無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合，是目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域研究與實(shí)踐的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。近日，由清華大學(xué)電子工程系教授楊華中團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)開發(fā)的“基于無線傳感網(wǎng)的大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目，獲得了2016年度中國公路學(xué)會(huì)一等獎(jiǎng)。

　　國內(nèi)大橋橋體安裝的無線傳感器，資料圖

　　據(jù)了解，在清華大學(xué)已有的低功耗芯片和節(jié)點(diǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上，楊華中團(tuán)隊(duì)為了研發(fā)面向橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)成員王鵬軍博士進(jìn)一步攻克時(shí)間同步、傳感器等一系列難題。

　　項(xiàng)目研究成果

　　時(shí)間同步問題，一直是國際既有無線橋梁監(jiān)測方式的局限，該項(xiàng)目率先成功應(yīng)用了精度自適應(yīng)時(shí)間同步算法，同步精度達(dá)到10μs，大大優(yōu)于常規(guī)橋梁監(jiān)測要求的1-100ms;同步收斂速度優(yōu)于傳統(tǒng)100%以上，精度可調(diào)可自適應(yīng)。

　　傳感器的壽命問題，是關(guān)系到橋梁監(jiān)測系統(tǒng)能否長期穩(wěn)定運(yùn)行的核心問題。該項(xiàng)目集成開發(fā)并成功應(yīng)用平均100μA(3V時(shí))的低功耗傳感器，工作壽命優(yōu)于現(xiàn)有傳感器達(dá)2到3倍以上，更為適應(yīng)太陽能供電等非穩(wěn)定性供能條件。

　　據(jù)了解，這一項(xiàng)目研發(fā)并成功應(yīng)用基于功率譜峰值突出預(yù)處理的索力算法，拉索基頻解算精度為0.1%-1.0%FS，可全面替代傳統(tǒng)索力傳感器。

　　同時(shí)，項(xiàng)目率先成功應(yīng)用振弦類傳感器動(dòng)態(tài)采樣方法，采樣率5-100Hz，頻率信號(hào)精度0.1-0.4Hz，突破了振弦類傳感器數(shù)十年來僅可靜態(tài)采樣(采樣率通常低于0.02Hz)的應(yīng)用局限。

　　基于上述技術(shù)，該項(xiàng)目成功開發(fā)的無線智能傳感器與云平臺(tái)集成的大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方法，對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測方式，可降低50%以上的建設(shè)和運(yùn)維成本，節(jié)省70%以上的建設(shè)時(shí)間。

　　技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

　　2012年，楊華中團(tuán)隊(duì)在江蘇無錫重要的交通樞紐——蓉湖大橋上布設(shè)完成了當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，一時(shí)引起了社會(huì)極大關(guān)注。

　　不需要任何線纜，通過一個(gè)個(gè)巴掌大小的無線智能傳感器，蓉湖大橋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)傳回到業(yè)主單位的電腦上。業(yè)主單位說，整個(gè)項(xiàng)目搭建過程時(shí)間短，不影響交通，后期維護(hù)成本低且非常便捷，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，軟件應(yīng)用起來也非常方便。

　　剛果(布)的布拉柴維爾沿河大道斜拉橋，資料圖

　　5年來，楊華中和他的團(tuán)隊(duì)在包括河南鄭州劉江黃河大橋、四川瀘州長江大橋、泰安長江大橋、無錫開源大橋、山東淄博樵嶺前大橋等數(shù)十座橋梁上實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，做過眾多的橋梁專項(xiàng)檢測、監(jiān)測項(xiàng)目，并率先被應(yīng)用于一帶一路項(xiàng)目——?jiǎng)偣?布)布拉柴維爾沿河大道斜拉橋的監(jiān)測中。

　　業(yè)主單位回饋稱，通過使用無線智能索力傳感器，能獲得比以前更準(zhǔn)確、充分、可靠的數(shù)據(jù)采集樣本，極大提高了工作效率、降低了上橋工作的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　此外，近年來，楊華中團(tuán)隊(duì)的相關(guān)無線智能傳感器、傳感云服務(wù)等技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用領(lǐng)域也早已從橋梁拓寬至軌道交通、隧道、邊坡、水庫大壩、古建筑物等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。