摘要
对例如桥梁和房屋等民用基础设施的生命周期的监测，是老化结构长期运行的成本和安全的关键。普遍使用的结构健康监测(SHM)系统受限于专业数据采集设备的性能、通用设备的高成本和全自动决策支持系统的缺乏。
此项目的目标包括：第一，要设计一个无线智能传感网络（WISAN）和制造一整套用于完成结构健康检测任务的便宜设备；第二，要发展适用于自主结构健康监测的SHM理论。
设计无线传感网络是针对结构健康监测的应用，解决问题以达到单位传感器的低成本，高可靠性，以能源为网络节点，计算负荷的节能分布，ISM无线电波段的安全和和谐。实用性的传感网络通过智能计算的应用和信号生成能力的支持在增加。
虽然SHM理论也将被认可，但自动化SHM理论的基础是模态应变能量的理论。自动化的任务包括通过环境振动实现模态识别的自动化、对获得的模态振型进行分类和结构健康的自动评价。
关键词：无线传感网络、结构健康监测、环境振动、自动系统、模态应变能
1.介绍
对例如桥梁和房屋等民用基础设施的生命周期的监测，是老化结构长期运行的成本和安全的关键。结构健康的知识、承载能力和剩余使用时间是任何方法进行结构健康监测（SHM）的主要任务。维持和改善桥梁的条件是运输系统结构完整和成本效率的关键。桥梁构成了交通基础设施里最脆弱的元素。一座桥梁的停止运行都会对桥梁的使用者（交通延误和走弯路）和道路桥梁的运营者造成经济损失。在2001年末，联邦公路管理局（FHWA）已经列出了近30%的国家的590000座桥梁，它们在尺寸、负载或其他特点上存在结构缺乏或者功能过时。这些桥路的绝大多数都是中小跨度结构,坐落在当地(次要的)或农村道路上。
FHWA提出了两个破坏运输基础设施的主要原因：在交通水平显著增加的快速老龄化的桥梁和隧道，他们在设计时把许多桥梁的损耗作水平处理。例如，在联邦洲际公路系统上一半的桥梁是33岁以上。FHWA的估计数据显示，截至2010年底客流将增长17%（从2.7兆汽车英里增到3.1兆），卡车交通将增长28%。老化的基础设施和增加的交通数量在桥梁养护和运行安全问题上产生了更大的压力。
客观评价桥梁状态可显著降低在保养、维修和更换存在结构缺陷的部件的费用。关键在于要有较低的成本和可靠的方法来评估结构的完整性，来识别恶化的部件。这个目标可以通过一个能够执行连续桥梁健康监测和评价的系统实现。这样一个系统能够补充FHWA的桥梁的周期目视检查，能够提供桥梁健康状态的定量措施。连续的SHM的一个显著优点在于该系统有检测和定位损伤的能力，对桥梁检测和定位是很难通过目视检查的，就比如隐藏的腐蚀和老化。这些和其他有关桥梁结构健康监测的问题吸引了很多学者的关注。
同样的SHM方法可以扩展到土木工程结构，例如位于高地震活动带的建筑。一个监测系统能够在地震后通过减少需要目视检查的焊接连接显著降低建筑的维修费用（与去除的高成本、安装熔覆和阻燃相比）。
目前，由于结构健康监测专业数据采集设备的需要和推广的高成本，有线仪表，耦合的高成本安装都限制了结构健康监测系统的实际使用。Lynch指出，在加州，每座桥要花费$300,000（每个传感器要$5000）去安装拥有60个加速计的监测系统，Tsing Ma Suspension桥的600路监测系统的花费超过$1600万（每路超过$27,000）。安装电缆、电缆管道是劳动密集型工作，构成了最终成本的很大一部分。
另一个限制因素来自于许多结构健康监测的方法没有全自动的决策支持的事实。一个高水平的专家通常被要求在放缓对连续监测系统的引入时解释数据和进行损伤检测。
一个来解决这些仪器仪表问题可能的方法要依赖于由许多便宜的低功耗节点组成的无线传感器网络的概念和结构健康监测的执行。Mitchel, Rao and Pottinger使用商用硬件设计了用户希望使用的传感网络。Lin使用综合结构压电式传感器监控复合材料结构的完整性。Fraser计划去利用一个传感网络作为综合健康监测系统的一部分，它包含计算机视觉、复杂的数值模拟系统、可视化、风险分析和统计决策。Basheer着眼于结构健康监测里传感器网络的自我组织问题。作者也突出了其他设计的问题，例如容错、节能通信和可靠运行。Kotapalli基于商业上可用的硬件为结构健康监测设计了一个双层的网络体系结构。Lynch测试了一个无线数据采集系统。
这些和其他重要课题论文描述无线仪表的设计结构的健康监测。本文中我们提出一个完全自主的设计结构健康监测的无线系统。
2.自主结构健康监测的背景
