胡 泮,王海濤,田貴云,2,高運(yùn)來,曾 偉

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106； 2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué) 電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，紐卡斯?fàn)?NE1 7RU)

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面向鋼軌的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)與應(yīng)用

胡 泮1,王海濤1,田貴云1,2,高運(yùn)來1,曾 偉1

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106； 2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué) 電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，紐卡斯?fàn)?NE1 7RU)

對(duì)面向鋼軌的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)和應(yīng)用進(jìn)行綜述。從傳感器優(yōu)化布置、能量采集和節(jié)能、時(shí)間同步和可靠性技術(shù)出發(fā)，提出了鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)背景下的挑戰(zhàn)；列舉了相關(guān)的有助于解決這些挑戰(zhàn)的應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；優(yōu)化布置；能量

列車多運(yùn)行在高速、重載、高密度的狀態(tài)下，因此作為承載列車運(yùn)行的鋼軌的安全問題越來越受到重視。在20世紀(jì)20年代末，由于美國(guó)鐵路行業(yè)的需求，Elmer Sperry博士研制了用于鋼軌監(jiān)測(cè)的漏磁檢測(cè)方法，從此鋼軌結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)開始成為新興的研究方向[1-2]。目前有多種方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的監(jiān)測(cè)，如超聲法[3]、電磁法[4]、熱成像法[5]及脈沖渦流法[6]等，然而大多數(shù)無損檢測(cè)與評(píng)估方法仍無法實(shí)時(shí)提供完整結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是由沿著被測(cè)結(jié)構(gòu)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的，數(shù)據(jù)通過有線電纜方式傳輸至監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行處理和分析[7]?？萍嫉陌l(fā)展帶動(dòng)了傳感器技術(shù)、電子封裝、信號(hào)處理、診斷學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的技術(shù)突破，常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步向連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)完整性和自動(dòng)化的方向發(fā)展[8]，而發(fā)展成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法中，基于Lamb波的損傷檢測(cè)方法已廣泛應(yīng)用[9]于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。在有線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，由于需要有線來實(shí)現(xiàn)功率和數(shù)據(jù)傳輸，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)的困難程度，增加了系統(tǒng)的成本。例如，用于高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的每個(gè)傳感器通道的成本超過5 000美元；香港青馬大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，350個(gè)傳感器通道的總成本超過800萬美元[8]。

近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，它由目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)放置的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信的方式，形成一個(gè)自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)；該網(wǎng)絡(luò)可感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的參數(shù)信息，可在任何時(shí)間和環(huán)境條件下獲取大量信息。

通過在鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可大大降低系統(tǒng)復(fù)雜性和安裝維護(hù)成本。某面向鋼軌監(jiān)測(cè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：① 不同的傳感器被安裝在鋼軌所需檢測(cè)位置；② 傳感器節(jié)點(diǎn)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和預(yù)處理，節(jié)點(diǎn)間使用無線傳輸協(xié)議與基站進(jìn)行通信；③ 基站整理數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心可實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)并管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在這種背景下，筆者對(duì)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)和應(yīng)用進(jìn)行綜述。

圖1 面向鋼軌的無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，雖然定位、安全等方面問題很重要，但它們并非鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)注的焦點(diǎn)。與被應(yīng)用于其他領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相比，面向鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)有一些特殊的問題需要解決。具體將重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面的問題：傳感器優(yōu)化布置、節(jié)能和能量采集技術(shù)、時(shí)間同步和可靠性。

1.1 傳感器優(yōu)化布置

典型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由三個(gè)主要部分組成：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、傳輸和存儲(chǔ))和健康評(píng)估系統(tǒng)(包括結(jié)構(gòu)診斷算法和數(shù)據(jù)管理)[10]。文中關(guān)注的傳感器系統(tǒng)部分，具體是指?jìng)鞲衅鞯牟贾檬欠衲軌蛲暾从辰Y(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。

