王立新, 郭凰, 楊佳宇, 李爽, 李儲(chǔ)軍, 汪珂

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 西安 710043; 2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 西安 710048;3.長安大學(xué)信息工程學(xué)院, 西安 710064)

中國作為基建強(qiáng)國,擁有大量在建和運(yùn)營的結(jié)構(gòu)工程,公路、橋梁、隧道作為重要的基礎(chǔ)工程建設(shè),在國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程本身產(chǎn)生一定的安全隱患,同時(shí)由于施工也可能對(duì)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(yùn)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(dǎo)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(yùn)營。因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(structural health monitoring,SHM)是結(jié)構(gòu)工程建設(shè)和運(yùn)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(cè)的方法很難滿足人們對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的要求[1],自動(dòng)化監(jiān)測(cè)作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要手段,成為及時(shí)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(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)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(luò),掌握建筑工作狀態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷、評(píng)估建筑安全情況[2],實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高效、互動(dòng)、自動(dòng)遠(yuǎn)控的功能,以便反饋結(jié)構(gòu)工程建設(shè)各方,改善工程施工或運(yùn)營,實(shí)現(xiàn)工程安全和高效并行建設(shè)。有線傳輸以其干擾小、可靠性高、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)工程中得到了廣泛應(yīng)用,但有線通信因其部署費(fèi)用高,系統(tǒng)擴(kuò)展、使用維護(hù)難度大等不足使其應(yīng)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(luò)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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨成熟,逐漸成為近些年結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(dǎo)波損傷監(jiān)測(cè)與蘭姆波(Lamb wave)數(shù)據(jù)通信,成功檢測(cè)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(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(cè)系統(tǒng)相關(guān)的所有需求,因此,針對(duì)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)完全滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用要求的協(xié)議是有必要的。

在對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本組成進(jìn)行分析的基礎(chǔ)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(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,并對(duì)不同的通信方式的性能進(jìn)行分析;最后指出無線通信技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用存在的問題和未來的研究方向。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(cè)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(luò)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,確定現(xiàn)階段及未來一段時(shí)間工程地與附近區(qū)域的安全狀態(tài),對(duì)將要出現(xiàn)的危險(xiǎn)及時(shí)做出預(yù)警,使得管理人員采取相應(yīng)的措施。

(1)數(shù)據(jù)采集。通過各類傳感器、攝像機(jī)以及其他儀器獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象、周圍環(huán)境的相關(guān)信息,將采集到的連續(xù)非電信號(hào)量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號(hào),對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后通過通信節(jié)點(diǎn)傳輸給數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)采集是監(jiān)測(cè)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(biāo)參數(shù),結(jié)構(gòu)工程常見傳感器有應(yīng)力、應(yīng)變、位置、位移、速度等傳感器,環(huán)境監(jiān)測(cè)有氣體、溫度、濕度等傳感器。

(2)數(shù)據(jù)傳輸是保證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵部分,及時(shí)、準(zhǔn)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(xiàng)狀態(tài)提供強(qiáng)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(wù)。數(shù)據(jù)傳輸可采用有線或無線傳輸方式,在單個(gè)節(jié)點(diǎn)難以滿足通信距離時(shí),利用組網(wǎng)手段擴(kuò)大傳輸覆蓋范圍。當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)[5],如WiFi、ZigBee、4G/5G等方式。

(3)數(shù)據(jù)分析針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可采用多種智能算法,提取相關(guān)信息,進(jìn)行各種處理,包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、多元數(shù)據(jù)融合、特征分析、評(píng)估建模、狀態(tài)辨識(shí)、態(tài)勢(shì)研判等,將數(shù)據(jù)圖表化、可視化,便于相關(guān)人員進(jìn)行后續(xù)處理。

(4)數(shù)據(jù)應(yīng)用有多重選擇,根據(jù)不同的需求選取不同應(yīng)用,結(jié)構(gòu)工程中的常見應(yīng)用包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)急預(yù)案、分級(jí)預(yù)警、繪圖顯示、動(dòng)態(tài)評(píng)估等。

