無線通信在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用研究綜述

王立新, 郭凰, 楊佳宇, 李爽, 李儲軍, 汪珂

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 西安 710043; 2.西安理工大學土木建筑工程學院, 西安 710048;3.長安大學信息工程學院, 西安 710064)

中國作為基建強國,擁有大量在建和運營的結(jié)構(gòu)工程,公路、橋梁、隧道作為重要的基礎工程建設,在國民經(jīng)濟的建設和發(fā)展中具有舉足輕重的作用。但在結(jié)構(gòu)工程施工中,受地質(zhì)條件、作業(yè)環(huán)境、施工工藝等的影響,可能導致結(jié)構(gòu)工程本身產(chǎn)生一定的安全隱患,同時由于施工也可能對工程附近的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地表建筑物等造成不良影響。而運營過程中的大型結(jié)構(gòu),也經(jīng)常受到外部環(huán)境因素的影響導致結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損傷,從而影響其安全可靠的運營。因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(structural health monitoring,SHM)是結(jié)構(gòu)工程建設和運營中必不可少的環(huán)節(jié)。

隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的飛速發(fā)展,人工監(jiān)測的方法很難滿足人們對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的要求[1],自動化監(jiān)測作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要手段,成為及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程安全隱患,減少重大安全事故的重要途徑。而支撐自動化監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵是實時、準確、安全的數(shù)據(jù)傳輸,利用有線或無線的傳輸方式,構(gòu)建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡,掌握建筑工作狀態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷、評估建筑安全情況[2],實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)高效、互動、自動遠控的功能,以便反饋結(jié)構(gòu)工程建設各方,改善工程施工或運營,實現(xiàn)工程安全和高效并行建設。有線傳輸以其干擾小、可靠性高、保密性強等優(yōu)點在結(jié)構(gòu)監(jiān)測工程中得到了廣泛應用,但有線通信因其部署費用高,系統(tǒng)擴展、使用維護難度大等不足使其應用受到了一定的限制,為了解決有線傳輸中存在的問題,隨著無線網(wǎng)絡技術(shù)的日新月異,無線傳輸技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用日趨成熟,逐漸成為近些年結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在智能化發(fā)展的過程中所采用的主要通信方式。如Morizt等[3]結(jié)合導波損傷監(jiān)測與蘭姆波(Lamb wave)數(shù)據(jù)通信,成功檢測出金屬板上不同位置的不同損傷,但是傳輸距離十分有限;Behnam等[4]對無線傳感網(wǎng)絡的通信協(xié)議開展深入研究,發(fā)現(xiàn)常用的協(xié)議不能符合與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)的所有需求,因此,針對具體應用設計完全滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應用要求的協(xié)議是有必要的。

在對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)基本組成進行分析的基礎上,現(xiàn)詳述WiFi、ZigBee、4G/5G、LoRa、NB-IoT等無線通信技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用現(xiàn)狀,并對不同的通信方式的性能進行分析;最后指出無線通信技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中應用存在的問題和未來的研究方向。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)基本組成

為了獲取工程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)采集結(jié)構(gòu)工程中的影響安全狀態(tài)的數(shù)據(jù),通過通信網(wǎng)絡傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心,進行數(shù)據(jù)分析,確定現(xiàn)階段及未來一段時間工程地與附近區(qū)域的安全狀態(tài),對將要出現(xiàn)的危險及時做出預警,使得管理人員采取相應的措施。

(1)數(shù)據(jù)采集。通過各類傳感器、攝像機以及其他儀器獲取監(jiān)測對象、周圍環(huán)境的相關(guān)信息,將采集到的連續(xù)非電信號量轉(zhuǎn)化為相應電信號,對采集的數(shù)據(jù)進行處理之后通過通信節(jié)點傳輸給數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)采集是監(jiān)測系統(tǒng)的前端,利用傳感器采集影響結(jié)構(gòu)工程中安全狀態(tài)的指標參數(shù),結(jié)構(gòu)工程常見傳感器有應力、應變、位置、位移、速度等傳感器,環(huán)境監(jiān)測有氣體、溫度、濕度等傳感器。

(2)數(shù)據(jù)傳輸是保證自動化監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵部分,及時、準確的數(shù)據(jù)信息才能為后續(xù)工作人員分析結(jié)構(gòu)工程的各項狀態(tài)提供強有力的保障。因此,提高信息的有效性與可靠性就是數(shù)據(jù)傳輸部分需要完成的任務。數(shù)據(jù)傳輸可采用有線或無線傳輸方式,在單個節(jié)點難以滿足通信距離時,利用組網(wǎng)手段擴大傳輸覆蓋范圍。當前的無線網(wǎng)絡通常包含多種采用不同無線電接入技術(shù)的無線通信系統(tǒng),形成異構(gòu)網(wǎng)絡[5],如WiFi、ZigBee、4G/5G等方式。

(3)數(shù)據(jù)分析針對通信網(wǎng)絡傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,可采用多種智能算法,提取相關(guān)信息,進行各種處理,包括數(shù)據(jù)預處理、多元數(shù)據(jù)融合、特征分析、評估建模、狀態(tài)辨識、態(tài)勢研判等,將數(shù)據(jù)圖表化、可視化,便于相關(guān)人員進行后續(xù)處理。

