高架路桥的传感器监测网络设计-王理组

传感器网络与物联网实验报告高架路桥的传感器监测网络设计指导老师：魏秀坤小组成员：王理管岭刘恩佑2015年1月13日高架路桥的传感器监测网络设计1高架路桥的传感器监测网络设计摘要：城市的高架桥道路建设目前成为城市建设的重点项目，高架桥在城市交通中扮演着越来越重要的作用。因而，对高架桥性能的实时监测也显得越来越重要，本文主要探讨了高架桥的实时监测传感器的布置方案，力求能通过对高架桥的监测，排除安全隐患，延长高架桥的使用寿命。关键词：高架桥传感器监测随着经济社会的不断发展，城市建设也如火如荼的进行，城市交通作为一个城市的血脉，其发展对城市经济的发展起到至关重要的作用。城市发展后，交通拥挤，建筑物密集，而街道又难于拓宽，采用高架桥桥可以疏散交通密度，提高运输效率。此外，在城市间的高速公路或铁路，为避免和其他线路平面交叉、节省用地、减少路基沉陷（某些地区），也可不用路堤，而采用高架桥桥。高架桥作为对城市交通由平面方向向立体方向的扩展，对城市交通性能的改善起着至关重要的作用。所以，对高架桥的性能的实时监测也显得尤为重要。通过在高架桥上安装传感器，对高架桥一些性能评价参数的采集和汇总，对数据进行实时分析，可以深层次的了解到高架桥此时的性能状况，有利于提前排除安全隐患，有利于施工建设队有针对性的对高架桥的关键部位进行保养和维护，从而节约成本，延长高架桥的使用寿命，为城市交通的发展和经济的发展创造更有利的条件。一、高架桥维护现状目前，高架桥的维护现状主要有一下几点：1、养护维护难度大，桥梁管理模式和手段落后，缺少科学的、系统的检验检测和管理方法。限于当时的技术条件，设计荷载低，加之缺乏养护资金及重视程度不够等原因，造成桥梁失修失养，有些桥梁的技术状况已不能满足当前的行车安全，因此桥梁的养护工作有很大的难度。2、养护资金不足。桥梁养护和维修资金不能及时到位，是当前面临的一大高架路桥的传感器监测网络设计2难题，使许多应该实施的养护工程无法正常进行。据统计，我国每年对桥梁养护投入的经费和桥梁病害相比相对较小，远不能满足城市桥梁养护工作的开展，使养护工作时常歇置。在这种情况下，要想拿出专门资金进行桥梁检测和维护，其难度可想而知。因此，很多桥梁的检测不能及时到位，养护和维修不能具体落实。3、技术力量薄弱专业技术水平较差，没有具体的检测装备和设备，难以承担高端养护管理工作。由于没有经验积累，基础薄弱，加上投入不足、重视不够等原因，桥梁养护技术水平普遍较低，检测手段落后。目前，养护人员对桥梁进行常规检查时主要靠目测，难以发现主要病害。相当数量的桥梁养护维护管理部门专业技术人才匮乏，检测仪器配备简易，很难具体全面地检测和记录桥梁的病害及其运行状况，造成不能准确描述和判断桥梁性能，且对一些轻微病害处理不当或不作处理，造成桥梁养护管理缺乏科学性。针对以上的问题，我们可以从以下几点进行改进：1.加强桥梁检测，建立动态桥梁数据库桥梁检测是获取桥梁数据的手段，是建立桥梁数据库的基础。目前，桥梁检测设备迅速发展，为我们能准确评价桥梁技术状况提供了保障。2.通过对桥梁检测的各个指标进行定量分析、综合判断，对桥梁的技术状况有全方面的了解，为确定桥梁的维修加固方案提供准确的基础数据。通过对单个技术指标对桥梁的影响程度的分析可以为资金投向提供依据。因此，建立桥梁的实时监测系统和动态数据库存储可以合理地、有针对性地对桥梁予以维护加固，改善提高桥梁的使用性能。通过对桥梁进行定期检查和特殊详细检查获取桥梁各部位的损伤程度及功能、标准、程度等方面的数据。为使数据完整、准确，必须要建立完备的管理体制，配备高素质的检测人员和足够的资金投入。二、传感器网络传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器高架路桥的传感器监测网络设计3网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。传感器网络具有以下特点：1.大规模为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。2.自组织在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。3.动态性传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。4.可靠性无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，节点可能工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。高架路桥的传感器监测网络设计45.以数据为中心传感器网络是任务型的网络，传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。6.集成化传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。其中，微机电系统技术的快速发展为无线传感器网络接点实现上述功能提供了相应的技术条件，在未来，类似“灰尘”的传感器节点也将会被研发出来。