一種新型的高速鐵路橋梁監測系統

　　摘要：為了降低傳統鐵路橋梁監測系統功耗高，擴展性差的問題，設計了基于Imote2和IRIS無線傳感器節點平臺的橋梁監測系統。利用Imote2強大的數據處理功能和超低功耗特性，以及IRIS遠距離無線收發的特點，控制由Imote2組成的無線自組織傳感網絡的數據采集時間，實現超低功耗的目的，并且應用CDMA無線通信技術，完成了橋梁的遠距離監測。實驗表明，在功耗方面比傳統的監測系統降低了35%以上。

　　關鍵詞：無線傳感器網絡;Imote2;IRIS;在線監測;高速鐵路

　　引 言

　　鐵路橋梁在營運過程中不可難免會出現各種損傷現象，使得結構承受力與安全性降低。如今隨著高速鐵路在我國逐步普及，對高速鐵路橋梁健康的在線監測提出了更為嚴格的要求。

　　高速鐵路速度快，絕大多數鐵路橋又都在野外，環境相對比較惡劣，因此，在線監測系統必須做到精度高、穩定性好，另外在惡劣的環境中，頻繁地為數量巨大的節點更換電池不現實也不可能， 因而節點的能源供給都是一次性電池。這樣，為了提高網絡的使用壽命，高效能、低成本同樣理所當然地成為節點設計的基本原則。

　　為了實現以上目標，通過對所用于該設計的硬件進行嚴格的挑選，最后采用了目前在國際上先進的MOTE(塵埃)技術，即Crossbow推出的Imote2和IRIS兩款無線傳感器節點平臺，組成無線傳感器網絡(WSN)，對加速度、動振幅、撓度等參量進行在線監測。其最大特點就是節能，即使在沒有交流電源的環境下，僅僅利用電池就可以實現長時間的數據采集與傳輸，能夠滿足對野外橋梁狀態的實時監測需求。

　　橋梁監測系統

　　橋梁在線監測，即通過對橋梁結構狀態的監測與評估，為橋梁在特殊氣候、特殊交通條件下或運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，分析評估橋梁使用壽命，并為橋梁的養護、維修與管理決策、驗證橋梁設計理論、改進橋梁設計方法和相應的規范標準提供科學的依據[1]。

　　橋梁在線監測系統一般應包括以下幾部分內容[2]。

　　● 傳感系統。用于將待測物理量轉變為電信號，而在選擇傳感器及二次儀表的類型和數量時，應根據建立橋梁在線監測系統的目的和投資規模來確定。

　　● 數據采集和處理系統。實現對多種信息源、不同物理信號的采集與預處理，并根據系統功能要求對各種原始數據進行分解、變換以獲取系統所需要的參數，并以一定的形式存儲起來。

　　● 通信系統。將采集并處理過的數據傳輸到監控中心。

　　● 監控中心和報警設備。利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數據進行診斷，判斷損傷的發生、位置、程度，對結構健康狀況做出評估，如發現異常，發出報警信息。

　　基于WSN的鐵路橋監測系統

　　無線傳感器網絡(WSN)就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，能夠協同地實時監測、感知和采集網絡覆蓋區域中各種環境或監測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發送，并以自組多跳的網絡方式傳送給觀察者[3]。

　　鐵路橋梁與一般橋梁的最大區別在于鐵路橋在大部分時間是沒有列車通過的，因此為了鐵路橋梁在線監測過程中盡可能地降低功耗，在沒列車通過時，系統是不進行數據采集的。為此我們在鐵路橋梁兩端分別布置了一個IRIS傳感器節點平臺，當鐵路橋梁一端有列車過來時，該節點平臺發射信號給無線傳感器網絡網關節點，進而通知Imote2節點開始數據采集，當列車經過鐵路橋梁另一端時，此處的節點平臺又發送信號給無線傳感器網絡網關節點，控制Imote2節點停止數據采集，充分達到減少能耗的目的。

　　本文設計的鐵路橋梁在線監測系統如圖1所示：包括若干個Imote2傳感節點，它們被大量布散在橋梁關鍵監測區域，它們通過無線信道相連，形成一個多跳的自組織網絡系統，對橋梁的撓度、應變等主要結構的受力狀態進行監測，傳感器單元將采集到的數據傳送給Imote2的處理單元，處理單元完成數據處理和存儲后，通過無線通信技術轉發給網關節點， 網關節點可通過CDMA等方式將監測數據送到監控中心，并且系統可在異常情況下進行報警，監測人員可隨時了解橋梁運行情況，達到健康監測的目的。