無線傳感橋梁監(jiān)測的高寒解決方案

文/黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院

獲獎(jiǎng)等級(jí)：三等獎(jiǎng)

項(xiàng)目名稱：高寒地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的未來，然而在推廣應(yīng)用過程中卻面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。為此，“高寒地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目針對(duì)高寒地區(qū)橋梁健康監(jiān)測無線傳感系統(tǒng)面臨的諸多瓶頸問題，例如電池?fù)p耗快、工作壽命短、漂移嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)能耗不平衡、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等，開展了一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，旨在進(jìn)一步降低惡劣環(huán)境下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長健康監(jiān)測系統(tǒng)的壽命，從而實(shí)現(xiàn)高精度測量、數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸、高效準(zhǔn)確評(píng)估，并通過實(shí)際工程案例驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)的可行性和可靠性。

在無線傳感器方面，該項(xiàng)目研發(fā)了面向低功耗無線傳感器的全系列集成硬件IP設(shè)計(jì)。其結(jié)果顯示模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC能耗降低75%，分辯率提升7.3倍，突破了低能耗與高分辯率之間的矛盾；數(shù)字處理單元在不增加面積與延時(shí)的前提下，能耗降低39%以上，突破了低能耗與高性能之間的矛盾；獨(dú)創(chuàng)的軟總線架構(gòu)，極大地縮短了硬件產(chǎn)品的研發(fā)周期，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

在無線網(wǎng)絡(luò)通信方面，該項(xiàng)目開發(fā)了B-Stack無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使高寒惡劣自然環(huán)境下低丟包率與低信道占有率達(dá)到國際領(lǐng)先水平；依托子空間投影——稀疏恢復(fù)深度學(xué)習(xí)框架，采用時(shí)間相關(guān)稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)算法消除了漂移；發(fā)明了局部迭代估計(jì)與全局單包傳播的時(shí)間同步協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了國際領(lǐng)先的10μs級(jí)同步數(shù)據(jù)采集，提升了振型等參數(shù)的測量精度。

在結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面，該項(xiàng)目發(fā)明了索撐橋梁索群索力振動(dòng)法測量的等代鉸接梁插值模型、基于比弦模型的兩端固接邊界拉索索力測量方法、拉索截面抗彎剛度識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了高精度振動(dòng)法索力識(shí)別，其研究成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

基于上述硬件和算法開發(fā)的高寒地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理分析功能，可自動(dòng)生成安全評(píng)價(jià)報(bào)告，其預(yù)警信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息將自動(dòng)發(fā)送到主管部門負(fù)責(zé)人手機(jī)。

目前，“高寒地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”已成功應(yīng)用于高寒地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5年來，該項(xiàng)目累計(jì)實(shí)現(xiàn)直接經(jīng)濟(jì)效益1.2億元。其中，2017年，黑龍江省烏蘇大橋建成高寒地區(qū)第一個(gè)橋梁長期監(jiān)測無線傳感網(wǎng)，橋址所在位置極端最低溫度可達(dá)零下40攝氏度。此后，該項(xiàng)目的研究成果還陸續(xù)應(yīng)用于哈爾濱四方臺(tái)大橋、哈爾濱繞城高速松花江大橋。

1.5萬余公里勘察設(shè)計(jì)路

作為該項(xiàng)目的主要完成單位之一，黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院創(chuàng)建于1958年，是全國十個(gè)首批獲得交通部頒發(fā)的公路工程勘察與公路工程設(shè)計(jì)“雙甲級(jí)”設(shè)計(jì)院之一，是中國公路勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)和中國公路學(xué)會(huì)理事單位。現(xiàn)持有國家工程勘察綜合甲級(jí)，公路行業(yè)（公路、特大橋梁、特長隧道，交通工程）專業(yè)甲級(jí)；工程咨詢甲級(jí)；工程監(jiān)理甲級(jí)，市政行業(yè)(橋梁工程、道路工程)行業(yè)乙級(jí),建筑行業(yè)（建筑工程）乙級(jí)等資質(zhì)。主營業(yè)務(wù)為各等級(jí)公路、橋梁的勘察設(shè)計(jì)，工程咨詢、交通工程、工程監(jiān)理、工程地質(zhì)勘探、舊橋加固與檢測、土工試驗(yàn)等工程技術(shù)服務(wù)，以及建設(shè)工程總承包。該院于2000年通過了ISO9001質(zhì)量體系的認(rèn)證。

近年來，該院累計(jì)完成1.5萬余公里高等級(jí)公路，900余座大型及特大型橋梁勘察設(shè)計(jì)工作。在已建成的公路、橋梁中，先后獲得國家、部、省級(jí)優(yōu)秀勘察設(shè)計(jì)和科技進(jìn)步獎(jiǎng)80多項(xiàng)，并于2018年榮獲中國建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)、中國土木工程詹天佑獎(jiǎng)。