设计的数据采集仪器如传感器网络应该能够保证最大程度地适应特定任务。作为一个整体，利用无线传感器网络进行长期单孔位微吹气扰动是在试图降低成本和最大化利用系统。因此，执行任何设计问题的决议都应该在思想上保持这种方法。传感器网络设计应该紧密结合监测方法的设计而不一定需要遵循制定其他应用的概念。在这里,我们将考虑的一些问题集中在基于模态应变能的连续监测桥梁的自治结构的任务。
第一，传感器网络应提供低成本的自主的数据采集能力。传感节点的数据采集仪表，应该专门为在很长一段时期内被结构健康监测和自动控制普遍利用的传感器而设计。传感器节点应该很便宜（每个数据频道/传感器为$100或者更少），支持异类传感器数据易于安装和维护。
第二，被用于驱动传感节点的能量的价格应该最低，而且最好是来自自我支撑的能源。无线传感器网络的应用以避免高成本的布线和维护为主要省钱途径。耗电的传感节点在消耗相当数量的像电池一样的中等昂贵的能源时可能会消除任何成本优势。通常，传感器位于很难被接触到的地方，而且根据电池的价格、更换电池的时间、劳动力的花费，在更换拥有100个传感节点装置的电池的一次性费用会在$1000以上的任何数字。如果一个网络节点在被要求更换电池之前只能仅仅持续几个月的话，那么总的花费将很快地增长。
第三，传感网络系统要在能工业、科学和医疗(ISM)的无线电频率范围内共享其他设备的功能，而且在一个拥有大量节点的网络里能够提供一个容错、可靠和安全的通讯方式。这些问题常常被研究者们所忽略。
第四，传感器模块应该提供计算负荷的节能分布和用智能支持监测的方法。计算负荷的分布仅仅在总能量消耗最小或者系统的延迟最小时才又意义。
第五，传感网络一个为传感节点的自我定位提供便利的方法。大部分的SHM理论都要求传感器在结构中位置的知识。网络的定位能力必须允许3 D分辨率节点的位置。
第六，作为一个整体的传感网络，应该在某种程度上类似于有线系统去获得数据能力，也就是说在网路与渠道之间保持同步和最小的错误。网络中任何两个节点之间的采样同步误差应该远远低于信号在接受的时期。
第七，传感网络和SHM系统应该围绕传感器和监测的原理组建，不需要励磁结构和对主要的能量使用进行测量，但是需要功能捕捉和分析环境对结构的影响。通过利用像来自交通、风的环境能量来励磁，我们就可以在强迫激励结构上避免与成本有关的能量收支。
最后，SHM不能依靠有人类介入的任何部分的决策，要能够损伤特征分析，数据采集，发电和自主完成功能。结构健康监测系统要处理所有数据所在的位置，定期向生成报表，并把他们传送到监测机构，在检测到一种威胁或一个极端的事件（例如快速增长的裂纹或地震）时发出警报。
在这一部分我们提出了符合所有这些要求的框架。
3. 无线智能传感器网络
无线智能传感网络（WISAN，“传感网络”）在设计时把连续结构健康监测的目标记在心里。网络设计要符合前面所述的要求和为各种各样的土木工程结构健康监测系统的切实实施提供一个良好的基础。有限信号处理的智能功能，压缩，波形代和嵌入式计算智能（模糊逻辑和神经网络）使这类传感网络几乎在大量的SHM方法中适用。
传感节点的内部结构如图一所示。数据采集模块是围绕Texas Instruments的超低耗MSP430F1611单片机建立的。数据采集模块也提供了六个12位的数模通道，两个12位的数模转换频道，16通用数字输入/输出渠通道和16M位的EEPROM存储器。模块化设计允许一个可扩展的设计与灵活的数数输入/输出通道和解除了网络协议控制器执行信号处理任务。
数据采集模块通过一条内部总线连接到网络接口上。在网络接口上根据IEEE 802.15.4的标准实施网络协议。Chipcon的2.4Ghz模块CC2420被用于接收广播。一个传感节点的所有组件都是低价的，实现了每频道$100成本的目标。
利用MSP430单片机和CC2420芯片RF射频（高频交流变化电磁波）设计传感节点需要的驱动能量非常低。信号在MSP430单片机里每1Mhz消耗0.84mW或者每8Mhz消耗7.5mW，这在单片机里是非常有优越性的。另外，MSP430单片机在低功率模式下大约只有5μW消耗,使在备用状态下的电池寿命达到好几年。CC2420射频收发器是低功耗，低花费，是IEEE 802.15.4部门为高频交流变化电磁波能够2.4 GHz的无线带宽里顺应接收而设计的。收发模块提供了16个频道的范围在2 Mchips /s和250 kbps有效原始数据率d 直接序列扩频调制解调器，它低功率消耗（接收时是60 mW，发送时是52 mW），有效范围在10 ~ 75米，输出功率可编程，硬件MAC加密和认证(AES- 128)，有信号强度指示器和电池监视器。WISAN节点所有设备满负荷(在 3V时75mW)运行时消耗的总的最大功率远低于其他传感网络在进行结构健康监测任务时的功率消耗。
