无线传感网络技术在桥梁健康监测应用上的机遇与挑战

作者为中交路建交通科技有限公司桥梁结构健康监测中心工程师

近年来，随着社会各界对基础设施安全的重视程度不断提高，桥梁结构健康监测（SHM，Structural Health Monitoring）技术得以迅速发展和广泛应用。大量健康监测项目尝试着将无线传感网络（WSN, Wireless Sensor Network）技术应用于桥梁健康监测系统中，然而，由于实际工程项目的经验不足和基础科学理论的限制，无线传感器网络在桥梁健康监测领域尚不能完全代替基于有线传输的监测系统，从客观上制约了WSN技术在桥梁健康监测领域的发展。本文浅析WSN技术在桥梁SHM系统中的优势和不足，为开展桥梁结构健康监测系统建设工作提供参考。

图1-无线传感器体系结构

一、传统有线监测的痛点

桥梁结构健康监测系统可以通过安装在桥梁上的传感器，实时地将桥梁运营期的监测指标记录，并通过采集与传输系统传输至运营管理机构，可以为桥梁巡检和定期检测起到简化和补充的作用。由于SHM系统的供电和信号传输需求，需要在桥梁上布置大量线缆，给系统的造价和现场实施带来一定的难度。首先，桥梁SHM系统需暴露在室外甚至恶劣环境下，为保证线缆和管路的耐久性，减少线缆的老化和侵蚀等，需采购质量较好的线缆和管路，提高了项目的造价。其次，桥梁SHM系统项目的现场管线敷设，使项目工期延长，相应地压缩了项目利润。最后，在系统的维护阶段，复杂的管线及线路布置记录的误差和缺少都会给系统故障排查工作带来巨大困难。

二、无线传感网络技术的优势和机遇

无线传感技术可大大缩减桥梁SHM系统安装工程的施工工期和施工费用，避免大量管线布置，从而提高了监测系统的稳定性。

随着物联网、5G等技术都在迅猛发展，一些类型的无线传感器在功能上已经能够完全替代有线传感器，未来会有更多类型的无线传感器可用于桥梁SHM系统中。

图2-典型无线传感器网络体系组成

三、无线传感网络在桥梁SHM系统的应用的注意事项

在使用无线传感技术对桥梁进行长期监测，应注意以下几个方面的问题：

1、稳定性

无线传感器在保证传感器感知能力的同时，应尽量保证数据无线传输的稳定性。在实际工程中，传输数据有时会出现超时丢包等问题，可以为每个数据包赋予时间戳，并在采集站或起到采集站作用的节点发现有数据丢包现象时，即时通知采集点将丢失数据包重新发送。

2、时间同步性

桥梁SHM系统作为一个整体，病害或重大安全事故的感知往往需要同一时间多个测点数据综合反映，因此多个无线测点间应保证时间同步。可以采用加入一个能够覆盖系统所有测点的第三方广播的方法为各个测点校对时间，也可以在传感器上集成GPS系统的方法校对时间。

3、要使用合理的WSN拓扑结构

正如有线监测的测点布置需要考虑管线综合布置一样，合理的无线传感网络拓扑结构是监测系统能够发挥作用的重要保障。相比于有线监测系统，无线传感器自组网功能使设计者常常忽略系统的网络拓扑结构，合理网络拓扑结构可以提高系统的稳定性、降低功耗。

4、要保证无线传感器测点布置符合桥梁结构自身特性。

布置的传感器终究是为结构健康监测服务的，传感器测点的布置应在依据相关规范和结构分析或桥梁已有病害信息的基础上，适当考虑出于经济性和无线网络传输特性，对测点布设位置进行合理优化，切不可本末倒置。

