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无线智能传感器技术监测民用基础设施：技术开发和全面应用
*B.F. Spencer Jr. and Soojin Cho
伊利诺伊大学香槟分校土木与环境工程系，Urbana，IL 61801，USA bfs@illinois.edu，soojin@illinois.edu
4. 全剂量的实现
通过斜拉桥(第二珍岛桥)在韩国试验台和政府的桥梁岩岛阿森纳全面的部署，大多数上述硬件和软件的发展和进步已经被证实。本节将为大家描述这些部署工作。
4.1 美国韩国日本的无线智能传感器网络实验项目
珍岛大桥试验台被认为是一个在美国(伊利诺伊大学香槟分校),韩国(韩科院和首尔国立大学)和日本(东京大学)之间的国际合作研究工作。这个合作项目引发了第一个世界最大的长期的由无线传感器监控的民用基础设施的建设。
珍岛大桥是一对的孪生斜拉桥,它连接了珍岛郡和朝鲜半岛此前镇附近的西南角。测试床建于2006年的第二珍岛大桥(左边图14)。桥的箱梁,流线型的箱形梁与主跨度跨越了344米和70米。大梁由连接混凝土墩上的两个A型钢塔的60条支撑电缆支撑。
初始工作的部署 第一个在桥上试验台的部署在2009年进行。70年网络中传感器节点被分成两个子网:一个珍岛郡一侧,另一个在此前镇的一面。珍岛郡由33节点组成(22甲板节点，3个铁塔节点，8个有线节点)。此前镇由37个节点组成(26个甲板节点、3个铁塔节点，7个有线节点)。基站是为每个子网是收集数据。每个基站间由一个运行XP的专业系统工业级电脑(AAEON原子能委员会- 6905)，一个不间断的备份电源(APCES550)和一个网关节点组成。每个网关节点接口和相应的子网,由一个无线传感器网络节点,接口板和天线组成。每个叶子节点由一个无线传感器网络节点，电池,传感器板，天线和环境心理硬外壳组成。3D型电池主要用于大部分的叶节点,70个节点中的8个节点使用太阳能电池板和充电电池供电。SHM-A板被用来测量加速度、温度、湿度、光和大多数的节点信息;SHM-W传感器板(一个早期版本的SHM-DAQ)被用来测量三维超声波风速计的信号。分析部署的细节、评估和数据分析等信息可以参考Jang et al .(2010)和Cho et al .(2010b)。
2010 - 2011年的部署 先进的硬件和软件上使试验台大桥在2010年得以成功部署。在2009年，能量收获策略由于让人满意的性能被应用于所有的传感器节点;此外,一个小型风力涡轮机是通过安装一个节点来评估潜在的风能收益。对于目前世界上最大的国际合作项目无线智能传感器网络，网络规模在113传感器节点中也增加到了669个频道。为更好地理解风力环境,两个3D超声波风速计正在运用新开发的SHM-DAQ板来安装。10个SHM-H委员会被任命为DDA的组长。传感器节点是升级的外壳,能够更好的来连接可充电电池，太阳能电池板和抗风化的天线(参见图15和16)。
考虑到功能，网络规模，沟通范围和每个网络的通信协议等方面的因素，为了有效地经营这么大的传感器网络,无线智能传感器网络被分为四个子网。所有四个子网共享一个共同的软件配置,包括自动监测器,能量充电控制, 用定时时钟进行睡眠循环，通过自动控制命令来监控网络状态,由遥控设备进行集中式数据采集。除了这些共同特征之外，子网还有自己独特的软件应用：甲板网络采用中心数据聚合（DDA），通过冷凝传感器数据来有效利用有限的带宽，而电缆网络可以通过电缆终端设备（CTE）获得电缆的拉力应用程序。此外，珍岛郡一侧电缆上的节点具有多跳的通信功能。每个网络的传感器拓扑结构如图17所示。
为了有效管理所有这些功能，需要组织良好的管理软件（见图18）。在第二年的部署中，自动监测仪器被重做来提高稳定性并简化计划进度。这种精心设计的调度器能够允许进行有效的网络操作。此外，各种软件应用程序的容错率大大提高。
在2011年的第3年部署中，无线智能传感器网络中增加了更多功能和性能。为了降低能源的消耗，阈值控制器被改写为自主运行的，这对于需要多跳的通讯网络的运行特别重要。此外，还实施了一个长期睡眠模式来改善网络的长期性能（见第3.5节）。 并且电子邮件通知功能使网关节点能够在网络管理器中检测到异常时通知到网络管员无线智能传感器网络。一条改善了的多跳协议包括更好的优化路由算法已经在实施。最后，安装了新开发的应变传感器板（SHM-S）并在桥上得到了验证（见图8和图9）。
测量数据分析 每个传感器节点配有SHM-A或SHM-H传感器板以25Hz的用户采样率提供了3轴的加速度。图11显示的是金山侧甲板（z轴）中心跨度在历史上测量的样品加速时间在台风圆规到来的时期。当时的平均加速度水平约为20mg并且相对静止。图20展示出了海南边甲板上的z轴加速度功率谱密度（PSD）。