(4)數(shù)據(jù)應用有多重選擇,根據(jù)不同的需求選取不同應用,結(jié)構(gòu)工程中的常見應用包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、應急預案、分級預警、繪圖顯示、動態(tài)評估等。

典型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。圖1中左側(cè)4部分分工明確,各負其責,為施工現(xiàn)場外的管理人員提供了“眼睛”“耳朵”和“大腦”。

圖1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)[5]Fig.1 Overall architecture of structural health monitoring system[5]

2 常見無線通信技術(shù)及性能分析

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中,無論是傳感器技術(shù)還是通信技術(shù),都朝著高效、實時、準確的方向發(fā)展,傳統(tǒng)的人工測量及記錄的方式已不能滿足日益復雜的工程項目,而有線通信方式雖然能保證數(shù)據(jù)信息可靠的傳輸,但是在動態(tài)擴展的結(jié)構(gòu)工程中部署太復雜。相對來說,無線通信組網(wǎng)只需增添新的節(jié)點,就能夠滿足工程動態(tài)擴展的需求。因此,本節(jié)對幾種常見的無線通信技術(shù)進行比對分析。

2.1 常見的無線通信技術(shù)

按網(wǎng)絡和功耗特性的不同,常見無線通信技術(shù)大致可分為三類:局域網(wǎng)(Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi等)、廣域網(wǎng)(3/4/5G、GPRS等)以及低功耗廣域網(wǎng)(Sigfox、LoRa、NB-IoT等)。本節(jié)介紹了其中幾種常見無線通信技術(shù),對其原理、技術(shù)特點進行了說明。

2.1.1 ZigBee

紫蜂(ZigBee)是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[6],ZigBee工作在2.4 GHz頻段。

ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡層以及應用層,它和IEEE802.15.4協(xié)議的關(guān)系如圖2所示。

圖2 ZigBee協(xié)議關(guān)系[6]Fig.2 ZigBee protocol relationship[6]

ZigBee網(wǎng)絡層主要承擔組建網(wǎng)絡的功能,支持星型、網(wǎng)型和樹型3種拓撲結(jié)構(gòu)。ZigBee可靠性高、組網(wǎng)靈活、可擴展性強,在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi),每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模塊之間可以相互通信,每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75 m無限擴展[7]。而在功耗方面,ZigBee設備的接收功率和發(fā)射功率較低,在休眠模式下,設備功耗能降到最低。

2.1.2 WiFi

WiFi是一種短距離的無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[8],基于IEEE802.11標準,經(jīng)過多年發(fā)展IEEE802.11已衍生出多個包括IEEE802.11a/b/g/n/ac等在內(nèi)的新標準。WiFi規(guī)定了協(xié)議的物理層和媒體接入控制層,并依賴傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)作為網(wǎng)絡層。WiFi主要采用基于分布式控制功能(distributed coordination function, DCF)的載波偵聽多路訪問/沖突避免 (carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA) 接入機制[9]。WiFi主要目的是提供WLAN接入,也是目前WLAN的主要技術(shù)標準。

流行的802.11n速度可達300 Mb/s,而更新的工作在5 GHz ISM頻段的802.11 ac,速度甚至可以超過1.3 Gb/s。WiFi具有較高的傳輸帶寬,可滿足各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?但信號傳輸?shù)木嚯x短,信號的衰減速度快,需要增加中繼來實現(xiàn)網(wǎng)絡的全面覆蓋。

2.1.3 4G/5G

4G是基于3G發(fā)展的第4代移動通信技術(shù),是基于IP協(xié)議的高速蜂窩移動網(wǎng)絡,采用了基于網(wǎng)際協(xié)議(internet protocol,IP)的核心網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了多業(yè)務系統(tǒng)的無縫覆蓋和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的自動調(diào)節(jié)[10]。目前廣泛應用的4G技術(shù)主要是LTE(long term evolution)和LTE-Advanced,LTE-Advanced具有時分復用和頻分復用兩種模式,采用了正交頻分復用和多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)技術(shù),在帶寬100 MHz下能夠提供1 Gb/s下行峰值速率和500 Mb/s上行峰值速率。

第5代移動通信技術(shù)(5G)基于大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡架構(gòu),相較于4G而言,分別從用戶體驗、信息安全、網(wǎng)絡質(zhì)量等方面進行了優(yōu)化,將人與人之間的通信轉(zhuǎn)向了萬物互聯(lián)[11]。具有高速率、低時延、寬帶寬、高可靠等特征[12],5G工作頻段為3.4～3.6 GHz。

5G技術(shù)減少了傳輸時延、網(wǎng)絡平均吞吐速率[13],數(shù)據(jù)傳輸速率高,最高可達10 Gb/s,采用大規(guī)模MIMO技術(shù),提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和頻譜效率,增加天線容量和系統(tǒng)內(nèi)部容量。大規(guī)模MIMO技術(shù)作為5G移動通信中的關(guān)鍵技術(shù),極大提高了通信容量,是軌道交通通信的重要發(fā)展方向[14]。5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)蜁r延,較大子載波的時候可以有效地縮短調(diào)度時延,對于時延的最低要求是1 ms,使用5G進行信息傳輸時更迅速,并能對突發(fā)狀況進行判斷。正是由于5G技術(shù)的高帶寬、高效率的特點,使其成為推動其他行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),成為支撐其他信息工業(yè)更可靠地進行運作的核心。

