一种新型的高速铁路桥梁监测系统

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摘要:为了降低传统铁路桥梁监测系统功耗高,扩展性差的问题,设计了基于Imote2和IRIS无线传感器节点平台的桥梁监测系统。利用Imote2强大的数据处理功能和超低功耗特性,以及IRIS远距离无线收发的特点,控制由Imote2组成的无线自组织传感网络的数据采集时间,实现超低功耗的目的,并且应用CDMA无线通信技术,完成了桥梁的远距离监测。实验表明,在功耗方面比传统的监测系统降低了35%以上。

 

引 言

 

铁路桥梁在营运过程中不可难免会出现各种损伤现象,使得结构承受力与安全性降低。如今随着高速铁路在我国逐步普及,对高速铁路桥梁健康的在线监测提出了更为严格的要求。

 

高速铁路速度快,绝大多数铁路桥又都在野外,环境相对比较恶劣,因此,在线监测系统必须做到精度高、稳定性好,另外在恶劣的环境中,频繁地为数量巨大的节点更换电池不现实也不可能, 因而节点的能源供给都是一次性电池。这样,为了提高网络的使用寿命,高效能、低成本同样理所当然地成为节点设计的基本原则。

 

为了实现以上目标,通过对所用于该设计的硬件进行严格的挑选,最后采用了目前在国际上先进的MOTE(尘埃)技术,即Crossbow推出的Imote2和IRIS两款无线传感器节点平台,组成无线传感器网络(WSN),对加速度、动振幅、挠度等参量进行在线监测。其最大特点就是节能,即使在没有交流电源的环境下,仅仅利用电池就可以实现长时间的数据采集与传输,能够满足对野外桥梁状态的实时监测需求。

 

桥梁监测系统

 

桥梁在线监测,即通过对桥梁结构状态的监测与*估,为桥梁在特殊气候、特殊交通条件下或运营状况严重异常时触发预警信号,分析*估桥梁使用寿命,并为桥梁的养护、维修与管理决策、验证桥梁设计理论、改进桥梁设计方法和相应的规范标准提供科学的依据。

 

桥梁在线监测系统一般应包括以下几部分内容。

● 传感系统。用于将待测物理量转变为电信号,而在选择传感器及二次仪表的类型和数量时,应根据建立桥梁在线监测系统的目的和投资规模来确定。

● 数据采集和处理系统。实现对多种信息源、不同物理信号的采集与预处理,并根据系统功能要求对各种原始数据进行分解、变换以获取系统所需要的参数,并以一定的形式存储起来。

● 通信系统。将采集并处理过的数据传输到监控中心。

● 监控中心和报警设备。利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断,判断损伤的发生、位置、程度,对结构健康状况做出*估,如发现异常,发出报警信息。

 

基于WSN的铁路桥监测系统

 

无线传感器网络(WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,处理后的信息通过无线方式发送,并以自组多跳的网络方式传送给观察者。

 

铁路桥梁与一般桥梁的最大区别在于铁路桥在大部分时间是没有列车通过的,因此为了铁路桥梁在线监测过程中尽可能地降低功耗,在没列车通过时,系统是不进行数据采集的。为此我们在铁路桥梁两端分别布置了一个IRIS传感器节点平台,当铁路桥梁一端有列车过来时,该节点平台发射信号给无线传感器网络网关节点,进而通知Imote2节点开始数据采集,当列车经过铁路桥梁另一端时,此处的节点平台又发送信号给无线传感器网络网关节点,控制Imote2节点停止数据采集,充分达到减少能耗的目的。

 

本文设计的铁路桥梁在线监测系统如图1所示:包括若干个Imote2传感节点,它们被大量布散在桥梁关键监测区域,它们通过无线信道相连,形成一个多跳的自组织网络系统,对桥梁的挠度、应变等主要结构的受力状态进行监测,传感器单元将采集到的数据传送给Imote2的处理单元,处理单元完成数据处理和存储后,通过无线通信技术转发给网关节点, 网关节点可通过CDMA等方式将监测数据送到监控中心,并且系统可在异常情况下进行报警,监测人员可随时了解桥梁运行情况,达到健康监测的目的。


图1 铁路桥梁在线监测系统