典型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(fù)其責(zé),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(cè)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(cè)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的方向發(fā)展,傳統(tǒng)的人工測(cè)量及記錄的方式已不能滿足日益復(fù)雜的工程項(xiàng)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(dòng)態(tài)擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)工程中部署太復(fù)雜。相對(duì)來說,無線通信組網(wǎng)只需增添新的節(jié)點(diǎn),就能夠滿足工程動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的需求。因此,本節(jié)對(duì)幾種常見的無線通信技術(shù)進(jìn)行比對(duì)分析。

2.1 常見的無線通信技術(shù)

按網(wǎng)絡(luò)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(duì)其原理、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)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(fù)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(luò)層以及應(yīng)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(luò)層主要承擔(dān)組建網(wǎng)絡(luò)的功能,支持星型、網(wǎng)型和樹型3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee可靠性高、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng),在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模塊之間可以相互通信,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m無限擴(kuò)展[7]。而在功耗方面,ZigBee設(shè)備的接收功率和發(fā)射功率較低,在休眠模式下,設(shè)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(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過多年發(fā)展IEEE802.11已衍生出多個(gè)包括IEEE802.11a/b/g/n/ac等在內(nèi)的新標(biāo)準(zhǔn)。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(luò)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)。

流行的802.11n速度可達(dá)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(hào)傳輸?shù)木嚯x短,信號(hào)的衰減速度快,需要增加中繼來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋。

2.1.3 4G/5G

4G是基于3G發(fā)展的第4代移動(dòng)通信技術(shù),是基于IP協(xié)議的高速蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),采用了基于網(wǎng)際協(xié)議(internet protocol,IP)的核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無縫覆蓋和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)節(jié)[10]。目前廣泛應(yīng)用的4G技術(shù)主要是LTE(long term evolution)和LTE-Advanced,LTE-Advanced具有時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用兩種模式,采用了正交頻分復(fù)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(dòng)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(luò)架構(gòu),相較于4G而言,分別從用戶體驗(yàn)、信息安全、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面進(jìn)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(shí)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(shí)延、網(wǎng)絡(luò)平均吞吐速率[13],數(shù)據(jù)傳輸速率高,最高可達(dá)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(dòng)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(shí)延,較大子載波的時(shí)候可以有效地縮短調(diào)度時(shí)延,對(duì)于時(shí)延的最低要求是1 ms,使用5G進(jìn)行信息傳輸時(shí)更迅速,并能對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行判斷。正是由于5G技術(shù)的高帶寬、高效率的特點(diǎn),使其成為推動(dòng)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(jìn)行運(yùn)作的核心。

基于新型技術(shù)所針對(duì)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(shè)備與技術(shù)降低功率節(jié)點(diǎn),利用密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)消除網(wǎng)絡(luò)部署中的盲點(diǎn),實(shí)現(xiàn)增大信號(hào)覆蓋面積,簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。總而言之,5G技術(shù)具備速度更快、網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力更強(qiáng)、有效提升工作頻譜、劃分網(wǎng)絡(luò)空間等優(yōu)點(diǎn)[15]。

2.1.4 LoRa

遠(yuǎn)距離無線電(long range radio,LoRa)技術(shù)是一種基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)[16],LoRa技術(shù)通信距離遠(yuǎn),功耗低[17],在低于1 GHz頻段進(jìn)行通信。在LoRa組網(wǎng)中,采用節(jié)點(diǎn)加網(wǎng)關(guān)的形式來部署網(wǎng)絡(luò)。LoRa網(wǎng)關(guān)的定義為將LoRa網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接到有IP的網(wǎng)絡(luò)中[18]。根據(jù)其定義,網(wǎng)關(guān)可以采用LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān),也可自行設(shè)計(jì)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(hào)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(kuò)頻因子;BW為調(diào)制帶寬,Hz。

