王宗鵬 欒云斐 李 鑫
(青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院,山東 青島 266033)
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估道路、橋梁、住宅建筑、大壩等土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的狀況,并能預(yù)測(cè)未來的損傷,降低危害發(fā)生的可能性,可極大地減少直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)施的狀態(tài),在于識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的能力。過去,損傷檢測(cè)以無損檢測(cè)和人工目測(cè)方法為主,但在面對(duì)結(jié)構(gòu)整體及復(fù)雜的特殊部位檢測(cè)時(shí)則難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。
在傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)的條件下,SHM(Structural Health Monitoring)系統(tǒng)的出現(xiàn),為其提供了一個(gè)近實(shí)時(shí)在線損傷評(píng)估的新策略。SHM是通過自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷預(yù)測(cè)和健康評(píng)估策略的工具。SHM使用傳感系統(tǒng)及相關(guān)硬件和軟件設(shè)施來監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)的性能和運(yùn)行環(huán)境,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨時(shí)間變化的觀察,使用周期性采樣的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和來自傳感器陣列的操作環(huán)境測(cè)量,然后評(píng)估結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)和未來性能。
在SHM中傳感器系統(tǒng)合理的位置安裝,可以收集結(jié)構(gòu)部件溫度、濕度、撓度及應(yīng)變等性能參數(shù),后經(jīng)過傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)處理,并實(shí)現(xiàn)可視化,最后經(jīng)技術(shù)人員將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較,以診斷結(jié)構(gòu)的變化。
本文將基于對(duì)傳感器系統(tǒng)的研究,探究傳感器系統(tǒng)在SHM中的應(yīng)用策略,對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康的高效監(jiān)測(cè)提供支持。
較早的基于傳感器的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的健康狀況檢測(cè)領(lǐng)域[3],經(jīng)過幾十年的發(fā)展,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,與之配套的各種特性的傳感器也在不斷發(fā)展。
(1)應(yīng)變計(jì)傳感器由支撐金屬箔圖案的絕緣性襯墊組成,用于監(jiān)測(cè)物體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變特性,以評(píng)估基礎(chǔ)設(shè)施的當(dāng)前狀況和裂縫檢測(cè)。常見的應(yīng)變計(jì)傳感器有電阻應(yīng)變計(jì)傳感器、振弦式應(yīng)變計(jì)傳感器和光纖Bragg光柵應(yīng)變器[4]。光纖Bragg光柵由短段光纖構(gòu)成,通過反射特定波長的光,并在特殊設(shè)計(jì)的介質(zhì)鏡的折射中產(chǎn)生周期性變化來傳輸信號(hào),是目前較為先進(jìn)的應(yīng)變傳感器類型。Li等人開發(fā)并試驗(yàn)了一種具有獲得有效平均應(yīng)變或宏觀應(yīng)變分布能力的分布式長規(guī)格光纖傳感系統(tǒng),并應(yīng)用于民用基礎(chǔ)設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)彎曲狀況的監(jiān)測(cè)[5]。光纖應(yīng)變計(jì)傳感器優(yōu)點(diǎn)在于不受電壓浪涌、射頻干擾和電磁干擾的影響,但因?yàn)檫@種傳感器會(huì)對(duì)溫度和應(yīng)變做出反應(yīng),所以光纖應(yīng)變計(jì)傳感器面臨溫度和應(yīng)變之間的交叉靈敏度問題。
(2)線性位移和位置測(cè)量傳感器已用于測(cè)量地質(zhì)滑坡、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)位移和設(shè)施裂縫損傷寬度的監(jiān)測(cè)。類型包括線性可變差動(dòng)變壓器和直流差動(dòng)變壓器。線性可變差動(dòng)變壓器是一種用于線性位移測(cè)量的磁性位置傳感器,由于其具有高分辨率、精度和良好的重復(fù)性,Navarro V等人利用固定在桑托斯莫西略湖床立柱上振弦式裂紋監(jiān)測(cè)器,監(jiān)測(cè)并獲得連續(xù)的裂縫張開數(shù)據(jù)[6]。
(3)熱敏電阻器和電阻溫度檢測(cè)器是使用廣泛的溫度監(jiān)測(cè)傳感器,以檢測(cè)結(jié)構(gòu)熱脹冷縮背后的溫度數(shù)據(jù)。柔性電阻溫度檢測(cè)器是最常見的溫度檢測(cè)傳感器,廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)與人類活動(dòng)有關(guān)的溫度變化中。Zhang等人利用電阻溫度檢測(cè)器以監(jiān)測(cè)瀝青路面溫度變化[7]。環(huán)境傳感器,即濕度傳感器,用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)或建筑物表面的相對(duì)濕度。結(jié)構(gòu)的濕度通常與作為侵蝕性離子(如氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽和銨)傳輸介質(zhì)的水的進(jìn)入有關(guān)。2001年,瑞士的研究人員首次報(bào)告了使用光纖Bragg光柵傳感器進(jìn)行濕度傳感的情況[8-9]。
