（计算机系统结构专业论文）基于无线传感器网络的桥梁诊断传递函数分析方法的研究.pdf

摘要 到2 0 2 0 年左右，日本将有很多桥梁的服役年数会超过5 0 年。根据统计， 当桥梁服役超过5 0 年时，老化问题会逐渐显现出来。如果这些问题没有被及时、 正确地检查出来，将很有可能会导致严重的事故突然发生。本文关于“基于无线 传感器网络的建筑健康度检测系统 的研究就是为了通过采用新的技术，提供可 靠、准确的桥梁检测手段，提高老式桥梁的安全性，以期延长其服役年限，同时 可以减少政府在桥梁维护工作方面的开销，节约社会资源。 本文的研究目的是为了实现桥梁检测日常管理系统。这个系统采用了无线传 感器网络技术，数字信号处理技术。通过对桥梁的振动数据的分析，来获得桥梁 的特性，之后，通过跟踪观测，来评价桥梁的结构健康状况。 本文先对无线传感器网络的组建及无线传感器节点之间的信号传输进行了 研究。分析了无线传感器网络的数据传输流程，实现了数据收集装置与中继器之 间的数据传输，以及控制无线传感器节点与中继器进行同步数据传输。 其次，本文利用快速傅立叶变换和传递函数两种方法对桥梁的振动数据进行 分析，获取桥梁的特性值，并对两种方法的结果进行了比较，得出了各个方法的 特点。最后，对车辆以不同方式在桥面行驶时所产生的不同情况进行了研究，对 比分析了在不同情况下，桥梁振动信号受到的影响。 关键词： 桥梁诊断，快速傅立叶变换，传递函数，无线传感器网络 v a b s t r a c t r e c e n t l y , i nj a p a nt h eb r i d g e st h a th a v ep a s s e d5 0y e a r si ns e r v i c e a b l el i f e r a p i d l yi n c r e a s eb e t w e e n2 0 2 0a n d2 0 3 0 o n c eab r i d g ew a sb u i l to v e r5 0y e a r s d e t e r i o r a t i o n ，c r a c ka n dm a n yo t h e rp r o b l e m sw o u l db ea p p e a r e dq u i e t l y s o m e u n e x p e c t e dd i s a s t e r sw o u l dh a p p e nl i k ec o l l a p s ea f f a i r sw i t h o u tp e r i o d i c a ld i a g n o s i s w bs t a r tt h i sr e s e a r c ht op r o t e c tp e o p l e s l i v i n ge n v i r o n m e n ta n dr e d u c et h ef i n a n c e o v e r e x p e n s eo fg o v e r n m e n t t h u st h i sb r i d g eh e a l t hd i a g n o s i ss y s t e mi sb o m t h ea i mo ft h i sr e s e a r c hi st h ed e v e l o p m e n to fab r i d g ed i a g n o s i ss y s t e mf o r d a i l yb r i d g em a i n t e n a n c e t h es y s t e mi n c l u d e st h et e c h n o l o g yo fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，a n ds t r u c t u r ea n a l y s i s o fab r i d g e t h ed i a g n o s i s t e c h n o l o g yi sd e v e l o p e dt ou n d e r s t a n dt h ep h e n o m e n al i k ed e t e r i o r a t i o na n dc o r r o s i o n o fa b r i d g et h r o u g ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ot h ed i a g n o s i ss y s t e mc a l le v a l u a t et h e h e a l t hc o n d i t i o no fab r i d g ea n dc o n d u c tac o m p r e h e n s i v ed e l i b e r a t i o no nr e p a i ra n d r e i n f o r c e m e n tw o r k t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ec o n s t r u c t i o no fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ka n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e so ft h e m a n dt h es c h e d u l eo fd a t a t r a n s m i s s i o ni nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sd i s c u s s e d b e s i d e s ，t h i s p a p e r i m p l e m e n t st h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ed a t ar e c o r d e ra n dt h er e p e a t e r , a n da l s o t h es y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nb e t w e e nw i r e l e s ss e n s o rn o d ea n dr e p e a t e r i nt h ed a t aa n a l y s i sp a r t ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l la n dt r a n s f e rf u n c t i o na r eu s e d o nt h ec o l l e c t e dd a t ao fb r i d g ev i b r a t i o n t h er e s u l t s ，w h i c hg i v eo u tt h ec h a r a c t e ro f b r i d g e ，o ft h e s et w om e t h o d sa r ec o m p a r e d a tl a s t ，s o m ed e e p e ra n a l y s i s ，i no r d e rt o s e et h ea f f e c t i o nf r o md i f f e r e n tc o n d i t i o no fv e h i c l ei sd o n e k e y w o r d ： b r i d g ed i a g n o s i s ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，t r a n s f e rf u n c t i o n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：豳刍日期：丑遂盆虱 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 研究背景 第1 章介绍 日本是一个地质灾害频发的国家，尤其是地震，对建筑的破坏及对人生安全 的威胁最严重。所以，在日本，各个工业领域近年来对监测检测系统的需求越来 越旺盛，这其中包括商用建筑和公共基础设施，特别是在1 9 9 5 年发生的兵库县 南部大地震之后。那场地震中，6 ，0 0 0 余人丧生，4 0 ，0 0 0 余幢建筑崩塌。地震中 建筑的损坏情况与1 9 9 4 年美国北岭地震类似。那场地震中，很多钢筋结构的建 筑遭受重创，都是在梁柱接合处发生断裂导致建筑最后的崩塌。而这样的问题， 只有在梁柱螺栓上的防火涂料被除去后才能被发现，因为在大多数情况下，仅仅 通过目测，寻找结构的表面裂痕，是无法判断结构本身的破坏程度的。 事实上，类似的状况已经持续了很长一段时间。从2 0 世纪6 0 年代开始，日 本经济开始高速发展，大量的民用、商用设施投入建设。在那之后的2 0 年中， 日本建造了大量的公路和桥梁，这些设施中的大半部分将按照设计要求将继续服 役到2 0 2 0 年。但是，这些设施的世纪质量令人堪忧，因为，在那个疯狂建设的 年代，建筑质量是难以得到保证的。 考虑到在这些公路、桥梁上，每天都有大量车辆在其双向车道上面行使，而 且其中有约3 0 都是重型卡车。这样大的交通流量，会对桥梁产生巨大的压力， 随之而来的，将会是桥梁的快速老化，以及由此造成的一系列和桥梁自身有关的 问题。不得不提的是，日本的这些桥梁，到2 0 2 0 年或者2 0 3 0 年的时候，服役年 龄都会达到或超过5 0 年。所以，对桥梁进行经常性的检测维护变得越发必要， 在未来的几年中，这方面的需求将急剧增加。然而，由于政府的预算总是很紧张， 所以，在检测维护活动方面的投入将不太可能占用财政支出中很大的部分。因此， 人们开始尝试去寻找一个更加有效并且更为经济的策略来对这些路桥实行检测 和维护。 尽管这将花费大量的开支以及较长的周期来建立这样一个维护系统，然而， 所有的发达国家都已经投入了大量的人力物力来实现这样的系统。可以肯定的 是，这样的系统将会在保护人身安全以及经济活动当中扮演重要的角色。所以， 一旦这些系统出现了哪怕一些细微的差错，也有可能导致不堪设想的后果。当然， 只要对这些系统进行精心维护，并合理使用，它们将会带来显著的功效；反之， 它们的存在将变得没有意义。 由此可见，我们非常有必要开发出新的维护技术，用来提高检测、监测、维 修以及重建工作的质量。结构健康监控( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g 简称 s 删) 就是结构维护技术当中一个重要的组成部分n 町。 结构健康监控是一项新兴的技术，它广泛应用于城市建设、机械工程以及航 天工程。 结构健康监控的目标，是在某个结构的整个服役周期内，监控其各个部分的 结构状况( 含老化情况、故障情况等) ，以及将其作为一个整体进行监测。当然， 这里说的“结构安全 不只是停留在工程设计所限定的领域，它还可以包括由于 使用而造成的老化，以及因环境因素引起的腐蚀，以及突发因素造成的破坏。