LoRa使用6個(gè)擴(kuò)頻因子(SF7～SF12)來適應(yīng)數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的平衡,數(shù)據(jù)速率Rb與擴(kuò)頻因子SF成正比。也就是說,增大擴(kuò)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(kuò)頻技術(shù)和循環(huán)糾錯(cuò)碼編碼,其擴(kuò)頻調(diào)制產(chǎn)生頻率線性,可變調(diào)制信號(hào)用于頻譜擴(kuò)展,提高了通信鏈路的魯棒性;循環(huán)糾錯(cuò)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(jī)的復(fù)雜度[19]。同時(shí),LoRa技術(shù)優(yōu)異的遠(yuǎn)距離通信能力大大減少了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸使用的路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(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(yuǎn)距離、抗干擾的通信能力優(yōu)勢(shì)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(fù)載比較小,有字節(jié)的限制;LoRa的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署之間會(huì)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(yán)重失真;LoRa傳輸?shù)男盘?hào)波長較大,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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(luò)架構(gòu),并對(duì)現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和處理流程進(jìn)行了優(yōu)化。因此,NB-IoT可直接部署在全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)網(wǎng)絡(luò)、通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(universal mobile telecommunicationssystem,UMTS)網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò),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(dú)立部署、保護(hù)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(jìn)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(yīng)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(yùn)用NB-IoT大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)工程的監(jiān)控、科學(xué)測(cè)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(duì)無線通信技術(shù)的研究越來越多,當(dāng)今結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用項(xiàng)目多種多樣,不同的應(yīng)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(luò)的無線通信技術(shù)有兩大類,無線個(gè)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(diǎn),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(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)通信技術(shù),運(yùn)營商建立的大量基站使得它們?cè)诔鞘兄芯哂休^大的覆蓋范圍,但在偏遠(yuǎn)地區(qū)由于基站布點(diǎn)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)?？紤]的性能指標(biāo)有組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)部署方式、傳輸距離、單網(wǎng)接入節(jié)點(diǎn)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(shè)應(yīng)用的重要性能指標(biāo),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(diǎn)。

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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

無線通信技術(shù)憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)在礦井、橋梁、隧道、地下管道等大型結(jié)構(gòu)工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,無線通信技術(shù)的各種因素和技術(shù)差異使得它們應(yīng)用的場景不同,沒有一種技術(shù)能完美地服務(wù)于所有的結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用,因此,需從實(shí)際應(yīng)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(cè)系統(tǒng)。

3.1 ZigBee在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

礦井的開采屬于高危作業(yè),在開采過程中,很有可能會(huì)發(fā)生崩塌、瓦斯泄露等重大事故。地下礦井、隧道工程有時(shí)會(huì)導(dǎo)致巖石位移、隔墻坍塌和邊坡破壞,因此需要對(duì)斜坡和隔墻進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),以保持礦井的穩(wěn)定性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是更適合連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法,而且它性價(jià)比高,滿足提供數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。結(jié)合ZigBee的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦井中具有廣泛的應(yīng)用,在工程施工過程中, 國外學(xué)者Uradzinski等[27]發(fā)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(diǎn)在井下監(jiān)控和通信中的ZigBee應(yīng)用,在實(shí)際案例中能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)性能。在國內(nèi),Yu等[29]將ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng),利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jì)算機(jī)(personal computer,PC),最終將監(jiān)控結(jié)果傳輸?shù)焦芾碛脩?。這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(yùn)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(tái)可分為ZigBee數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的施工隧道結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠提供施工隧道的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析與預(yù)警,實(shí)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(cè)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(yùn)營監(jiān)測(cè)中,可以幫助工程安全管理、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)或監(jiān)測(cè)情況、實(shí)時(shí)全面記錄和分析現(xiàn)場情況。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中,Lee等[31]設(shè)計(jì)了能夠?qū)崟r(shí)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(cè)系統(tǒng),使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為通信手段輔助橋梁安全信息的傳輸和管理,加強(qiáng)了橋梁安全運(yùn)營的保障。許強(qiáng)等[32]為解決橋梁施工和設(shè)備安裝線路冗亂、環(huán)境復(fù)雜的問題,提出了一種基于ZigBee的多信道多點(diǎn)無線橋梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)36組通道應(yīng)變,并將數(shù)據(jù)上傳至云端,便于管理人員對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。馬式紀(jì)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(cè)橋梁狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線組網(wǎng)將實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(luò)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(jì)快速發(fā)展的過程中,運(yùn)行安全是極為重要的前提,沒有良好的安全保障,高鐵建設(shè)將無從談起。因此,在軌道監(jiān)測(cè)中,研究者從線路基礎(chǔ)設(shè)施、自然環(huán)境與災(zāi)害等可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手進(jìn)行高鐵外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究,對(duì)有效地提升高鐵運(yùn)行安全指數(shù)有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。Gao等[34]研究的硬件原型由道路側(cè)的一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和一系列連接到軌道側(cè)ZigBee終端設(shè)備的傳感器(加速度計(jì)、溫度傳感器、濕度傳感器和紅外探測(cè)器)組成。ZigBee終端設(shè)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(dá)到鐵路狀況監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