加速响应是从四个子网中收集的，并在自然中使用激励技术（NExT）结合（ERA）特征系统算法到识别自然的模式，如表2和图21所示。两个甲板的模态属性网络被组合以提供全球信息。要构建全局模式形状，应用最小二乘法在四个重叠传感器节点处将模式一起链接在甲板的中心（见图17）。大致的模态属性是来自于有线传感器系统（Cho等人，2010b）。
图22显示了两天中使用自动监测命令检测的的典型的电池充电状态（9月11日〜12日，2010）。第一天是晴朗的，第二天是下雨的。在这种部署下，默认检查周期为充电电流和电池1小时所有传感器节点的电压。如图22所示 （下），充电开始在6〜7AM左右，那么平均充电电流在白天保持在140mA左右，在下午6点左右停止充电。电池电压（图14，上）在白天受PMIC充电电路的影响结果不准确;充电后可以完整的测量出实际的电池电压（在晚上）。10000mAh锂离子电池的实际电压一天增加充电在4.1V，误差在0.02〜0.04V左右;这个适度的增长是因为电池当时几乎完全充满电。随着收费水平的上升，为了充电的安全充电速度变慢。第二天是多雨，平均充电电流约为70mA。哨兵节点（150,116和85）配备有两个太阳能电池板来补偿阈值控制器增加的电力需求;这些节点显示需要约130mA的充电电流。但是，在晴朗的天气控制电流的节点仍然是140mA，而不是其他传感器节点的两倍，这归因于电池几乎完全充电并且充电速度降低了的事实。
在2010年部署后，珍岛大桥经历过台风圆规的袭击，拥有960 hPa的中央压力和最大40m / s的风速（在2010年8月31日〜9月2日）。台风通过大桥时非常紧密如图23a所示。基于韩国气象局（KMA）的记录，风速为14〜20m / s，风来自于2010年9月1日的SSW地区（见图23b的白色箭头，在21点左右的珍岛地区）。风数据如图23c所示是在同一时间使用桥上的3D超声波和SHM-DAQ板测量得到的数据。该图显示了它的风速为15〜25m / s，风速为170〜200度（意为SE方向）方向。考虑到KMA（Chum-chal山）和珍岛桥海峡的位置，风的测量数据是一致的。
4.2岩石阿森纳政府大桥
目前，美国的大部分国家桥梁库存已经达到或正在达到其设计寿命的极限。 对于旧的和损坏结构的SHM，确保它们在其预期的使用寿命仍然起作用和保证安全是非常重要的。这些结构的持续监测和使用是一种来满足如今运输需求的可持续的方法。在115岁的时间内用集成的光纤和无线SHM系统实施的一个在岩石岛阿森纳的钢架政府大桥说明了SHM技术的重要用途。
政府大桥的介绍 政府大桥位于伊利诺斯州的洛克岛和达文波特之间的密西西比河上，政府大桥是由美国陆军和陆军工程兵团拥有和经营的两百多座钢桥之一。由国会授权于1894年，并于1896年建成，政府大桥由Ralph Modjeski设计，替代了在1872年建造以来功能已经过时的桥梁（Modjeski 1897）。政府大桥是八跨，双层，钢桁架桥，如图24a所示，其中上甲板承载爱荷华州际铁路（IAIS）铁路的交通，下甲板运载车辆的交通。大桥的第二跨度，如图24b所示，是一个可以在任何方向上360°旋转的牵引跨度来让船只通过，自建设以来一直处于连续运行状态。政府大桥仍然是国家交通网络中相关而且至关重要的环节。事实上，在过去几年中，大桥的重要性仅仅在IAIS建成的生物燃料工厂增长了，这意味着该国大部分乙醇和生物柴油通过这座大桥穿过密西西比河（Frailey 2011）。
综合SHM系统的发展 陆军工程兵团具有严格的维护和检查的时间表来保证桥梁的功能和安全。 为了补充传统的视觉检查，军团在政府大桥（Gilesetal。2011）的平展距离上安装了一个带有34个FBG应变传感器的光纤SHM系统。为了补充光纤应变系统，在2011年7月安装了主要装备三轴MEMS加速度计的无线SHM系统。
应变数据的初步分析表明，基于桥关闭方向的摆动，桥的跨度在测量构件中具有不同的应变水平。作为对称结构，牵引跨度的唯一区别特征是它用于进入楼梯经营者的房子。当这些楼梯上游（原始位置）时，应变水平就不同于楼梯处于下游位置（相对位置）时的应变水平。因此，为了确认桥的方向，有线数字罗盘被补充到SHM系统。这三个系统，光纤，无线和有线，共同构成了集成的SHM系统，来用于绘制跨度并在结构上生成丰富的数据。
将所有三个系统的测量结合到一个系统中将有望提供更稳健和完整的大桥信息。来自光纤系统的应变数据被处理来提供在桥上何时发生列车摆动事件的信息，并记录这些事件导致的应变变化。桥梁摆动引起的应变变化是不变的。来自无线系统的加速度数据被处理确定结构的模态属性。桥梁的模态属性和由于摆动事件引起的应变变化都可以反馈到模型更新的算法中以确定结构的安全变化指数。加速度数据也可用于损伤检测的算法，以确定系统构件的损伤指数(Giles et al. 2011).