基于新型技術(shù)所針對原有技術(shù)所展開的創(chuàng)新,將工作頻率與頻段調(diào)整至較為豐富的頻段,隨后依靠相關(guān)設備與技術(shù)降低功率節(jié)點,利用密集網(wǎng)絡技術(shù)消除網(wǎng)絡部署中的盲點,實現(xiàn)增大信號覆蓋面積,簡化拓撲結(jié)構(gòu)?？偠灾?5G技術(shù)具備速度更快、網(wǎng)絡抗干擾能力更強、有效提升工作頻譜、劃分網(wǎng)絡空間等優(yōu)點[15]。

2.1.4 LoRa

遠距離無線電(long range radio,LoRa)技術(shù)是一種基于線性調(diào)頻擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸技術(shù)[16],LoRa技術(shù)通信距離遠,功耗低[17],在低于1 GHz頻段進行通信。在LoRa組網(wǎng)中,采用節(jié)點加網(wǎng)關(guān)的形式來部署網(wǎng)絡。LoRa網(wǎng)關(guān)的定義為將LoRa網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接到有IP的網(wǎng)絡中[18]。根據(jù)其定義,網(wǎng)關(guān)可以采用LoRaWAN標準的網(wǎng)關(guān),也可自行設計網(wǎng)關(guān)。LoRa與LoRaWAN不同,前者定義了物理層,后者定義了通信協(xié)議和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

在LoRa調(diào)制技術(shù)中,所需的比特率Rb與線性調(diào)頻速率和符號率之間的關(guān)系[18]定義為

(1)

式(1)中:Rb為數(shù)據(jù)速率,bit/s;SF為擴頻因子;BW為調(diào)制帶寬,Hz。

LoRa使用6個擴頻因子(SF7～SF12)來適應數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的平衡,數(shù)據(jù)速率Rb與擴頻因子SF成正比。也就是說,增大擴頻因子,可以獲得更高的傳輸速率。

LoRa技術(shù)融合了線性調(diào)制擴頻技術(shù)和循環(huán)糾錯碼編碼,其擴頻調(diào)制產(chǎn)生頻率線性,可變調(diào)制信號用于頻譜擴展,提高了通信鏈路的魯棒性;循環(huán)糾錯碼編碼通過冗余編碼降低誤碼率,減少重傳次數(shù),具有良好的自相關(guān)性,降低了接收機的復雜度[19]。同時,LoRa技術(shù)優(yōu)異的遠距離通信能力大大減少了網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸使用的路由節(jié)點數(shù)量,優(yōu)化網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。LoRa技術(shù)采用的調(diào)制方式和傳統(tǒng)頻移鍵控調(diào)制等技術(shù)相比,其遠距離、抗干擾的通信能力優(yōu)勢非常明顯。但LoRa存在一些技術(shù)不足,只能支持小數(shù)據(jù)量的傳輸,有效負載比較小,有字節(jié)的限制;LoRa的設備和網(wǎng)絡部署之間會出現(xiàn)不一定的頻譜干擾,易同頻電磁波的干擾,造成傳輸數(shù)據(jù)的嚴重失真;LoRa傳輸?shù)男盘柌ㄩL較大,易被障礙物阻擋,只能在可視環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)。

2.1.5 NB-IoT

NB-IoT是 3GPP標準組織提出的一種新的窄帶蜂窩通信低功率廣域網(wǎng)(low power wide area network,LPWAN)技術(shù)[20]。NB-IoT由運營商部署,工作在授權(quán)頻段下。NB-IoT系統(tǒng)采用基于4G LTE/EPC網(wǎng)絡架構(gòu),并對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡架構(gòu)和處理流程進行了優(yōu)化。因此,NB-IoT可直接部署在全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)網(wǎng)絡、通用移動通信系統(tǒng)(universal mobile telecommunicationssystem,UMTS)網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡,來降低部署成本[21]。根據(jù)LTE頻帶資源不同的利用方式,可以支持獨立部署、保護帶內(nèi)部署、帶內(nèi)部署3種不同的工作模式。

NB-IoT上、下行均采用正交相移鍵控調(diào)制解調(diào)器,上行也使用二進制相移鍵控調(diào)制解調(diào)器,且采用單載波頻分多址技術(shù),包含單子載波和多子載波兩種。單子載波技術(shù)適應超低速率和超低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端,多子載波技術(shù)提供更高的速率需求[22]。運用NB-IoT大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗的特點,實現(xiàn)遠端結(jié)構(gòu)工程的監(jiān)控、科學測量以及智能分析等工作[23]。

2.2 常見無線通信技術(shù)性能分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展,對無線通信技術(shù)的研究越來越多,當今結(jié)構(gòu)工程應用項目多種多樣,不同的應用領(lǐng)域有特定的要求和考慮因素,這意味著需要不同的無線通信技術(shù)。

目前,廣泛使用無線傳感器網(wǎng)絡的無線通信技術(shù)有兩大類,無線個人局域網(wǎng)(wireless personal area network,WPAN)和LPWAN技術(shù)。WPAN技術(shù)有WiFi、Bluetooth、RFID等,具有傳輸速率快或功耗低的特點,但是局限于通信距離太短,覆蓋范圍小,限制了其在結(jié)構(gòu)工程這類大型工程建設監(jiān)測網(wǎng)絡中的廣泛應用。而LPWAN技術(shù)主要包括LoRa、Sigfox、NB-IoT等技術(shù),相比于WPAN技術(shù),其通信范圍上遠遠超過后者。