3.2 WiFi在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

WiFi在橋梁監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用,郭曉澎等[35]設(shè)計(jì)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(yīng)變系統(tǒng),該系統(tǒng)利用單片機(jī)控制WiFi和以太網(wǎng)模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)有線和無線通信方式的切換,同時(shí)該系統(tǒng)可以很好地完成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量的任務(wù)。在監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中,能夠在230 m范圍內(nèi)保障WiFi數(shù)據(jù)傳輸效率和準(zhǔn)確性,但在大型橋梁工程建設(shè)中的監(jiān)測(cè)范圍還不夠。Heo等[36]研發(fā)了一種防災(zāi)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量各種類型的數(shù)據(jù),如無線加速度響應(yīng)實(shí)時(shí)反映了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,以便進(jìn)行準(zhǔn)確診斷,該系統(tǒng)能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和實(shí)時(shí)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(duì)系統(tǒng)性能影響的基礎(chǔ)上,Wang等[37]結(jié)合ZigBee和WiFi各自性能的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的雙層無線傳感器網(wǎng)絡(luò),低層網(wǎng)絡(luò)采用低功耗ZigBee協(xié)議,而高層網(wǎng)絡(luò)采用高速WiFi通信進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸,促使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在影響結(jié)構(gòu)安全的突發(fā)事件中及時(shí)做出預(yù)警。Abdelraheem等[38]設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(cè)元件,傳感器嵌入物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中,檢測(cè)碳纖維片和混凝土板之間的脫粘,該節(jié)點(diǎn)管理測(cè)量過程,能夠自動(dòng)捕獲測(cè)量位置以及訪問測(cè)量數(shù)據(jù),其物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(cè)的新型結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),將大量加速度計(jì)部署在單個(gè)建筑物中的不同樓層之間,使用一到幾十個(gè)臺(tái)站分別記錄,經(jīng)獨(dú)立的傳感器插頭計(jì)算機(jī)設(shè)備通過以太網(wǎng)或WiFi直接連接到互聯(lián)網(wǎng),使整個(gè)社區(qū)、設(shè)施管理人員和應(yīng)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(xiǎn)的效率。Morgenthal等[40]提出了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的低成本分布式嵌入式系統(tǒng),該系統(tǒng)使用經(jīng)濟(jì)高效的微機(jī)電系統(tǒng)(micro electromechanical system,MEMS)加速度計(jì),數(shù)據(jù)在使用WiFi收發(fā)器進(jìn)行處理后傳輸,實(shí)現(xiàn)了在低成本微控制器STM32上執(zhí)行計(jì)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(shè)備的典型信噪比。該系統(tǒng)的搭建推動(dòng)了建筑物和結(jié)構(gòu)復(fù)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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

