技术，包括定位，滤波（使用小波技术等），波束成形，fk-分析，VESPA-过程。
图5.Stuttgart“ramp”（左侧）和无线AE阵列
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