除此之外,基于蜂窩技術(shù)的終端到終端(machine to machine,M2M)解決方案(4G/5G)可以提供廣域的覆蓋,作為移動通信技術(shù),運營商建立的大量基站使得它們在城市之中具有較大的覆蓋范圍,但在偏遠地區(qū)由于基站布點分散、分布數(shù)量少,難以為用戶提供穩(wěn)定連續(xù)的通信支持。

通常無線通信技術(shù)經(jīng)常考慮的性能指標有組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡部署方式、傳輸距離、單網(wǎng)接入節(jié)點容量、電池續(xù)航、帶寬、抗干擾性等,如表1所示,列出了ZigBee、WiFi、4G、5G、LoRa、NB-IoT等常見無線通信技術(shù)的部分性能參數(shù)。而傳輸距離(即覆蓋范圍)和帶寬作為工程建設應用的重要性能指標,如圖3所示,顯示了不同覆蓋范圍、不同帶寬下的無線通信技術(shù)的分布特點。

表1 常見無線通信技術(shù)性能參數(shù)[24-26]Table 1 Performance parameters of common wireless communication technologies[24-26]

圖3 常見無線通信技在不同帶寬與覆蓋范圍的分布[18]Fig.3 Distribution of common wireless communication technologies in different bandwidth and coverage[18]

3 無線通信技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

無線通信技術(shù)憑借其獨特的性能優(yōu)勢在礦井、橋梁、隧道、地下管道等大型結(jié)構(gòu)工程自動化監(jiān)測系統(tǒng)中得到廣泛應用,無線通信技術(shù)的各種因素和技術(shù)差異使得它們應用的場景不同,沒有一種技術(shù)能完美地服務于所有的結(jié)構(gòu)工程應用,因此,需從實際應用的需求出發(fā)選擇合適的無線通信技術(shù)去部署結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 ZigBee在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

礦井的開采屬于高危作業(yè),在開采過程中,很有可能會發(fā)生崩塌、瓦斯泄露等重大事故。地下礦井、隧道工程有時會導致巖石位移、隔墻坍塌和邊坡破壞,因此需要對斜坡和隔墻進行連續(xù)監(jiān)測,以保持礦井的穩(wěn)定性。無線傳感器網(wǎng)絡是更適合連續(xù)監(jiān)測的方法,而且它性價比高,滿足提供數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析。結(jié)合ZigBee的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在礦井中具有廣泛的應用,在工程施工過程中, 國外學者Uradzinski等[27]發(fā)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡有良好的定位功能,采用最近鄰算法、加權(quán)最近鄰算法、貝葉斯算法實現(xiàn)地下礦井中人員的精確定位。Moridi等[28]研究了在安全健康領(lǐng)域開發(fā)ZigBee節(jié)點在井下監(jiān)控和通信中的ZigBee應用,在實際案例中能夠有效提高網(wǎng)絡性能。在國內(nèi),Yu等[29]將ZigBee網(wǎng)絡應用于煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng),利用ZigBee網(wǎng)絡從煤礦井下采集溫度、濕度和甲烷濃度,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交贏RM的嵌入式網(wǎng)絡控制器,接收數(shù)據(jù)后,通過ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)送給地面?zhèn)€人計算機(personal computer,PC),最終將監(jiān)控結(jié)果傳輸?shù)焦芾碛脩簟＿@一定程度上提高了礦井工作人員的安全保障,維系了礦井的正常運行。系統(tǒng)根據(jù)所處位置可分為監(jiān)控管理層、井下數(shù)據(jù)采集和傳輸層。井下數(shù)據(jù)采集傳輸平臺可分為ZigBee數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡和信息接收處理終端。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。廖凱等[30]設計了一種基于ZigBee的施工隧道結(jié)構(gòu)安全實時監(jiān)測系統(tǒng),能夠提供施工隧道的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù),對隧道的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測進行分析與預警,實現(xiàn)了施工隧道信息化管理,為隧道的安全施工提供技術(shù)保障。

圖4 基于ZigBee的煤礦井下安全監(jiān)測系統(tǒng)[30]Fig.4 Coal mine underground safety monitoring system based on ZigBee[30]

ZigBee也適用于橋梁、鐵路等工程后期運營監(jiān)測中,可以幫助工程安全管理、實時采集數(shù)據(jù)或監(jiān)測情況、實時全面記錄和分析現(xiàn)場情況。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中,Lee等[31]設計了能夠?qū)崟r監(jiān)控和分析橋梁及水位、管道、空氣環(huán)境等狀況的監(jiān)測系統(tǒng),使用ZigBee網(wǎng)絡作為通信手段輔助橋梁安全信息的傳輸和管理,加強了橋梁安全運營的保障。許強等[32]為解決橋梁施工和設備安裝線路冗亂、環(huán)境復雜的問題,提出了一種基于ZigBee的多信道多點無線橋梁應變監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)可以同時監(jiān)測36組通道應變,并將數(shù)據(jù)上傳至云端,便于管理人員對橋梁結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測。馬式紀等[33]創(chuàng)新性地結(jié)合了ZigBee與5G兩種無線通信技術(shù),將監(jiān)測橋梁狀態(tài)的傳感器節(jié)點通過ZigBee無線組網(wǎng)將實時或準實時采集的橋梁狀態(tài)信息傳輸至基站,基站再經(jīng)由5G通信網(wǎng)絡上傳至數(shù)據(jù)管理中心,提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。