軌道交通工程因其存在地質(zhì)條件復(fù)雜、建設(shè)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(shí)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(cè)提供自動(dòng)化新思路。張炳濤等[41]在板石嶺隧道凍害的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),使用中央控制模塊和4G移動(dòng)通信技術(shù)聯(lián)網(wǎng)的方法,以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心服務(wù)器與現(xiàn)場監(jiān)控之間的一對(duì)多遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和終端傳輸。王大鵬等[42]提出,鐵路項(xiàng)目在施工期環(huán)境在線監(jiān)測(cè)過程中,強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)區(qū)域有較強(qiáng)的兼容性, 5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、安全性比4G網(wǎng)絡(luò)好。針對(duì)當(dāng)前鐵路工程建設(shè)階段由于通信質(zhì)量導(dǎo)致的信息化工作推進(jìn)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(shè)行業(yè)的優(yōu)勢(shì),提出了5G技術(shù)在當(dāng)前鐵路建設(shè)行業(yè)的應(yīng)用策略。考慮到協(xié)調(diào)難度、建設(shè)成本、建設(shè)周期等因素,趙馳[44]進(jìn)一步發(fā)展了基于5G技術(shù)的軌道交通智慧化工點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),系統(tǒng)采用多層次、多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分布式智慧化工點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)方案,利用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)工點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸,提高了管理效率和應(yīng)急處置能力。崔融[45]利用5G通信的網(wǎng)絡(luò)接口和邊緣計(jì)算技術(shù),構(gòu)建了5G視頻監(jiān)控系統(tǒng),推進(jìn)了 5G通信在城市軌道交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展。在5G盾構(gòu)地鐵項(xiàng)目中,王靜[46]提出給盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部裝5G微基站,保證盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中核心機(jī)位5G網(wǎng)絡(luò)通暢,實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行、施工環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。在對(duì)5G、室內(nèi)精準(zhǔn)定位(ultra-wide band,UWB)兩者進(jìn)行融合的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)施工的隧道內(nèi)對(duì)施工人員、物料、車輛進(jìn)行高精準(zhǔn)定位,有力保障工程、人員、設(shè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)中也存在著廣泛應(yīng)用。為解決現(xiàn)有橋梁監(jiān)測(cè)測(cè)試周期長,效率低、損傷定位精度低等問題,馬慧宇等[47]設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用VGG16卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橋梁的應(yīng)變、加速度、溫濕度等特征信息進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn),該系統(tǒng)通過4G-LTE公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的全天候監(jiān)測(cè)。張吉圭等[48]采用基于4G的One Net作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、應(yīng)用的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)橋梁應(yīng)力數(shù)據(jù)、云服務(wù)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(hù)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(jī)接入4G/5G無線網(wǎng)絡(luò),通過運(yùn)營商的核心網(wǎng)匯入互聯(lián)網(wǎng),最終聯(lián)接工程云平臺(tái)服務(wù)器,通過5G工程云平臺(tái)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控,達(dá)到現(xiàn)場與遠(yuǎn)程雙重監(jiān)測(cè)的效果。邊緣計(jì)算的快速發(fā)展減輕了數(shù)據(jù)管理中心網(wǎng)絡(luò)帶寬和功耗的壓力,王卿等[50]在建筑施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提出5G的關(guān)鍵技術(shù)“移動(dòng)邊緣計(jì)算”可以達(dá)到“0”流量,降低系統(tǒng)延遲,增強(qiáng)服務(wù)響應(yīng)。陳溟民等[51]依托項(xiàng)目工程實(shí)例,基于建筑信息模型(building information modeling,BIM)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了5G+智慧工地系統(tǒng),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工地的通信、安防等需求。利用5G網(wǎng)絡(luò)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(shè)備網(wǎng)絡(luò),形成綜采工作面“一張網(wǎng)”,實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制、多機(jī)聯(lián)動(dòng)等多功能應(yīng)用。呂福瑞[53]提出了一種基于5G的工業(yè)建設(shè)的施工模式,利用無人機(jī)上定位設(shè)備和5G信號(hào)發(fā)射器,采用無人機(jī)集群技術(shù),完成對(duì)施工場地的信號(hào)全覆蓋,輔助后期工程機(jī)械的作業(yè)精準(zhǔn)定位。陳維亞等[54]設(shè)計(jì)了一種道路土方智能化施工服務(wù)平臺(tái),通過無人機(jī)掃描,得到三維實(shí)景建模,借助北斗定位系統(tǒng)和地面施工機(jī)械建立聯(lián)系,完成定位,使用5G技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,形成云平臺(tái)、指揮臺(tái)、機(jī)械端三者相結(jié)合的空天地一體化監(jiān)測(cè)的平臺(tái),如圖5所示,該服務(wù)平臺(tái)在山東某在建道路實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用,成效顯著。

