關(guān)于橋梁監(jiān)測系統(tǒng)無線索力計的設(shè)計及應(yīng)用

0 引言

隨著道路交通增長，我國橋梁勞損加速，結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生幾率與惡化風(fēng)險顯著提高[1，2]，運(yùn)營安全保障工作日漸繁重。對橋梁結(jié)構(gòu)展開監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)異常預(yù)警、病害識別跟蹤、損傷評估等功能，其帶來的安全效益受到重視[3]。對于斜拉橋、系桿拱橋等索結(jié)構(gòu)橋，索的拉張狀況具有決定交通承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度的關(guān)鍵意義，但相對外露易受損傷，又不便日常巡檢，因此對其展開索監(jiān)測意義更加顯著。舊金山的金門大橋[4]、韓國Jindo雙橋[5]，以及國內(nèi)無錫蓉湖橋、南通新江海河橋等[6]先后實(shí)施了此類監(jiān)測。但以上系統(tǒng)中索監(jiān)測設(shè)備在體積、功耗、網(wǎng)絡(luò)靈活性等方面存在各自的不足，應(yīng)用推廣還有待進(jìn)一步優(yōu)化提升。

頻率法測索力是以上索監(jiān)測采用的典型方法[7]，但原始數(shù)據(jù)多，現(xiàn)場采集配合遠(yuǎn)程分析的使用模式面臨線纜供電不可靠、無線通信與網(wǎng)絡(luò)部署開銷高等問題。本文提出的監(jiān)測用無線索力計通過硬件和基本系統(tǒng)低功耗化，將索頻算法嵌入設(shè)備內(nèi)，大幅減少數(shù)據(jù)傳輸開銷，并以無線自組網(wǎng)接入取代線纜布設(shè)，增強(qiáng)了橋索監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整體系統(tǒng)的設(shè)計主要由硬件設(shè)計、索力檢測算法設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計三大部分組成。

系統(tǒng)的硬件部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。系統(tǒng)包括主控制器、射頻模塊、傳感器接口等。

軟件系統(tǒng)層次如圖2所示，其與硬件適配構(gòu)成了低功耗無線網(wǎng)絡(luò)化的傳感平臺，采集控制、索力分析、數(shù)據(jù)輸出依托其上。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本索力計選擇Microchip的無線微控制器Mega256rfr2作為主控兼通信芯片。最高逾20 MIPS的運(yùn)算能力，配合256 KB閃存及32 KB RAM，為索力數(shù)據(jù)分析的嵌入與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧運(yùn)行提供支持；低至2 μW的休眠功耗及動態(tài)可調(diào)的運(yùn)行頻率，則使設(shè)備具備低功耗長續(xù)航基礎(chǔ)條件；片內(nèi)集成的IEEE802.15.4射頻收發(fā)機(jī)擁有100 dB以上充裕的鏈路預(yù)算以及可降低多徑衰減影響的接收分集功能，無線通信覆蓋與穩(wěn)定性得以加強(qiáng)。

振動頻率采集單元采用NXP公司的3軸MEMS加速度傳感器MMA8451，其通過高速I2C接口與主控通信。內(nèi)部過采樣可達(dá)800 Hz，確保覆蓋索力監(jiān)測頻段的5倍以上量程；±8g的最大測量范圍和250 μg最佳分辨率滿足橋索不同振動強(qiáng)度時的監(jiān)測需要；輸出緩沖區(qū)的存在有效避免采集過程喚醒主控。

電源方面借助德州儀器的TPS62740轉(zhuǎn)換電壓令系統(tǒng)各部分電壓保持較低水平，從而減少芯片內(nèi)嵌壓降單元上的能量損耗。

另外硬件系統(tǒng)配置SPI接口的片外Flash存儲芯片AT45DB641E，使本索力計可存儲一定時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，必要時可導(dǎo)出供第三方工具分析研究。

3 嵌入式索力算法設(shè)計實(shí)現(xiàn)

3.1 頻率法理論模型[8-10]

頻率法測量索力首先利用傳感系統(tǒng)采集的振動數(shù)據(jù)，再對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理、提取自振頻率，最后通過自振頻率和索力之間存在的固有關(guān)系推算出索力。

索振動方程如下：

式中，fn是第n階固有頻率。除fn以外，其他參數(shù)均已由設(shè)計和施工材料給出，測得fn及其階數(shù)即可推算出索力值。

3.2 索力采集分析設(shè)計

本文索力計測量索力在選取最優(yōu)軸、完成振動采樣頻率校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，主要通過峰值提取和窗口加權(quán)評估兩個階段分析獲取索力。

