大学生创新性实验计划项目申报表

南京航空航天大学国家大学生创新性实验计划项目申报表项目名称：飞机结构健康监测及强度试验用智能无线传感网络系统申请人：王子龙项目所属一级学科名称：航空宇航科学与技术专业：飞行器设计与工程学号：010610435身份证号：321081198803018416联系电话：[phone]电邮：[e-mail]指导教师:袁慎芳职称教授指导教师联系电话：[phone]指导教师电邮：[e-mail]申请日期：2008年10月10日南京航空航天大学教务处1项目简况项目名称飞机结构健康监测及强度试验用智能无线传感网络系统项目类别A、科学实验和科技制作、科研类；B、学术论文、社会调查类；C、其他类；（A）申请资助经费30000元项目起止时间2008年11月1日——2009年11月30日项目负责人姓名王子龙学号010610435性别男民族汉族出生年月1988.03.01学院一院专业飞行器设计与工程年级本科三年级必修课平均学分绩点3.703电话[phone]电邮[e-mail]第一指导教师情况个人简历姓名性别民族职称出生年月主要研究方向袁慎芳女汉族教授1968.4传感测控技术结构健康监测最后学位博士最高学历博士主要教学工作90年以来，一直从事结构健康监测、传感器与信号处理、测控技术和实验力学的科研与教学工作；获国家优秀教学成果二等奖1项。主要科学研究工作2002获博士生导师资格。先后主持国家863项目，国家自然科学基金项目，教育部“新世纪优秀人才”支持项目、预研项目、航空基金、江苏省创新人才基金等其他省部级项目8项。作为主要参加者参加了国家自然科学基金重点项目及国防基础和国防预研项目等近30项国家及省部级项目。由国防出版基金资助出版专著《结构健康监控》，作为主要编著人编著了专著《智能材料结构》，发表文章80余篇，其中50余篇被SCI、EI及ISTP收录。申请国家发明专利8项，已获授权2项。2002年被中国知识产权局及中国妇联联合授予“巾帼优秀发明者”称号。2003年被评为江苏省优秀科技工作者。2005年入选教育部“新世纪优秀人才计划”。项目组主要成员姓名性别学号所在学院项目分工签字联系电话张红男010610735航空宇航学院节电电路，硬件张红15850510907秦显慧男030620434自动化学院网络协议，软件秦显慧15950519840其他指导教师简况姓名性别所在学院研究方向项目分工签字联系电话21.项目研究的内容、目的和意义、具体目标等无线传感器网络是由大量依据特定的通讯协议，可进行相互通信和协作的智能无线传感器节点组成的网络。无线传感器网络有着广泛的应用前景，飞机结构的强度试验和健康监测也是该技术的一个重要应用领域。在航空领域，机体结构是各类军用飞行器发展必不可少的平台，结构强度性能是确保飞行器先进结构、机构可实现和保证飞行安全并满足战技指标的最主要的关键技术之一，其技术发展水平和解决关键技术难题的积累直接关系到先进飞行器平台研制的成败。飞机结构的静力/疲劳实验是研究飞行器结构强度的重要手段。飞机结构试验通过有计划地对结构受载后的性能进行观测和对测量参数如压力、位移、振幅、振频、疲劳寿命等进行分析，对结构的工作性能和承载能力做出正确的评价和估计，并为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。飞机结构的静力/疲劳实验技术的发展已有一定的历史，积累了一定的经验，尤其是飞机静力试验方法。但目前随着航空科学技术的飞速发展，飞机结构设计思想不断更新，轻质、高可靠性、高机动性、高维护性、高生存力、超音速巡航、隐身、大航程和短距起落的综合要求已成为现代军用飞机结构设计的一项极为重要而且必须遵循的准则。这些性能要求使得结构材料面临更加恶劣的使用环境，也为飞机结构的静力/疲劳实验提出了新的要求。目前飞机结构的静力/疲劳实验普遍存在测量点多、规模大等特点，因此造成了引线复杂、附加重量大等问题；此外，试验系统整体的智能化、网络化程度不高，使得飞机静力/疲劳试验的整体效率不高，测量精度有待改进，费用有待降低。另一方面，在线实时地对结构状态进行监测的结构健康监测技术近年来一直是研究的热点，结构健康监测技术则利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度等)，并结合先进的信号信息处理方法和结构力学建模方法，提取结构特征参数，识别结构的状态。结构健康监测技术对于提高航空航天飞行器结构、国防武器装备结构的安全性、延长结构寿命、降低结构维护费用具有重要的意义，但由于需要将大量传感元件同结构集成，因此也迫切需要降低附加重量、提高系统运行速度及精度的有效方法。无线传感器网络为实现高效率、高精度、低重量、智能化的飞机结构静力/疲劳实验系统和健康监测系统提供了很好的手段。采用无线传感器网络将大大减少器件引线数量，从而大大降低由于增加测试系统所导致的结构重量的增加；无线传感器可方便地安装于结构形状比较复杂，不便于引线的部位；由于无线传感器网络节点具有局域信号处理功能，很多信号信息处理工作可在传感节点附近局部完成，将大大减少所需传输的信息量，并将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，变为一种并行的分布式信息处理系统，将大大提高试验系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性。本项目将针对大型结构健康监测和静力／疲劳试验系统的要求及特点，研究适合于结构健康监测和静力／疲劳试验的智能无线传感器节点的实现；传感器网络的组织结构、网络通信协议的实现方法及设计理论；基于智能无线传感网络的静力／疲劳试验方法，相关研究进展对于减少结构健康监测和静力/疲劳试验系统中的引线数量、提高测试精度和效率、降低费用具有重要的意义。无线传感器网络为实现高效率、高精度、低重量、智能化的飞机结构静力／疲劳实验系统和健康监测系统提供了很好的手段。