安装无线SHM系统 在2011年7月，一个由22个叶节点组成的无线智能传感器网络被部署在洛杉矶阿森纳政府大桥。叶节点由无线传感器网络节点，电池板，传感器板，天线和坚固的外壳组成，类似于珍岛桥的部署。基于桥梁的有限元模型，传感器节点的设计被最优地运行用以得到最可能的模态数据。传感器的位置被放置在允许电池与太阳能电池板充电，并使它们不受沿下弦行走好奇行人的影响。
测量数据的分析 三个系统被安装一起运行来监测桥上的活动。指南针给出了桥梁的航向，并指出了桥梁何时转弯。图26a展示了从一个传感器节点获取的加速度数据。在桥梁的开启和关闭期间，桥梁端部的滚柱在加速度记录中引起大的冲击。在指示桥关闭脉冲大约30秒后，大桥可以正常通行。没有指南针数据是具有挑战性的，因为缺乏关于桥的方位和状态（即关闭和打开）的知识。SHM系统开始记录数据（采用日期约两分钟的延迟是由于网络同步），指南针指示桥已经离开其初始航线并开始逆时针转动;无线系统记录由其旋转引起的桥梁的振动（由机械系统引起的较高频率的振动不是旋转的加速度）。在船只通过的过程中，大桥经过一段时间中途停下;随后，桥开始旋转，振动也增加。
应变记录还有助于解释发生在无线SHM系统记录的加速度中的情况。如图26b展示出了用罗盘方位绘制的一个传感器节点的垂直加速度和距离接近无线节点的应变。指南针在整个记录中保持不变，表明加速度不是由摆动事件引起的。在这种情况下，列车在17:28左右进入桥梁，随着应变的增加，无线加速度计在三分钟后开始记录数据。在17:34之前，随着应变水平仍然在提高，列车停止在桥上运行，但没有经历任何动态数据。列车停车时，列车的加速度变低。短暂停车后，火车再次开始移动，加速度水平再次回升。如果没有应变记录来补充加速度测量值，来确定两列火车是否连续通过，或者在通道中间是否有一列暂停的火车将是相当困难的。鉴于正常的交通量并不表示与结构本身成比例的质量，满载列车及其发动机会引起类似于桥梁打开和关闭的应变变化，并应用于限定在列车过桥期间的任何模态数据。
频域分解器（FDD）（Brincker等，2001）主要用于识别桥梁的模态特性。在数字罗盘和应变仪的帮助下，选择在处于关闭位置的交通所引发的加速度数据。图27展示出了以100Hz采样率采集的60000个数据点获得的FDD的结果。图27a较低的三个奇异值（SV）;第一个SV显示了几个主要峰值。图27b-27f显示了桥梁较低的5个模式。大桥的形状长而窄;因此，横向模式形状是占主导地位的。第一垂直模式的频率是4.273Hz，约为第一固有频率的2.5倍。考虑到桥梁的形状和几何形状，实验模态的形状是合理的。使用模态信息，可以采用许多基于振动的系统识别技术，如有限元模型的更新，模态应变能量法和破坏应变矢量法，能用来评估桥梁的完整性。
5 结论
本文主要讨论了伊利诺伊大学无线智能传感器网络（WSSN）在厄巴纳 - 香槟分校开发的最新技术的最新进展和现场验证的情况。根据最近为民用基础设施的SHM开发情况，稳定和运行全面无线智能传感器网络的努力所吸取的教训来考虑了各种硬件和软件问题。现在可以使用最近开发的各种传感器板来捕获高保真，多尺度的响应。分散计算是通过充分利用计算能力和无线通信实现分散数据聚合和自主电缆张力的估计计算。多跳通信中的路由器是非常先进的，以最小化数据的丢失和能量的损失。数据流可用于模拟有线传感器和实时无线控制。ISHMP工具提供了更多的服务和容错功能。使用新的大桥（第二个珍岛大桥）和历史大桥（政府大桥），SHM实现了全面的无线智能传感器网络。根据无线智能传感器网络的评估数据及数据分析显示，无线SHM系统对民用基础设施的实用性很高。
本文所研究的成功部署证明了无线智能传感器网络对于SHM的巨大潜力。事实
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