伴隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多大型復雜工程結(jié)構(gòu)得以興建，如超大跨橋梁、用于大型體育賽事的超大跨空間結(jié)構(gòu)、超高層建筑、大型水利工程、海洋平臺結(jié)構(gòu)以及核電站等，它們的使用壽命長達幾十年、甚至上百年。然而，受環(huán)境侵蝕、材料老化、疲勞與突變等災害因素的耦合作用，不可避免地導致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，甚至在極端情況下引發(fā)災難事故。為了保障結(jié)構(gòu)的安全、可靠，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測越來越受到重視。

“無線”VS“有線”

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以傳感器準確采集傳輸數(shù)據(jù)為前提，數(shù)據(jù)采集主要通過傳統(tǒng)的“有線”傳感器來實現(xiàn)，它具有采集信號準確、抗干擾性能強等特點。但是，利用“有線”傳感器組成的監(jiān)測網(wǎng)絡布線量大、安裝和維護成本高、可靠性差，甚至在一些結(jié)構(gòu)中無法實現(xiàn)布線。隨著傳感器與無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)已開始向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面滲透。無線傳感器及其網(wǎng)絡系統(tǒng)由于其小型化、集成化、低維修費用、安裝方便等特點，在大型基礎設施智能化監(jiān)測方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。

無線傳感網(wǎng)絡克服了有線傳感網(wǎng)絡的不足，采用了先進的封裝技術(shù)，具有體積小、低功耗、可靠性高等特點，適合集成。同時，無線傳感器還具有智能處理單元，可以對信號進行預處理，對特征信號進行初步提取，這樣可以大大分散中央處理器在數(shù)據(jù)處理方面的壓力。無線傳感單元的無線收發(fā)模塊通常使用在工業(yè)通信頻率上，無須單獨申請頻點，通信不受電信部門的限制。此外，無線傳感器體積小、具有節(jié)能的特點，可以方便地安放在被測結(jié)構(gòu)物上，并且依據(jù)設定的通信協(xié)議，實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡，形成實時高效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

無線智能監(jiān)測網(wǎng)絡一般由結(jié)構(gòu)健康評價系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)組成。本文介紹的方法是一種異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡。異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡與同構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡不同，前者傳感器的節(jié)點，具備不同的資源配置，更能滿足實際監(jiān)測場景對于無線傳感網(wǎng)絡的需求。異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡是由低成本、具備感知、數(shù)據(jù)處理、存儲和無線通信能力的多類型微型傳感器節(jié)點，通過自組織方式形成的網(wǎng)絡，這種特性使得異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡非常適合用于大型基礎設施的安全監(jiān)測。

異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡的優(yōu)化布置

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的無線傳感技術(shù)日趨完善，智能化程度日益提高。許多重要工程設施，特別是一些大跨度橋梁工程上開始安裝無線健康監(jiān)測系統(tǒng)。值得注意的是，這些大型橋梁無線監(jiān)測系統(tǒng)實際部署的傳感節(jié)點大多采用太陽能或風能供電，由此帶來一系列能耗問題，導致系統(tǒng)不能很好地滿足橋梁監(jiān)測的實際需要。為了解決以上問題，需要對現(xiàn)有的異構(gòu)無線網(wǎng)絡的布置方法進行優(yōu)化。通過研究異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡優(yōu)化機理，發(fā)現(xiàn)以提高模態(tài)識別精度和降低網(wǎng)絡能耗為目標的傳感器布置方案，對于解決上述問題有良好的實用效果。

結(jié)構(gòu)模態(tài)識別

在同構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡中，結(jié)構(gòu)模態(tài)之間存在正交性，適宜常用的模態(tài)評價準則。但在異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡中，存在加速度和應變兩種傳感器節(jié)點，然而兩種類型傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)模態(tài)并不存在正交性?！敖Y(jié)構(gòu)模態(tài)識別”是通過運用模態(tài)清晰度和模態(tài)相對誤差，將兩者比值作為模態(tài)評價準則。該評價準則結(jié)合了模態(tài)之間的清晰程度、實際模態(tài)與實驗模態(tài)之間的誤差，其對模態(tài)的評價更具全面性和充分性。

為了得出異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡中的不同傳感器節(jié)點個數(shù)和與其對應位置對結(jié)構(gòu)模態(tài)識別和網(wǎng)絡能耗的影響規(guī)律，本方法選用如圖1所示的實驗室桁架結(jié)構(gòu)模型作為研究對象。結(jié)合該桁架結(jié)構(gòu)，經(jīng)過有限元分析，提取結(jié)構(gòu)的位移振型向量和應變振型向量。用仿真信號來代替試驗信號，對結(jié)構(gòu)施加外加激勵，可以得到任意測點的加速度和應變信號，最后通過ERA法得到位移振型向量和應變振型向量。在進行結(jié)構(gòu)模態(tài)識別計算時，先通過模態(tài)識別方法得到結(jié)構(gòu)的試驗模態(tài)，然后與有限元仿真模態(tài)進行比較，得到異構(gòu)無線傳感器布置方案的模態(tài)識別指標。結(jié)構(gòu)模態(tài)振型是根據(jù)有限元分析時所劃分單元的位移來確定，從而能夠從整體上反映結(jié)構(gòu)振動情況。