鐵路經(jīng)濟快速發(fā)展的過程中,運行安全是極為重要的前提,沒有良好的安全保障,高鐵建設將無從談起。因此,在軌道監(jiān)測中,研究者從線路基礎設施、自然環(huán)境與災害等可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手進行高鐵外部環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究,對有效地提升高鐵運行安全指數(shù)有著重要的理論意義和實用價值。Gao等[34]研究的硬件原型由道路側(cè)的一個ZigBee協(xié)調(diào)器和一系列連接到軌道側(cè)ZigBee終端設備的傳感器(加速度計、溫度傳感器、濕度傳感器和紅外探測器)組成。ZigBee終端設備由磁懸浮能量采集器供電,并與ZigBee協(xié)調(diào)器無線通信,達到鐵路狀況監(jiān)測的目標。

3.2 WiFi在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

WiFi在橋梁監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用,郭曉澎等[35]設計了一種結(jié)合有線與無線雙傳輸方式的橋梁采集數(shù)據(jù)應變系統(tǒng),該系統(tǒng)利用單片機控制WiFi和以太網(wǎng)模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)收發(fā)器可以實現(xiàn)有線和無線通信方式的切換,同時該系統(tǒng)可以很好地完成靜態(tài)和動態(tài)測量的任務。在監(jiān)測試驗中,能夠在230 m范圍內(nèi)保障WiFi數(shù)據(jù)傳輸效率和準確性,但在大型橋梁工程建設中的監(jiān)測范圍還不夠。Heo等[36]研發(fā)了一種防災結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠同時測量各種類型的數(shù)據(jù),如無線加速度響應實時反映了結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,以便進行準確診斷,該系統(tǒng)能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進行快速處理和實時無線通信,在近800 m的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定通信。

在充分研究ZigBee和WiFi共存對系統(tǒng)性能影響的基礎上,Wang等[37]結(jié)合ZigBee和WiFi各自性能的優(yōu)勢,設計了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的雙層無線傳感器網(wǎng)絡,低層網(wǎng)絡采用低功耗ZigBee協(xié)議,而高層網(wǎng)絡采用高速WiFi通信進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸,促使監(jiān)測系統(tǒng)在影響結(jié)構(gòu)安全的突發(fā)事件中及時做出預警。Abdelraheem等[38]設計了一個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),使用數(shù)字電容傳感器作為主要檢測元件,傳感器嵌入物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中,檢測碳纖維片和混凝土板之間的脫粘,該節(jié)點管理測量過程,能夠自動捕獲測量位置以及訪問測量數(shù)據(jù),其物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通過WiFi傳輸數(shù)據(jù)并管理控制功能,降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀尽ohler等[39]開發(fā)了一種用于地震檢測的新型結(jié)構(gòu)監(jiān)測網(wǎng)絡,將大量加速度計部署在單個建筑物中的不同樓層之間,使用一到幾十個臺站分別記錄,經(jīng)獨立的傳感器插頭計算機設備通過以太網(wǎng)或WiFi直接連接到互聯(lián)網(wǎng),使整個社區(qū)、設施管理人員和應急小組能夠共享數(shù)據(jù),精簡了數(shù)據(jù)文件在各方的傳輸手段,提高抗震避險的效率。Morgenthal等[40]提出了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的低成本分布式嵌入式系統(tǒng),該系統(tǒng)使用經(jīng)濟高效的微機電系統(tǒng)(micro electromechanical system,MEMS)加速度計,數(shù)據(jù)在使用WiFi收發(fā)器進行處理后傳輸,實現(xiàn)了在低成本微控制器STM32上執(zhí)行計算要求較高的數(shù)字濾波,并通過傳感器的空間冗余降低MEMS設備的典型信噪比。該系統(tǒng)的搭建推動了建筑物和結(jié)構(gòu)復模態(tài)分析的低成本方法的發(fā)展。