圖5 基于5G的空天地一體化監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)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(shì)。礦井工作面空間狹小, 設(shè)備較多,在礦壓監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中,監(jiān)測(cè)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(duì)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(yuǎn)的要求。星形拓?fù)淇梢宰钚』總€(gè)節(jié)點(diǎn)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(qiáng)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(shè)計(jì)了一種適用于地下環(huán)境結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的多跳LoRa鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò),在線性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中,可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的估算節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間,以此降低50%的功耗(最佳情況)。除了能量消耗和擴(kuò)展性,LoRa 組網(wǎng)的傳輸時(shí)延性也是一個(gè)重要的優(yōu)化目標(biāo)。吉東菁[57]設(shè)計(jì)了一種基于LoRa組網(wǎng)的地鐵運(yùn)營隧道監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在運(yùn)營隧道中布設(shè)位移、沉降、環(huán)境監(jiān)測(cè)等傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道相關(guān)信息的獲取。通過NS3網(wǎng)絡(luò)仿真器對(duì)5種不同組網(wǎng)方式進(jìn)行仿真,得出集中式網(wǎng)絡(luò)在線性擴(kuò)展的隧道通信環(huán)境中不適用,鏈?zhǔn)蕉嗵W(wǎng)絡(luò)相比于前者有更好的時(shí)延性能,尤其是分組多跳網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)傳輸速率(增加帶寬)或減少網(wǎng)絡(luò)傳輸跳數(shù),可以使網(wǎng)絡(luò)獲得較低的時(shí)延性能,滿足地鐵隧道監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)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(cè)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)工程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要推動(dòng)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(shí)時(shí)坡度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。該體系中每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間動(dòng)態(tài)連接,形成自修復(fù)、自適應(yīng)路由路徑,與其他鄰近節(jié)點(diǎn)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(jìn)而使得數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間增加的問題,設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)傳播根據(jù)擴(kuò)頻因子在不同時(shí)隙中進(jìn)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(shí)間。針對(duì)惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè),Loubet等[59]設(shè)計(jì)了一個(gè)由LoRaWAN無電池?zé)o線傳感節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)收集物理數(shù)據(jù),并通過互聯(lián)網(wǎng)將傳感節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器進(jìn)行通信,節(jié)點(diǎn)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(luò)應(yīng)用在高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離、低功耗的可靠傳輸, 幫助用戶進(jìn)行地震作用下振動(dòng)反應(yīng)資料的累積,建筑結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估和設(shè)施管理。當(dāng)監(jiān)測(cè)上傳數(shù)據(jù)過多時(shí),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(jì)及微控制器來監(jiān)測(cè)機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)頻率,由邊緣計(jì)算后超過閾值的結(jié)果通過LoRa節(jié)點(diǎn)上傳至網(wǎng)關(guān),并通過預(yù)警服務(wù)器根據(jù)振動(dòng)信息重繪振動(dòng)曲線,極大地提高了監(jiān)測(cè)效率?？紤]到土壤中天然或人為地下空洞的存在可能會(huì)影響振動(dòng)的地面響應(yīng),傳感器需要易于在多個(gè)位置部署,以應(yīng)對(duì)所考慮地點(diǎn)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(cè)量振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),由傳感器節(jié)點(diǎn)和接收器節(jié)點(diǎn)組成。其中傳感器節(jié)點(diǎn)中的MEMS加速度計(jì)可以測(cè)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(diǎn)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(dòng)監(jiān)測(cè)。