四、无线传感网络所面临的挑战

无线传感网络相比于有线网络具有组网灵活、施工简单、易于维护等优点，但无线传感器还不能完全代替有线桥梁SHM系统。无线传感器代替有线设备需解决如下矛盾：

1、传感器的功耗和带宽、传输距离之间的矛盾。

任何网络不可能同时兼顾功耗、距离和带宽，只能依据项目自身特点在这三者之间进行平衡。例如在城市中多个小跨度桥梁组成的桥梁群的监测中，每座桥梁的传感器测点数量相对较少，相关规范对动态监测指标无硬性规定时，可选取低功耗、长距离、低带宽的通讯方式，如nb-iot、LoRa等。这种取舍只能是一定范围内的，例如依据《建筑与桥梁结构监测技术规范》（GB-50982-2014）规定，大跨度桥梁和结构特殊下桥梁需要监测车辆荷载，通常桥梁的运营管理部门会将桥面车辆荷载监测系统配合图像或影像传输使用，这种情况下，很难在不接入外部供电的情况下完成图像或影像的无线传输。

图3-无线通讯的不可能三角理论

2、无线传感器数据处理能力与桥梁SHM系统需求之间的矛盾。

为了减小设备数据传输量从而降低功耗，一些无线传感器内部加入了内置缓存和处理器模块，使传感器具有一定的数据处理能力。这样的技术适用于桥梁SHM系统中部分指标的监测，如利用加速度传感器使用基频法计算含有索或吊杆构件的桥梁索力时，可以在传感器内部完成索力计算，从而大大减小无线传感器的数据传输量。但是此种方法依然有多项技术难题有待突破，如利用加速度传感器监测桥梁在不同阶次振型下模态和频率，此时很难利用算法使用无线传感器处理过的少量数据获取结果。

3、无线传感器的成本和项目经济性要求之间的矛盾。

无线传感器通常由电池供电，电池的电量有限，一旦电量耗尽传感器则必须更换电池，而桥梁上的传感器通常安装在不易接触的位置，这使得传感器电池的更换成本高昂，大大增加了维护成本。如果使用存储电量较大的电池则增加了传感器的成本且很难做到小型化。而桥梁上的传感器通常需要在恶劣环境下工作，因此一些传感器为了实现防水防尘等需求，成品被设计为不可拆卸。另外，由于相关技术还在高速发展阶段，高昂的研发成本也使得无线传感器的价格远高于物料成本。所以，一套稳定的桥梁无线监测系统的项目成本甚至高于有线监测系统。

五、结语

尽管无线传感网络技术现阶段在桥梁结构健康监测系统中要想完全代替有线监测系统还有诸多困难有待攻克，但笔者认为桥梁健康监测系统的无线化依旧是大势所趋。当前比较现实的做法是有线与无线相结合的方式完成桥梁结构健康监测系统的建立，国内外也有多个利用此方法成功的成功案例。

无线桥梁结构健康监测的市场广阔，随着物联网和新一代通讯技术的高速发展，人们必然会将新技术应用到包括桥梁、隧道、边坡等基础设施健康监测领域，因此更多有上下游的企业和研究机构涉足这一领域。和一些互联网公司的产品经理通过“思想实验”得到的人们对物联网的需求不同，结构健康监测是真正意义上的刚性需求。例如，美国佛罗里达州的Sunshine Skyway斜拉桥早在上个世纪的中后期就已经建成了含有数百个测点的监测系统。而物联网（IoT，Internet of things）这一概念最早出现在比尔盖茨于1995年的《未来之路》一书中。可以看出，不是物联网这一概念催生了结构健康监测的诞生，而是结构健康监测的有待解决的难点刚好可以由物联网技术发展带来突破。

2019年12月13日

两点疑惑提出：

（1）无线传感网络时钟同步性问题。无线传感网络通过网络授时时钟精度可达多少？毫秒？微秒？文中提到“也可以在传感器上集成GPS系统的方法校对时间”硬件系统可行性有多大？或者另一方面成本上是否可行？

（2）无线传感网络数据传输带宽问题。nb-iot、LoRa等物联网协议传输带宽能否满足桥梁监测数据传输需求？主要针对动态采集的检测量，如应变、动挠度和振动等。

——编者按