3.3 4G/5G在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

軌道交通工程因其存在地質(zhì)條件復雜、建設周期長、線路跨度大、施工困難等諸多方面的問題,工程具有較大的安全隱患,因此有必要通過信息化施工及時了解施工過程以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài),以確保施工安全。隨著4G、5G技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟,將為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供自動化新思路。張炳濤等[41]在板石嶺隧道凍害的監(jiān)測系統(tǒng),使用中央控制模塊和4G移動通信技術(shù)聯(lián)網(wǎng)的方法,以實現(xiàn)監(jiān)控中心服務器與現(xiàn)場監(jiān)控之間的一對多遠程數(shù)據(jù)傳輸和終端傳輸。王大鵬等[42]提出,鐵路項目在施工期環(huán)境在線監(jiān)測過程中,強網(wǎng)絡信號區(qū)域有較強的兼容性, 5G網(wǎng)絡的傳輸速率、安全性比4G網(wǎng)絡好。針對當前鐵路工程建設階段由于通信質(zhì)量導致的信息化工作推進困難的問題,賀曉玲等[43]分析了基于5G技術(shù)的智慧工地在鐵路建設行業(yè)的優(yōu)勢,提出了5G技術(shù)在當前鐵路建設行業(yè)的應用策略。考慮到協(xié)調(diào)難度、建設成本、建設周期等因素,趙馳[44]進一步發(fā)展了基于5G技術(shù)的軌道交通智慧化工點監(jiān)控系統(tǒng)的設計,系統(tǒng)采用多層次、多節(jié)點結(jié)構(gòu)的分布式智慧化工點監(jiān)控系統(tǒng)方案,利用5G技術(shù)實現(xiàn)工點間數(shù)據(jù)傳輸,提高了管理效率和應急處置能力。崔融[45]利用5G通信的網(wǎng)絡接口和邊緣計算技術(shù),構(gòu)建了5G視頻監(jiān)控系統(tǒng),推進了 5G通信在城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用發(fā)展。在5G盾構(gòu)地鐵項目中,王靜[46]提出給盾構(gòu)機內(nèi)部裝5G微基站,保證盾構(gòu)機在掘進過程中核心機位5G網(wǎng)絡通暢,實現(xiàn)了對設備運行、施工環(huán)境的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。在對5G、室內(nèi)精準定位(ultra-wide band,UWB)兩者進行融合的基礎上,實現(xiàn)施工的隧道內(nèi)對施工人員、物料、車輛進行高精準定位,有力保障工程、人員、設備的安全。

4G、5G技術(shù)在智慧工地、地下管廊以及橋梁等結(jié)構(gòu)工程的自動化監(jiān)測中也存在著廣泛應用。為解決現(xiàn)有橋梁監(jiān)測測試周期長,效率低、損傷定位精度低等問題,馬慧宇等[47]設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),采用VGG16卷積神經(jīng)網(wǎng)絡對橋梁的應變、加速度、溫濕度等特征信息進行健康診斷。該系統(tǒng)在上海外環(huán)高架橋莘莊立交6-1線進行試驗,該系統(tǒng)通過4G-LTE公共網(wǎng)絡進行通信,實現(xiàn)了對目標的全天候監(jiān)測。張吉圭等[48]采用基于4G的One Net作為數(shù)據(jù)存儲、傳輸、應用的平臺,實現(xiàn)橋梁應力數(shù)據(jù)、云服務器、人和物的互聯(lián)互通,為橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況及后期維護提供有效的數(shù)據(jù)保障。陸克娟[49]提出施工現(xiàn)場的視頻球機接入4G/5G無線網(wǎng)絡,通過運營商的核心網(wǎng)匯入互聯(lián)網(wǎng),最終聯(lián)接工程云平臺服務器,通過5G工程云平臺遠程視頻監(jiān)控,達到現(xiàn)場與遠程雙重監(jiān)測的效果。邊緣計算的快速發(fā)展減輕了數(shù)據(jù)管理中心網(wǎng)絡帶寬和功耗的壓力,王卿等[50]在建筑施工實時監(jiān)測系統(tǒng)中提出5G的關(guān)鍵技術(shù)“移動邊緣計算”可以達到“0”流量,降低系統(tǒng)延遲,增強服務響應。陳溟民等[51]依托項目工程實例,基于建筑信息模型(building information modeling,BIM)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進信息技術(shù),設計開發(fā)了5G+智慧工地系統(tǒng),系統(tǒng)實現(xiàn)了工地的通信、安防等需求。利用5G網(wǎng)絡在大規(guī)模工程中的適用性,侯振堂等[52]有效整合了基于5G的煤礦井下綜采成套設備網(wǎng)絡,形成綜采工作面“一張網(wǎng)”,實現(xiàn)高清視頻監(jiān)控、遠程精準控制、多機聯(lián)動等多功能應用。呂福瑞[53]提出了一種基于5G的工業(yè)建設的施工模式,利用無人機上定位設備和5G信號發(fā)射器,采用無人機集群技術(shù),完成對施工場地的信號全覆蓋,輔助后期工程機械的作業(yè)精準定位。陳維亞等[54]設計了一種道路土方智能化施工服務平臺,通過無人機掃描,得到三維實景建模,借助北斗定位系統(tǒng)和地面施工機械建立聯(lián)系,完成定位,使用5G技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸,形成云平臺、指揮臺、機械端三者相結(jié)合的空天地一體化監(jiān)測的平臺,如圖5所示,該服務平臺在山東某在建道路實際項目中得到應用,成效顯著。

圖5 基于5G的空天地一體化監(jiān)測系統(tǒng)[54]Fig.5 Air space integrated monitoring system based on 5G[54]