(4)傾斜傳感器廣泛使用于基礎(chǔ)設(shè)施,尤其是橋梁組件的旋轉(zhuǎn)變化監(jiān)測(cè)中。類型包括振弦式傾斜儀和電解式傾斜儀。Zhang F等人在俄亥俄州和肯塔基州Ironton-Russell大橋頂部安裝了一部振弦式傾斜儀以監(jiān)測(cè)不同構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)變化,并通過監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)分析了發(fā)生的重要事件[10]。
(5)動(dòng)態(tài)承重(WIM)傳感器技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)和超重汽車執(zhí)法中發(fā)揮著越來越重要的作用,動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)用于獲取重型車輛的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)重量,以保護(hù)和管理橋梁、路面和其他基礎(chǔ)設(shè)施。WIM傳感器類型主要有壓電式WIM傳感器、彎曲板WIM傳感器、稱重傳感器WIM傳感器、光纖WIM傳感器等。壓電式WIM傳感器類型是最便宜,但堅(jiān)固性和精確性不如彎板式WIM傳感器,彎板系統(tǒng)需要相當(dāng)長的安裝時(shí)間,且壽命不長。應(yīng)變測(cè)量稱重傳感器系統(tǒng)比彎板系統(tǒng)更精確、更堅(jiān)固,但也更昂貴。光纖WIM傳感器是一種很有前途的路面監(jiān)測(cè)新技術(shù),Lydon,M等人基于自蔓延光纖傳感的優(yōu)勢(shì),開發(fā)了第一個(gè)全光纖動(dòng)態(tài)承重傳感器[11]。
(6)超聲波探傷儀主要是利用超聲波漫反射為SHM提供一種全面的損傷檢測(cè)策略,在結(jié)構(gòu)裂縫損傷、腐蝕等監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。Kazakov.VV研究了采用非線性調(diào)制裂紋檢測(cè)方法的超聲波探傷儀[12]。光纖傳感器具有重量輕、體積小、可嵌入性好、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),因此,長期以來被認(rèn)為是一種理想的SHM傳感解決方案。最近,Agarwal等人提出了光纖超聲波傳感器水管裂紋檢測(cè)的方法,表明聲波頻率是裂紋尺寸的函數(shù),可以通過捕獲100kHz頻率聲波檢測(cè)到較大裂紋[13]。
以上對(duì)SHM中各種應(yīng)用條件下的傳感器及傳感器類型,部分傳感器性能和在具體案例中的應(yīng)用做了介紹。通過研究發(fā)現(xiàn),傳感設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸、工作頻率、功耗等方面可靠性取決于所使用的傳感材料的質(zhì)量和傳感器技術(shù)。
傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了在整個(gè)結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)將數(shù)據(jù)從傳感器輸出到服務(wù)器或基站的機(jī)會(huì)。傳感器網(wǎng)絡(luò)包括有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。有線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用較少,多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn);無線的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有許多功能,包括半載微處理器、傳感能力、無線通訊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。而能耗、成本問題是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要持續(xù)優(yōu)化的方向,面對(duì)通常由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的SHM系統(tǒng),減少傳感器能耗既可以更好地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),又可以減少維護(hù)費(fèi)用。
有線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用較少,但目前的幾個(gè)SHM傳感器仍然采用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),用于從許多結(jié)構(gòu)位置收集數(shù)據(jù)。孫等人提出一種基于電力線的有線傳感器網(wǎng)絡(luò),針對(duì)煤炭開采生產(chǎn)安全需求提出采用LonWorks技術(shù)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)[14]。然而,有線網(wǎng)絡(luò)傳感器存在許多缺點(diǎn),例如成本高、效率低、安裝困難、易受干擾、靈活性差、耗電量大,并且問題會(huì)組合出現(xiàn)。此外,該系統(tǒng)對(duì)長期SHM有局限性,通常容易受到損壞,阻礙了其實(shí)用性。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本和提高數(shù)據(jù)處理效率的優(yōu)點(diǎn),成為傳統(tǒng)有線傳感器系統(tǒng)的有力替代品。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,它通過路由來組織網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器,并使所有傳感器能夠相互協(xié)作。一般來說,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?biāo)準(zhǔn),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分為單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)。