傳感器系統(tǒng)是鐵路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。從理論上講，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越多，越能夠獲得全面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息。但由于成本等客觀因素的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量總是有限的，如何安排有限數(shù)量的傳感器并通過優(yōu)化布置傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài)信息的獲取是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 節(jié)能和能量采集技術(shù)

鋼軌結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常被部署在偏遠(yuǎn)并且無電源供應(yīng)的地點(diǎn)[12]，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通常只可采用電池供電。這樣，如何降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗[13]并盡可能通過能量采集技術(shù)對(duì)電池進(jìn)行充電，成為系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)于一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，大部分的能量要用在數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸上。則，傳感器節(jié)點(diǎn)每個(gè)部分的能量消耗主要體現(xiàn)在以下方面：

(1) 數(shù)據(jù)采集時(shí)，不同傳感器的響應(yīng)時(shí)間是不同的，從傳感器開始工作，到輸出一個(gè)穩(wěn)定的精確信號(hào)需要一定的時(shí)間，此時(shí)傳感器的工作電流不能被忽略。

(2) 數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，測(cè)量傳感器信號(hào)需進(jìn)行一系列預(yù)處理，包括濾波、放大并被節(jié)點(diǎn)的AD采用，因此模擬電路的功耗不可忽視。

(3) 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)也需要一定的時(shí)間，而這個(gè)無線傳輸期間的功耗是比較大的。

為了確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)時(shí)間工作，研究人員已開始尋求替代能源。通過收集環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電能再給無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電是一種具有廣闊前景的方法，但目前各種能量采集方法大多無法提供持續(xù)的能源供應(yīng)，因此采集零星可用的能源成為了新的研究方向[15]。

1.3 時(shí)間同步

時(shí)間同步是資源調(diào)度和管理的重要前提，它在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有重要的意義。不同的監(jiān)測(cè)和缺陷診斷方法對(duì)于時(shí)間同步有不同需求，如應(yīng)用于壓電陣列技術(shù)時(shí)，尤其采用時(shí)域分析方法分析鋼軌結(jié)構(gòu)不同測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)更需要精確的時(shí)間同步。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步誤差源包括：發(fā)送時(shí)間、訪問時(shí)間、傳播時(shí)間和接收時(shí)間。其中，發(fā)送時(shí)間[16]是構(gòu)建消息并將消息發(fā)送到MAC層所花的時(shí)間；訪問時(shí)間[16]是等待無線通信信道空閑時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間，其受信道條件的影響。

1.4 可靠性

可靠性是決定網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素之一[17]，其又包括設(shè)備的可靠性和通信的可靠性。

從設(shè)備的可靠性來說，節(jié)點(diǎn)通常部署在惡劣的環(huán)境中，故在進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮環(huán)境的影響，如采用耐高低溫、防水、漏電保護(hù)設(shè)計(jì)等。

從通信可靠性的角度來說，灰塵、污垢、高濕度水平和太陽(yáng)輻射都會(huì)引起節(jié)點(diǎn)故障，并降低信號(hào)強(qiáng)度[17]，從而可能對(duì)鏈路連接和數(shù)據(jù)間歇性發(fā)送產(chǎn)生負(fù)面影響。這都是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 傳感器優(yōu)化布置

在傳感器的優(yōu)化布置方面,JIN[18]提出了一種結(jié)合改進(jìn)聲搜索(HS)和模態(tài)保證準(zhǔn)則(MAC)算法，優(yōu)化傳感器布置的方式。文獻(xiàn)[19]采用最大期望效用理論和貝葉斯線性模型，用于優(yōu)化傳感器的位置，同時(shí)提升了模態(tài)識(shí)別性能。為了避免模態(tài)參數(shù)和測(cè)量響應(yīng)之間的非線性關(guān)系，文獻(xiàn)[19]通過模態(tài)響應(yīng)選擇優(yōu)化的傳感器位置。