3.4 LoRa在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

LoRa具有非常長的無線通信距離,節(jié)能且電池壽命長,能夠在地下密閉空間的通信中發(fā)揮巨大優(yōu)勢。礦井工作面空間狹小, 設備較多,在礦壓監(jiān)測項目中,監(jiān)測數(shù)據(jù)大多為緩變數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)量小, 采樣間隔相對較長, 因此霍振龍[55]采用星形結(jié)構(gòu)的LoRa組網(wǎng),較好地滿足了傳感器可間歇工作,傳輸距離遠的要求。星形拓撲可以最小化每個節(jié)點的功耗,在某些特定的地下場景中,地下環(huán)境的傳播條件常以強功率損耗為特征,這極大地限制了無線電覆蓋,Abrardo等[56]在意大利錫耶納設計了一種適用于地下環(huán)境結(jié)構(gòu)監(jiān)測的多跳LoRa鏈式網(wǎng)絡,在線性拓撲網(wǎng)絡中,可以實現(xiàn)最優(yōu)的估算節(jié)點喚醒時間,以此降低50%的功耗(最佳情況)。除了能量消耗和擴展性,LoRa 組網(wǎng)的傳輸時延性也是一個重要的優(yōu)化目標。吉東菁[57]設計了一種基于LoRa組網(wǎng)的地鐵運營隧道監(jiān)測網(wǎng)絡。在運營隧道中布設位移、沉降、環(huán)境監(jiān)測等傳感器,實現(xiàn)對隧道相關(guān)信息的獲取。通過NS3網(wǎng)絡仿真器對5種不同組網(wǎng)方式進行仿真,得出集中式網(wǎng)絡在線性擴展的隧道通信環(huán)境中不適用,鏈式多跳網(wǎng)絡相比于前者有更好的時延性能,尤其是分組多跳網(wǎng)絡與其他4種組網(wǎng)方式相比性能最好的結(jié)論。在功耗滿足的條件下,采用分組多跳組網(wǎng)方式,增加節(jié)點傳輸速率(增加帶寬)或減少網(wǎng)絡傳輸跳數(shù),可以使網(wǎng)絡獲得較低的時延性能,滿足地鐵隧道監(jiān)測網(wǎng)絡的時延和可靠性需求,系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

開闊空間環(huán)境下的無線通信監(jiān)測技術(shù)對結(jié)構(gòu)工程健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展具有重要推動作用。Yadav等[58]根據(jù)LoRa在露天空間或非視線路徑條件下的覆蓋范圍的結(jié)果,提出了一種基于LoRa的實時坡度監(jiān)測網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)。該體系中每個終端節(jié)點之間動態(tài)連接,形成自修復、自適應路由路徑,與其他鄰近節(jié)點中繼,從而形成到網(wǎng)關(guān)的路由。為了克服Aloha傳輸模式引起的數(shù)據(jù)碰撞進而使得數(shù)據(jù)傳輸時間增加的問題,設計了節(jié)點傳播根據(jù)擴頻因子在不同時隙中進行調(diào)度的算法,能夠有效減少功率的消耗和傳輸數(shù)據(jù)所需的時間。針對惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,Loubet等[59]設計了一個由LoRaWAN無電池無線傳感節(jié)點組成的網(wǎng)絡,節(jié)點收集物理數(shù)據(jù),并通過互聯(lián)網(wǎng)將傳感節(jié)點與服務器進行通信,節(jié)點通過無線電力傳輸接口由RF(radio frequency)電源無線供電,系統(tǒng)在能量和通信范圍方面取得了良好的平衡。徐欽等[60]將LoRa網(wǎng)絡應用在高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中,實現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)地震響應和健康監(jiān)測數(shù)據(jù)遠距離、低功耗的可靠傳輸, 幫助用戶進行地震作用下振動反應資料的累積,建筑結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估和設施管理。當監(jiān)測上傳數(shù)據(jù)過多時,為了減少能源消耗,需要簡化上傳數(shù)據(jù)量,陳明璽等[61]利用MEMS加速度計及微控制器來監(jiān)測機電設備的振動頻率,由邊緣計算后超過閾值的結(jié)果通過LoRa節(jié)點上傳至網(wǎng)關(guān),并通過預警服務器根據(jù)振動信息重繪振動曲線,極大地提高了監(jiān)測效率?？紤]到土壤中天然或人為地下空洞的存在可能會影響振動的地面響應,傳感器需要易于在多個位置部署,以應對所考慮地點的區(qū)域不均勻性,Alessio等[62]開發(fā)了一種低成本的分布式測量振動監(jiān)測系統(tǒng),由傳感器節(jié)點和接收器節(jié)點組成。其中傳感器節(jié)點中的MEMS加速度計可以測量結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的加速度,通過LoRa模塊將相關(guān)信息傳輸?shù)浇邮掌鞴?jié)點中的LoRa模塊,繼而上傳到管理中心,可用于具有空間多樣性的結(jié)構(gòu)工程的振動監(jiān)測。

3.5 NB-IoT在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

NB-IoT覆蓋范圍廣、多址接入、低功耗、低成本等優(yōu)勢[63],能夠滿足區(qū)域內(nèi)海量傳感器接入的需求,隨著該技術(shù)的成熟,NB-IoT在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到深入應用,Thedy等[64]采用NB-IoT技術(shù),并采用MEMS加速度計和內(nèi)部位移重建技術(shù)來監(jiān)測橋梁健康。利用NB-IoT技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)從橋接站點傳輸?shù)椒掌?進而識別受損橋梁與未受損橋梁之間的差異,并確定損傷位置。為了實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)傳輸,消除建造橋上基站的成本,Hou等[65]設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本橋梁位移監(jiān)測傳感器系統(tǒng),該系統(tǒng)由傳感器、放大電路、微程序控制單元模塊、物聯(lián)網(wǎng)無線通信模塊和云服務器組成,利用低功耗無線通信技術(shù)NB-IoT將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器,利用BC-95模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖6 基于LoRa分組多跳式組網(wǎng)的地鐵運營隧道監(jiān)測系統(tǒng)[57]Fig.6 Metro tunnel monitoring system based on LoRa packet multi hop network[57]