7.具有密集的节点布置在安置传感器节点的监测区域内，布置有数量庞大的传感器节点。通过这种布置方式可以对空间抽样信息或者多维信息进行捕获，通过相应的分布式处理，即可实现高精度的目标检测和识别。另外，也可以降低单个传感器的精度要求。密集布设节点之后，将会存在大多的冗余节点，这一特性能够提高系统的容错性能，对单个传感器的要求得到了大大降低。最后，适当将其中的某些节点进行休眠调整，还可以延长网络的使用寿命。8.协作方式执行任务这种方式通常包括协作式采集、处理、存储以及传输信息。通过协作的方式，传感器的节点可以共同实现对对象的感知，得到完整的信息。这种方式可以有效克服处理和存储能力不足的缺点，共同完成复杂任务的执行。在协作方式下，传感器之间的节点实现远距离通信，可以通过多跳中继转发，也可以通过多节点协作发射的方式进行.9.自组织方式之所以采用这种工作方式，是由无线传感器自身的特点决定的。由于事先无法确定无线传感器节点的位置，也不能明确它与周围节点的位置关系，同时，有的节点在工作中有可能会因为能量不足而失去效用，则另外的节点将会补充进来高架路桥的传感器监测网络设计5弥补这些失效的节点，还有一些节点被调整为休眠状态，这些因素共同决定了网络拓扑的动态性。这种自组织工作方式主要包括：自组织通信，自调度网络功能以及自管理网络等。另外，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户可以通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。三、高架桥传感器网络的设计通过在高架桥的关键力学部位安装相关的传感器，将传感器搜集到的数据汇总到计算机上，计算机通过相应的软件，运用相应的算法，对数据进行分析，完成对桥梁的实时监测。1.传感器的布置方案1.1传感器的安放位置为了能对高架桥的整体或局部性能进行评估，首先需要建立一系列评价机制，确定重要的评价参数。同时对于桥的某些关键部位，可以通过增加传感器数量或者安装更加精密的传感器的方式，来对此进行重点监测。图1传感器布置方案高架路桥的传感器监测网络设计6如上图所示，红色圆圈处列举了桥梁的某些受力部位，我们认为这些部位容易造成安全隐患。桥墩底部可能会由于地质变化造成下陷或者扭曲，应该安装探伤传感器和土壤下陷-倾角传感器。桥墩中间部位容易由于受力的积累产生裂纹或断裂，应安装力学传感器和探伤传感器。桥墩和路面的连接处是主要的受力部位，可能会由于热胀冷缩等各种物理性质产生裂缝，应安装探伤传感器。路平面的两侧是悬空部位，可能会因为长期的受力或者材料的老化而导致裂缝，所以也应在适当的位置安装探伤传感器。对一些关键受力或易损伤部位安装传感器集群或者传感器网络，这些传感器由中央计算机控制，可以保持时时唤醒状态。同时也可以配备相应的温度、湿度等传感器，检测材料的受腐蚀情况。这些有关天气的传感器可以保持休眠状态，在遇到大风大雨等极端天气时，可以由中央计算机唤醒。另一方面，也要在相应的距离和位置安装传感器的汇聚节点和管理节点，对各个基本的传感器节点进行数据汇总和传感器管理。这些节点最终由中央计算机进行管理。1.2传感器的自组织适应性由于安装的传感器数量巨大，在安装完毕后，难免会有某些传感器出现问题导致无法使用的情况。当某些传感器出现故障时，要发挥整个传感器网络的自组织性功能，及时重组整个网络，使整个网络能按照要求继续工作。目前，无线传感器网络自组织方式有：1.集中式：所有参与侦测的节点将数据通过多跳网络直接送给服务器，目标的位置和轨迹在服务器中产生。这种方法和传统网络的方式无太大区别，虽然服务器的处理能力很强，跟踪精度会很高，但由于节点的通信量庞大、延时大，所以这种方式在传感器网络中一般是不适用的。2.静态局部集中式：在网络中安排一定量具有较强处理能力的簇头(也叫超级节点)，普通节点在获得测量数据后传到簇头，簇头再对数据进行处理，然后通过簇头间的路由送到用户终端。这也是层次式的结构。虽然这是比较好的方法，但是对随机撒布形成高架路桥的传感器监测网络设计7的传感器网络无法控制簇头位置，事实上难以实现。在网络拓扑不可人为控制时，这种方法就失去了其有效性。3.动态局部集中式：簇首在目标跟踪过程中通过一定的准则动态产生，其他节点将数据传送给动态簇头；在目标离开簇首侦测范围后，产生新的簇头，原来的簇头恢复侦测状态，这是目前比较流行的方法。不过这种方法在目标频繁出现的情况下，容易引起网络“黑洞”，簇首负担过重，同时在参与传送数据的邻居节点数量和区域的选取上还需慎重考虑，以减少通信能量消耗。4.单点式：在目标跟踪的过程中，始终只有一个动态头节点在跟随目标。在任何时刻t，只有一个头节点k，他负责获取测量值并更新目标位置的估计。头节点从他的邻居节点中选取信息量最大的节点，然后将信息传给他。这个节点就成为下一时刻的头节点，原先的节点回到空闲状态。这种方法有效地减少了通信能量消耗。但是当头节点损坏或数据丢失后，跟踪就无法进行，降低了跟踪系统的稳定性。另外，这种方法只利用了信息量最大的节点，舍弃了其余的信息量，这一定会降低跟踪的精度。5.序贯式：测量值是通过“代理”的“走一遭”来获取，在获取过程中同时进行数据的