32.国内外的研究状况（800字左右，附不少于8篇参考文献）无线传感器网络的最初研究来源于美国军方。美国国防先进研究计划局（DARPA）于2001年在“网络嵌入式软件技术”（Networkembeddedsoftwaretechnology）项目的支持下，资助加州伯克力大学开发了名为“SmartDust”（智能灰尘）或“Mote”的无线传感器开发系统，从那时期起到现在，DARPA每年都投入几千万美元进行无线传感器网络技术的预研〔1〕。2002年8月初，美国国家科学基金委（NSF）、DARPA、航空航天局（NASA）等12个重要研究机构在加州伯克利大学联合召开了“未来传感系统”国家研讨会，旨在探讨未来传感器系统及其在工程应用中的前沿发展方向。会议讨论认为无线传感器网络的实现及其传感数据的传输、分析及决策技术的研究同基于微机械、纳米技术的新型传感技术一样，代表着未来传感器研究的前沿方向，并且对于战场信息感知、国土安全与反恐战争、大型结构健康监测及强度实验等工程应用领域具有极其重要的研究意义〔2〕。基于该次会议的讨论，美国NSF于2003年初，由工程学部及计算机与信息工程学部联合发布了传感及传感器网络研究指南，投资3400万美元用于支持该方面的基础研究，着重将无线传感器网络的实现及其传感数据的传输、分析及决策技术列入了鼓励研究方向，正是基于这样的背景，国外掀起了一股无线传感器网络的研究热潮。目前的研究表明：无线传感网络系统可以广泛应用于国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、医疗卫生、反恐、灾害监测等领域。由于它的巨大应用价值，已经得到了许多国家的军事部门、工业界的极大关注〔3-12〕。在国内，无线传感网络的研究已经起步，清华大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院合肥智能所等单位已开始进行这方面的研究〔13-14〕。针对结构健康监测和飞机静力/疲劳试验的研究，国内几乎是空白，南京航空航天大学、哈尔滨工业大学，都开展了一些前期的探索〔15-16〕，其中南京航空航天大学航空科技智能材料与结构重点实验室已初步研制了自己的节点，但总体上，国内这方面的研究还处起步阶段，同国外水平有一定差距。参考文献：1.，NSF03-512，Dec.，2002。3.Bulusuetal.,ScalableCoordinationforWirelessSensorNetworks:Self-ConfiguringLocalizationSystem,ISCTA2001,Ambleside,U.K.,July2001.4.SavareseC,andRabaeyJ,RobustPositioningAlgorithmforDistributedAd-hocWirelessSensorNetworks.In:ParkY,ed.ProceedingsoftheUSENIXTechnicalAnnualconference.Monterey:USENIX,2001,317-328.5.LanF.Akyildiz,Weiliansu,YogeshSankarasubramaniam,etal.ASurveyonSensorNetWorks,IEEECommunicationsMagazine,Auguest2002.102－114.6.GanesanD,et.al,Highly-Resilient,Energy-EfficientMultipathRoutinginWirelessSensorNetworks.MobileComputingandCommunicationsReview,2002,1(2):295-298.7.Woo,T.Tong,andD.Culler(2003),Tamingtheunderlyingchallengesofreliablemultihoproutinginsensornetworks,ProceedingsofthefirstACMConferenceonembeddednetworkedsensorsystems,LosAngeles,USA.8.MarceloG.Rubinstein,IgorM.Moraes,MiguelEliasM.Campista,LuísHenriqueM.K.Costa,OttoCarlosM.B.Duarte,ASurveyonWirelessAdHocNetworks,2006,ISBN4978-0-387-34634-29.NicolasFournel,MarineMinier,StéphaneUbéda,SurveyandBenchmarkofStreamCiphersforWirelessSensorNetworks,2006,ISSN0302-9743.10.牟连佳，牟连泳，无线传感网络及其在工业领域应用研究，工业控制计算机，2005，01。11.杨扬，朱善安，基于无线传感网络的环境监控系统的设计和实现，工业控制计算机，2007，9。12.桑海泉，康荣学，无线传感网络在安全生产中的应用，中国安全生产科学技术，2007，5。13.任丰原，黄海宁，林闯（2003），无线传感器网络，软件学报，14(7):1282－1291。14.马祖长，孙怡宁，梅涛（2004），无线传感网络综述，通信学报，25(4):114-124。15.赖小松，袁慎芳,嵌入式Adhoc无线传感器的载荷定位研究，测控技术，2004，12，8-10。16.叶伟松，袁慎芳，无线传感网络在结构健康监测中的应用，传感技术学报，2006，03。3.研究方法、研究方案及可行性（理工类项目填写技术路线和技术指标）研究方法及方案：1）.智能无线传感节点硬件的研究节点的实现包括硬件与软件两部分，节点的硬件由信号调理电路、A/D转换器、微处理器及其外围电路、射频电路、电源及其电源管理电路组成。节点的设计将采用