4 無線通信技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中面臨的挑戰(zhàn)和未來研究方向

無線傳輸?shù)男阅軆?yōu)勢使其在結(jié)構(gòu)工程建設中得到廣泛應用,但無線傳輸同時也存在一些問題,它以空氣為介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù),會因為結(jié)構(gòu)工程施工、運營中的環(huán)境因素對傳輸信號的質(zhì)量產(chǎn)成不利的影響,使通信傳輸不穩(wěn)定。傳輸過程中的信息缺失、信息泄露等安全問題也是值得關(guān)注的部分。如何解決這類問題是目前人們關(guān)注的熱點。

4.1 面臨的挑戰(zhàn)

目前,在新興信息技術(shù)與傳統(tǒng)建筑行業(yè)融合發(fā)展的背景下,①ZigBee作為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信技術(shù),較小的覆蓋范圍限制了ZigBee技術(shù)在長大結(jié)構(gòu)工程中的應用,ZigBee協(xié)議存在安全性差的弱點使得一些需要保密性強的應用場景數(shù)據(jù)傳輸不可靠;②由于WiFi優(yōu)異的帶寬是以較大的功耗為代價的,因此大多數(shù)便攜WiFi裝置都需要常規(guī)充電,這限制了它在結(jié)構(gòu)工程場合中的推廣和應用;③5G技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r跟蹤車輛以及挖掘機,監(jiān)控環(huán)境,并遠程控制車輛、鉆機、通風系統(tǒng)等機器設備,然而現(xiàn)階段的5G技術(shù)還不完善,系統(tǒng)與技術(shù)融合有待加強,容量和頻譜的效率仍有提升空間,同時5G能耗控制是一項亟需解決的難題;④LoRa頻段屬于非授權(quán)頻段,在實際使用過程中容易受到其他相同頻段設備的干擾,且該組網(wǎng)傳輸帶寬小,場地內(nèi)的信號遮擋物會影響無線信號的傳輸距離,在進行大規(guī)模組網(wǎng)時,難以避免通道繁忙引起的沖突,無法滿足大數(shù)據(jù)、施工環(huán)境復雜的監(jiān)測要求;⑤NB-IoT運行在授權(quán)頻段,相對于LoRa,收到的干擾較少,但NB-IoT中使用的算法存在時延問題,導致物聯(lián)網(wǎng)能耗不均。雖然減少了消耗的能量,延長了終端設備壽命,但是NB-IoT會因為終端設備同步通信和服務質(zhì)量處理而消耗額外的能量。

4.2 未來的研究方向

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)工程建設對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可控性、穩(wěn)定性和擴展性的要求越來越高,無線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應用在現(xiàn)階段來看會因技術(shù)偏向發(fā)展不均而缺乏一定的成熟度,因此無線通信作為未來通信升級發(fā)展的熱潮,聚焦無線通信技術(shù)應用能力拓展和技術(shù)融合是人們可以研究的方向。

目前,5G產(chǎn)業(yè)生態(tài)正逐步完善,利用5G通信技術(shù)可以打破時空邊界,為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)提供高效的技術(shù)保障。結(jié)構(gòu)工程各領(lǐng)域的需求同樣對5G建設提出了更具體的要求,如利用5G將在傳輸延遲、可靠性、安全性和覆蓋范圍等方面的改進,解決結(jié)構(gòu)工程中多徑效應嚴重、大量噪聲干擾、信號衰減快的問題,這不僅能提升5G在施工中不同領(lǐng)域的應用,還能滿足未來運營不同領(lǐng)域的用戶體驗。

隨著5G的不斷更新迭代、進步發(fā)展,新的技術(shù)浪潮持續(xù)翻涌,推陳出新諸如第6代無線網(wǎng)絡技術(shù)(WiFi 6)、星鏈、6G(第6代移動通信)等相關(guān)網(wǎng)絡傳輸技術(shù)。WiFi 6主要使用正交頻分多址(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)、多用戶MIMO等技術(shù),最高速率可達9.6 Gbps,足以滿足多終端多設備互聯(lián)互通的要求。星鏈與5G相比是兩種完全不同的網(wǎng)絡提供方式,可以更好地解決偏遠地區(qū)、山區(qū)、海島等缺少無線基站、電纜建設成本較高的地區(qū)建設結(jié)構(gòu)工程的困難。而6G技術(shù)也是目前國內(nèi)外學者研究的熱點,在未來的無線通信技術(shù)的發(fā)展應用研究中,為更好地支持萬物互聯(lián)及垂直行業(yè)應用,6G也將會動態(tài)地融合多種技術(shù)體系,在信息傳遞過程中融合信息采集和信息計算。在6G時代,希望能夠進一步拓展大規(guī)模MIMO的規(guī)模和應用范圍,通過分布式協(xié)同實現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程感知通信一體化建設,推進結(jié)構(gòu)工程安全高效建設發(fā)展。

5 結(jié)論

無線通信技術(shù)以其自身的諸多優(yōu)勢在如今的物聯(lián)網(wǎng)時代得到了快速的應用和發(fā)展,并發(fā)揮著越來越重要的作用。主要介紹了常見的無線通信技術(shù)及在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用,分析了其所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),并總結(jié)了其目前的發(fā)展現(xiàn)狀。相信隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中將發(fā)揮更加重要的作用。