單跳網(wǎng)絡(luò)中央服務(wù)器位于網(wǎng)絡(luò)的中心,所有的無線傳感器都在中央服務(wù)器周圍。數(shù)據(jù)通過單跳直接傳輸?shù)交?。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠浅:唵魏徒训?,一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。單跳網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包是逐個(gè)傳輸?shù)?,處理速度依賴于網(wǎng)關(guān)和中央服務(wù)器的性能。
多跳網(wǎng)絡(luò)通過多跳通信將節(jié)點(diǎn)之間或傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒敕?wù)器,成為一種有吸引力的替代方案。多跳通信使用中間節(jié)點(diǎn)在不在直接無線電范圍內(nèi)的兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)和命令。多跳路由更加復(fù)雜,因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)必須確定如何找到最有效的路由將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到中央服務(wù)器,并協(xié)調(diào)從其他節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包的傳輸。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障并且不再能夠充當(dāng)中間體,則需要?jiǎng)討B(tài)地重新配置路由,以保證其健壯性。在大跨度橋梁上大規(guī)模部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò),需要多跳通信以提供足夠的無線覆蓋。多跳網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步分為四類:網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)、線性多跳網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)多跳網(wǎng)絡(luò)。
(1)到目前為止,實(shí)時(shí)或在線學(xué)習(xí)、識(shí)別和監(jiān)控總體上已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn),并有望取得進(jìn)一步進(jìn)展。同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)框架被認(rèn)為在盡可能減少傳感器性能延遲方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
(2)每個(gè)民用基礎(chǔ)設(shè)施都具有獨(dú)特的存在性和復(fù)雜性,結(jié)構(gòu)和材料的不確定性需要精確檢測(cè)技術(shù)。從目前的SHM角度來看,新的傳感器解決方案必須解決可擴(kuò)展性和適應(yīng)性問題。
(3)盡管目前已經(jīng)存在最先進(jìn)的系統(tǒng)識(shí)別和損傷檢測(cè)技術(shù),但可以觀察到,完全自動(dòng)化的方法仍然不可實(shí)現(xiàn)。即使是以數(shù)據(jù)為中心的方法論,在實(shí)施的許多階段也依賴于人工決策和交互,因此嘗試將傳感器技術(shù)與現(xiàn)有的機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合,是一個(gè)可行的方案。
(4)隨著連接設(shè)備數(shù)量的增加,物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)必須相互通信和交換信息。迄今為止,SHM研究都是針對(duì)特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行的,因此,發(fā)展可以為互操作性的數(shù)據(jù)開放標(biāo)準(zhǔn)是有必要的。
(5)多功能SHM系統(tǒng)需要一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。隨著許多傳感器SHM應(yīng)用程序接收到的數(shù)據(jù)量和類型的不斷增加,當(dāng)前數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量面臨較大壓力。而數(shù)據(jù)管理是社會(huì)關(guān)注較少的方面,同時(shí)還需確保制定數(shù)據(jù)的安全和隱私措施。
基于傳感器技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在早期識(shí)別土木工程結(jié)構(gòu)中的損傷是重要且必要的,可以確保結(jié)構(gòu)的巨大的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。但基于傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還存在很多挑戰(zhàn),包括開發(fā)和集成先進(jìn)的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、強(qiáng)大的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析算法,涉及傳感器、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)遙測(cè)、數(shù)值建模、概率分析和計(jì)算硬件多學(xué)科的交叉合作,還需要長期進(jìn)行集中和綜合的研究。