3.2.1 峰值提取

本階段主要目的是對振動FFT功率譜進(jìn)行信息提取，去掉對于基頻提取無效的干擾信息，保留功率譜中與基頻提取相關(guān)的峰值，以便之后進(jìn)一步進(jìn)行基頻提取。主要步驟如下：

(1)設(shè)置特殊參數(shù)M，F(xiàn)FT功率譜點(diǎn)數(shù)為2N時，M的取值在[1，2log2N]之間可調(diào)。

(2)對FFT功率譜進(jìn)行滑動平均處理，得到平滑功率譜。滑動平均處理所取的窗口寬度為5～20個頻點(diǎn)。

(3)將平滑功率譜的前M點(diǎn)直接置零。從第M點(diǎn)到第N點(diǎn)掃描FFT平滑功率譜，保留FFT平滑功率譜中的所有極大值，其他非極大值點(diǎn)全部置0。

(4)再次從第M點(diǎn)到第N點(diǎn)掃描FFT平滑功率譜中的非零點(diǎn)，設(shè)第k點(diǎn)為當(dāng)前掃描非零點(diǎn)，k-1點(diǎn)為上一個掃描到的非零點(diǎn)，k+1為下一個掃描到的非零點(diǎn)。

(5)若第k點(diǎn)的幅度大于第k-1點(diǎn)和第k+1點(diǎn)的幅度，則不做處理，繼續(xù)掃描第k+1點(diǎn)，否則，依據(jù)第k點(diǎn)與最近非零點(diǎn)的距離做處理。如果第k點(diǎn)與最近非零點(diǎn)的距離小于K，則將第k點(diǎn)置零，否則，不作處理，繼續(xù)掃描第k+1點(diǎn)。

掃描完所有的點(diǎn)，得到FFT峰值功率譜G(n)。

3.2.2 窗口加權(quán)評估

對頻點(diǎn)x，如果在x和它的各次諧波頻點(diǎn)處構(gòu)建以其為對稱中心的凸函數(shù)形狀窗函數(shù)w(n-kx)，則可以形成如式(3)所示、與相關(guān)度類似的指標(biāo)。

本階段以上述指標(biāo)為依據(jù)，尋找E(x)的最大值，該處x即對應(yīng)最可能的索力基頻。

4 網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計

小體積、電池供電和無線通信的設(shè)計為本文索力計帶來部署便利性，但也使之能源受限。射頻模塊屬于索力計的大功耗單元，其上網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計需要兼顧自組網(wǎng)和低功耗特性，避免索纜高處的索力計節(jié)點(diǎn)電池快速耗盡情況造成維護(hù)問題。

本文首先將無線索力計定義為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點(diǎn)，避免其承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)、路由等高開銷任務(wù)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計具有高占空比射頻休眠狀態(tài)的自組織網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制如圖3。索力計通過此方式接入靈活部署的自組織網(wǎng)主干部分，實(shí)現(xiàn)常年連續(xù)的監(jiān)測。

5 應(yīng)用與驗(yàn)證

本文研究團(tuán)隊2017年在泰安長江大橋部署了無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測，所用索力傳感器即本文設(shè)計的無線索力計。其在系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，索力測算值與理論值范圍相符，各索的數(shù)據(jù)變化趨勢相互印證。圖4展示了2017年1月25日到3月5日期間該橋某跨6枚索力計上報的數(shù)據(jù)情況，所在區(qū)域2月20日到2月26日的大面積降雨積水影響在圖中體現(xiàn)為索力最大波動區(qū)段，其余時段變化較平緩一致。

表1統(tǒng)計了同一跨段12根索的索力監(jiān)測值，并與設(shè)計值進(jìn)行對比。從偏差情況可見，本文算法所得各索張力與相應(yīng)參考值偏差不超過3.7%，符合監(jiān)測應(yīng)用的工程需要。

6 結(jié)語

本文以Mega256rfr2射頻SOC及MEMS加速度傳感器等搭建了無線索力計平臺，在其上實(shí)現(xiàn)了索力算法嵌入和網(wǎng)絡(luò)接入優(yōu)化，軟硬件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)接入的穩(wěn)定性、內(nèi)嵌索力算法的準(zhǔn)確性均通過了實(shí)際工程驗(yàn)證。本文的索力計對于索力監(jiān)測具有較大的應(yīng)用價值。