2.2 節(jié)能與能量采集傳感器節(jié)點(diǎn)一旦能量消耗殆盡，將不能正常工作。已經(jīng)有大量文獻(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)節(jié)能進(jìn)行了研究，文章關(guān)注的是能源的采集問題。近年來，收集各種環(huán)境能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能的研究逐漸成為熱點(diǎn)[15]。目前，被認(rèn)為適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境能量主要有太陽(yáng)能、機(jī)械能(振動(dòng)或應(yīng)變)、熱能和電磁能[20]。

然而，使用最廣泛的太陽(yáng)能電池板的供電方式，也有一些實(shí)際的缺點(diǎn)，如電池板需要經(jīng)常清洗，天氣惡劣時(shí)太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率[21]會(huì)降低。筆者主要介紹兩種能量采集器：壓電[22]和電磁能量采集器[23]。

(1) 壓電振動(dòng)能量采集器

壓電材料在受機(jī)械應(yīng)變時(shí)可產(chǎn)生電能，如應(yīng)變施加在軌道上或列車駛過時(shí)輪對(duì)與鋼軌接觸可產(chǎn)生電能[21]。壓電材料具有能夠承受惡劣環(huán)境并可提供大量能量的優(yōu)點(diǎn)。WISCHKE[24]發(fā)現(xiàn)鐵路軌枕具有可用的振動(dòng)能量和足夠的安裝空間，設(shè)計(jì)了壓電振動(dòng)采集器并配備了電源接口電路。NELSON[25]利用軌道的垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量，并可產(chǎn)生1 mW的平均功率。

(2) 電磁振動(dòng)能量采集器

電磁式振動(dòng)能量采集器(EM-VEHs)的設(shè)計(jì)依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律[21]的工作原理。ZHU[26]改進(jìn)了Halbach陣列，增加了能量采集器的輸出功率。LEE[27]通過拓?fù)鋬?yōu)化方法提出了一種電磁能量采集器，顯著提高了采集器電磁性能。

2.3 時(shí)間同步

時(shí)間同步是影響無線傳感網(wǎng)絡(luò)性能的重要組成部分。時(shí)間不同步，不僅會(huì)影響能量的消耗，而且影響結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法的效果。QIU[28]提出了一種基于生成樹的時(shí)間同步算法(STETS)，有效地結(jié)合了兩個(gè)時(shí)間同步方案：發(fā)送-接收協(xié)議(SRP)和接收-接收協(xié)議(RRP)。在文獻(xiàn)[29]的研究中提出了一種按需時(shí)間同步協(xié)議，命名為AOTSP；通過理論分析和仿真結(jié)果，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 弱的空間集聚效應(yīng)；② 相當(dāng)?shù)偷耐ㄐ懦杀荆虎?低的計(jì)算復(fù)雜度；④ 精度高；⑤ 高可擴(kuò)展性。

3 結(jié)語(yǔ)

無線鋼軌結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更利于對(duì)鋼軌狀態(tài)進(jìn)行無線監(jiān)測(cè)，為列車運(yùn)行提供安全保障。但在傳感器優(yōu)化布置、節(jié)能和能量采集、可靠性等關(guān)鍵技術(shù)上存在挑戰(zhàn)。盡管無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵路無損檢測(cè)領(lǐng)域中仍有一段相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其將在無損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。

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Challenges and Applications of Structure Health Monitoring for Railway Based on Wireless Sensor Network

HU Pan1, WANG Hai-tao1, TIAN Gui-yun1,2, GAO Yun-lai1, ZENG Wei1

(1.College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, NE1 7RU, UK)

This paper reviews the recent progress for Wireless Sensor Network (WSN) based Structure Health Monitoring (SHM) technology for railway applications. Special challenges including optimal sensor placement, energy conservation and harvesting, time synchronization and reliability under the background of railway are enumerated. Case studies were made on related applications which may help to address these challenges.

WSN; SHM; Optimal placement; Energy

2016-06-22

國(guó)家重大儀器專項(xiàng)資助項(xiàng)目(61527803);江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(KYLX16_0338)

胡 泮(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

王海濤，E-mail: htwang@nuaa.edu.cn。

10.11973/wsjc201612008

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0032-04