3.5 NB-IoT在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

NB-IoT覆蓋范圍廣、多址接入、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)[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(cè)中得到深入應(yīng)用,Thedy等[64]采用NB-IoT技術(shù),并采用MEMS加速度計(jì)和內(nèi)部位移重建技術(shù)來監(jiān)測(cè)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(diǎn)傳輸?shù)椒?wù)器,進(jìn)而識(shí)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(shí)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(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本橋梁位移監(jiān)測(cè)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(wù)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(wù)器,利用BC-95模塊實(shí)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(yùn)營隧道監(jiān)測(cè)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(cè)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(shì)使其在結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用,但無線傳輸同時(shí)也存在一些問題,它以空氣為介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù),會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程施工、運(yùn)營中的環(huán)境因素對(duì)傳輸信號(hào)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(diǎn)。

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(yīng)用,ZigBee協(xié)議存在安全性差的弱點(diǎn)使得一些需要保密性強(qiáng)的應(yīng)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(jià)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(yīng)用;③5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崟r(shí)跟蹤車輛以及挖掘機(jī),監(jiān)控環(huán)境,并遠(yuǎn)程控制車輛、鉆機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)等機(jī)器設(shè)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(qiáng),容量和頻譜的效率仍有提升空間,同時(shí)5G能耗控制是一項(xiàng)亟需解決的難題;④LoRa頻段屬于非授權(quán)頻段,在實(shí)際使用過程中容易受到其他相同頻段設(shè)備的干擾,且該組網(wǎng)傳輸帶寬小,場地內(nèi)的信號(hào)遮擋物會(huì)影響無線信號(hào)的傳輸距離,在進(jìn)行大規(guī)模組網(wǎng)時(shí),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(fù)雜的監(jiān)測(cè)要求;⑤NB-IoT運(yùn)行在授權(quán)頻段,相對(duì)于LoRa,收到的干擾較少,但NB-IoT中使用的算法存在時(shí)延問題,導(dǎo)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(shè)備壽命,但是NB-IoT會(huì)因?yàn)榻K端設(shè)備同步通信和服務(wù)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(shè)對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可控性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性的要求越來越高,無線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在現(xiàn)階段來看會(huì)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(jí)發(fā)展的熱潮,聚焦無線通信技術(shù)應(yīng)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(shí)空邊界,為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(duì)5G建設(shè)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(jìn),解決結(jié)構(gòu)工程中多徑效應(yīng)嚴(yán)重、大量噪聲干擾、信號(hào)衰減快的問題,這不僅能提升5G在施工中不同領(lǐng)域的應(yīng)用,還能滿足未來運(yùn)營不同領(lǐng)域的用戶體驗(yàn)。

隨著5G的不斷更新迭代、進(jìn)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(luò)技術(shù)(WiFi 6)、星鏈、6G(第6代移動(dòng)通信)等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)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(dá)9.6 Gbps,足以滿足多終端多設(shè)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(luò)提供方式,可以更好地解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)、海島等缺少無線基站、電纜建設(shè)成本較高的地區(qū)建設(shè)結(jié)構(gòu)工程的困難。而6G技術(shù)也是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),在未來的無線通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用研究中,為更好地支持萬物互聯(lián)及垂直行業(yè)應(yīng)用,6G也將會(huì)動(dòng)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(jì)算。在6G時(shí)代,希望能夠進(jìn)一步拓展大規(guī)模MIMO的規(guī)模和應(yīng)用范圍,通過分布式協(xié)同實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程感知通信一體化建設(shè),推進(jìn)結(jié)構(gòu)工程安全高效建設(shè)發(fā)展。

5 結(jié)論

無線通信技術(shù)以其自身的諸多優(yōu)勢(shì)在如今的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代得到了快速的應(yīng)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(cè)中的應(yīng)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(cè)系統(tǒng)中將發(fā)揮更加重要的作用。