實驗室桁架結(jié)構(gòu)

為了研究傳感器個數(shù)和位置對模態(tài)識別的影響，采用不同個數(shù)傳感器和不同位置，共計16 種不同的均勻布置方案以及9 大類的非均勻布置方案。通過計算均勻布置方案和非均勻布置方案的模態(tài)識別指標，得出傳感器布置與模態(tài)識別的一般規(guī)律。在進行模態(tài)識別指標計算之前，需要從有限元數(shù)據(jù)仿真中分別提取加速度和應變信號，運用ERA 模態(tài)識別方法得到模態(tài)參數(shù)。然后用ANSYS 直接提取模態(tài)參數(shù)與用ERA 法得到的模態(tài)振型參數(shù)進行對比。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)模態(tài)識別指標隨著異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點個數(shù)增加而增加，同時隨著網(wǎng)絡覆蓋半徑的增加而增加。當傳感器總數(shù)一定時，采用一定配比的傳感器能夠最大化模態(tài)識別指標。

無線傳感網(wǎng)絡能耗

無線傳感節(jié)點由通信單元、處理器單元、感知單元、供能單元組成。當無線傳感器工作時，能量消耗主要集中在以下四部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送。所有會產(chǎn)生能耗的數(shù)據(jù)過程都必須考慮在內(nèi)，以下為無線傳感節(jié)點各模塊的能耗。

為方便探究網(wǎng)絡能耗，建立網(wǎng)絡能耗計算模型來模擬傳感器布置和數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域，如圖3所示，無線加速度和應變傳感器節(jié)點隨機分布在一個球體空間內(nèi)，組成一個異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡，基站布置在球體空間的球心處。

無線傳感器網(wǎng)絡能耗模型（R’為傳輸半徑或簇半徑）

對于該球體能耗模型，做了以下假設：無線傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)采集的速率保持不變，并且無線傳感器節(jié)點不存在空閑與休眠階段；所有無線傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)全部發(fā)送給上級節(jié)點或基站；傳感器節(jié)點是均勻分布在網(wǎng)絡中的。根據(jù)提出的網(wǎng)絡能耗公式，通過改變其中的網(wǎng)絡層數(shù)，可以得到多跳形式的無線傳感器網(wǎng)絡的能耗。圖4可以直觀地反映傳感器布置個數(shù)與覆蓋半徑對網(wǎng)絡能耗的影響。通過該圖可以看出，不同的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)具有不同的網(wǎng)絡能耗。隨著網(wǎng)絡覆蓋半徑的增加，網(wǎng)絡能耗也隨之增加；隨著傳感器個數(shù)的增加，網(wǎng)絡能耗同樣隨之增加。

當M=1或2時傳感器配比和覆蓋半徑對網(wǎng)絡能耗的影響

無線傳感節(jié)點優(yōu)化布置

在傳感器優(yōu)化布置問題中主要需解決3個問題——確定各種類型的傳感器個數(shù)、每個傳感器節(jié)點的位置、傳感器布置之間以何種布置準則進行。針對異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡，一方面，針對監(jiān)測具有較高的結(jié)構(gòu)模態(tài)識別程度，實現(xiàn)健康監(jiān)測工作的實際意義；另一方面，針對所有無線傳感器網(wǎng)絡最大的問題，需要考慮網(wǎng)絡能耗，在相同工作量的同時，盡量降低能耗，以延長傳感器網(wǎng)絡的工作壽命。

在上述兩個目標中，都與傳感器節(jié)點的個數(shù)和在網(wǎng)絡相應的位置有關(guān)，即兩類傳感器分別的個數(shù)和相對應的傳感器網(wǎng)絡的覆蓋半徑。將兩個目標統(tǒng)一在一個目標函數(shù)中，形成一個數(shù)學表達公式。但是這兩個目標具有不同的物理意義，從整體上來說，目標函數(shù)值大小只是數(shù)值的反映，并且單個目標的數(shù)量級也不在一個層次上，這就需要將這兩個目標進行系數(shù)調(diào)整。

FE(FM,FE)=(fMwMFM(Na,Ns,Ra,Rs)+fEwEFE(Na,Ns,Ra,Rs)

其中：

FM：模態(tài)識別指數(shù)；

FE：網(wǎng)絡能耗；

wM：模態(tài)識別指數(shù)調(diào)整系數(shù)；

fM：模態(tài)識別權(quán)重系數(shù)；

wE；網(wǎng)絡能耗調(diào)整系數(shù)；

fE：網(wǎng)絡能耗權(quán)重系數(shù)。