如此的低功耗能够延长电池的寿命和延长更换周期到好几年，或者还可以利用环境振动的能量来驱动传感器节点。WISAN节点消耗的峰值功率（(75 mW）在时间上是非常短暂的，而且仅在必要时与信标保持同步和传送收集到的数据的一些时间里出现。该节点的其他所有的时间都工作在低功耗模式下，约0.1瓦特的电力消耗。举个例子，在一段30秒的时间里，在50Hz下连续采集12位的模拟输入将产生2250字节的数据。假设最糟糕的功率消耗和1毫秒的保守采集时间，那么采集过程将消耗50Hz*30s*(1ms*7.5mW+19ms*5µW) = 0.0113925J的能量。假设无线链路利用率为50%（一个非常保守的估计）传播这些数据将会持续2250bytes/(250kbps*0.5/8)≈0.14s。因此，传送过程大约要耗费0.14s*(52mW+7.5mw) =8.3mJ的能力。假设一个传感节点的在接收模式下大约要花100毫秒来等待802.15.4的信标，则总共的能量消耗将增加到大约0.1s*(60mW+7.5mW) =6.75mJ。因此一个WISAN节点在50赫兹采样率连续30秒采集一个模拟信号的总共能量消耗为11.4mJ+8.3mJ+6.75mJ=26.45mJ。相比较，Lynch提出的设计，在传送相同数量数据的功率消耗为0.9J (相对于 WISAN的8.3mJ)，相差两个数量级别或者更高。这些数据将直接影响传感节点电池的使用寿命和是备用电池能够利用能量采集设备产生的小到1mW下工作。
就像之前描述的，低功耗真正实现了自动化，是能量采集设备能够连续工作。在实践阶段，一个几乎无需维护的SHM系统可以利用驱动WISAN节点的机电设备或者压电式发电设备组建。
选择物理层和数据链路层协议与802.15.4相互兼容的网络协议也解决电磁兼容性、可靠性和安全性的问题。为802.15.4设备配置无线电频率(频道)使其与其他出现的流行的网络协议共存是有预见性的，就像802.11（无线上网）。利用频道吸收在一定程度上产生电磁干扰是允许的。传感器节点之间的通信可以通过先进加密标准（AES）的加密和认证变得非常安全。
位于Chipcon公司生产的射频接口模块的信号强度计允许在传感模块通过对整个节点进行信号强度的测量来实施定位能力。这种能力能被执行以下描述的过程。节点定位能潜在地被用于减少电脑连接动作次数的路由算法和在传感器节点均匀分布能源消耗。
实时的抢占式内核在传感节点里按照时间表来执行任务，支持高精度的全球时间同步，传感器数据的时标技术和执行机构的命令。例如，为了从结构的模态响应上重建位移式模态振型，重建位移式模态振型的精度取决于抽样事件的时间同步的精度。全球时间同步的时间信号将被转发802.15.4超帧的一部分并且纳入航标。结合低延迟的实时内核, 预计全球时间同步的精度将在微秒的级别。
传感网络的实施软件提供的服务实现嵌入式智能和分布式计算负荷。通过对传感器数据的现场压缩实现了网络带宽的最小占用。通过模糊逻辑的实施和能无需传送数据网络完成控制任务转换成简单方法的神经网络实现了网络响应时间的最小化。考虑到低能量的消耗WISAN的网络接口，我们不能认为快速的应用，用大功率计算设备来执行传感节点里的傅里叶快速变换操作是合理的能量智能化。例如，估计摩托罗拉MPC555单片机的一个自回归模型4000系数计算消耗大约3 J的能量。在WISAN里不使用任何计算压缩方案传送16000字节的原始数据将消耗大概66.75mJ的能量（保守地估计）。因此，网络传播具有潜在44次的比在传感器里计算更优越的算法。数据将被传送到一个专门连接到用低价能量作为电源的节点上，如电力线路或一个太阳能电池。这样的专门的节点将为SHM系统的计算要求提供一个更经济高效的解决方案。
所有上述的考虑同样支配着传感网络的结构。我们建议使用比双层结构有更加好的容错的二级三簇结构。图二阐明了二级三簇网络结构。
一个簇里的传感节点通常由一个中等价位的像电池或采集装置能量为电源来驱动的。为了使一个节点消耗的能量最小和减少连接动作消息的数量，所有节点都与族里的头节点单独相连。如果一个单独连接的线路不能用时，它就会被多路连接所替代。各种各样的节能路由算法可以应用到在接受从其他节点来的传感器节点的路由信息时减少和平均分配能耗。然而一个单路连接的邮件传递的通常是会传送给所有节点。多路连接的目的是在可能发生的簇首跳出服务时为网络提供容错，以防万一，比如在一个极端事件如地震。由Kottapalli提出的二级交流结构在任何的“现场大师”（簇首）跳出服务时被完全破坏。