由 于时域监测的运用，使得我们可以建立完整的监测历史数据库，然后，通过对使 用情况的分析，我们可以对已有的破坏部分进行预测，判断其今后的发展趋势， 并且估算出设施的剩余使用寿命。 比起传统的检测方法，s h m 提供了许多有效的改进： 一验证对现有结构进行的修改 一对结构的性能及安全性进行客观的评估 一可以对结构性位移进行长期的跟踪，对极端条件下的结构的材料进行老化 情况的跟踪 一对设计提供及时的反馈 一对结构的疲劳寿命进行评估 一检测建筑当中使用的新系统以及新的结构模式 一评估建筑物在地震后的完整度 一在建筑老化，需要增加维护的时候，更有效地利用资源( 资金、材料等) 一为性能优先的设计理念提供支持 传统上，对民用建筑的检测一直是一项劳动密集型的工作。检测人员往往会 在危险的环境中进行检测工作。在这样的环境中检测人员难免会犯错误，因此检 测工作的质量会有比较明显的下降。随着检测工作的工作量急剧增加，为了保证 并提高检测工作的效率以及准确性，我们迫切需要自动化设备投入到这项工作当 中，发挥它的优势。 科技的进步，使得人们可以从大量繁重的体力工作中解脱出来；传感器、信 息科技的进步使得它们正在逐步代替人类来完成这些工作。这样做的优势是显而 易见的：首先，它把人们从低科技含量的工作中解放了出来，大大降低了劳动力 的需求；其次，它提高了工作效率，提高了精度，并且避免了人为原因造成的错 误，节省了大量的时间。 此外，这个方法的另一个重要用途就是可以通过对传感器的数据进行分析， 来检测出破坏状况。当然，由于处在建筑结构内部的传感器的信息在绝大部分情 2 况下，都会受到环境因素的干扰，例如车流，温度或其他的环境因素，所以在进 行数据处理之前，我们都需要对数据进行过滤，除去引起干扰的噪音h 1 。 在一个国家的所有组成部分中，交通系统是极其重要的一个部分。其中，桥 梁建筑更是在这个系统中扮演着咽喉要道的角色。交通流量与日俱增，桥梁也在 风雨侵蚀，自然灾害中受到破坏。而一旦桥梁的状况恶化到某一程度，将会发生 很多无法预料的灾难。 所以，必须建立一个有效的检测系统来监视桥梁的使用情况，保证其安全工 作，使得人民生命、公共财产得到很好的保护，以保证一个安全的工作生活环境。 1 2 研究目的 在过去，主要的检测技术是击打检测，目测，以及通过采集样本进行局部检 测。这样的检测，一般每五年进行一次。所以，这样对建筑健康状况的检测进行 的检测就无法做到每日进行。当有问题发生的时候，过去的方法是依据检测时的 情况进行处理，因此，像这样基于对健康状况的判断而进行的预防性维护并不能 产生多少效果。举例来说，每天都用击打或震动的方法来获取桥面的健康状况数 据，这是极其不现实的。 在本文中，我们将提出一个用于对结构状况进行检测的系统，该系统通过传 感器接收数据，传感器感应桥梁由于外力或自身震动而产生的能量波。之后，我 们对收集到的数据进行数据分析，获取想要的桥梁状况的信息。 我们选择了青岚橘作为实验床来进行该系统研究，该桥位于北九州市小 含区南部啪。 事实上，使用传感器网络来进行桥梁健康状况的检测已经不是一个新概念 了。然而，传统的传感器检测方法使用的是压电式有线加速度传感器，该传感器 连接到一个附着在p c 上的数据收集装置，这样的系统有以下缺陷： 一花费大量人力物力在建筑上安装这些设备。 一需要使用大量的线缆来连接分布在建筑各个部分的传感器，以及数据收集 装置。 一购买设备需要大量的花费。 一后期维护需要大量的花费。 相比较传统的方法，无线传感网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 以更 低廉的价格提供了相同的功能，这样一来，相同的花费就可以使得单位面积布置 更多的传感器，提高检测精度。相比较有线传感网络，无线传感网络的安装和维 护将会便捷、便宜得多，并且当建筑结构改变的时候( 例如：修补) ，无线网络 3 受到的影响也是最小的，不用考虑重新布线。 测量技术、信号处理技术近年来都取得了飞速发展，伴随着传感器、计算机 价格的快速下降，精确可靠的结构检测技术也因此比过去更为可靠、稳定、便宜。 当然，我们可以利用它通过不同的方法来实行检测，不过更重要的是，它可以应 付大批量的数据。由以上的情况可以看出，实现这样一个对通信、存储、数据处 理有着高要求的系统已经成为可能，因为我们可以采用更高精度的检测技术，用 较低的成本购买更多、更快的计算机，以及容量更大的存储空间。 本文所提到的这个项目n 町的目的旨在建立一套日常管理系统用以检测并维 护桥梁的安全状况。这套系统由几部分组成：无线传感网络，信号处理，数据分 析。桥梁的震动数据通过侦测桥梁在外力作用下产生的细微位移来实现，这些外 力可能是人为的敲击，车辆引起的震动，风或者桥下水流对桥体的冲击。之后， 通过对收集到的数据进行分析，检测桥梁的健康状况，是否受到破坏，破坏的情 况，裂缝的位置等等。使用传递函数对收集到的数据进行分析，可以获取和建筑 结构的现有状况相关的一些非常有价值的信息，这些信息会提供一个大概的结 论，以判断建筑结构的安全情况。 、 从检测方法来看，本文采用的这种方法属于基于振动的检测方法，即，通过 对桥体施加外力，使其产生共振，然后对获取的振动信号进行信号处理，来分析 其固有频率。 用于桥梁检测方面的信号处理技术已经非常多了，经典的快速傅立叶变换 ( f f t ) n 引，近年来飞速发展的小波变换，它们都已经被用到了桥梁检测上，属 于非常成熟的故障检测d s p 技术n 别。而传递函数，也已经是一个成熟的信号处理 技术，被广泛用于电气、航空、精密仪器的故障检测中，例如，美国的f 1 6 战斗 机就是用传递函数进行空气动力学研究，检测高速飞行中的两片机翼之间的扰动 情况口1 。但是，在桥梁检测方面，传递函数的使用还非常少，在日本的国内专利 文档中，还没有找到相关资料。所以，这次采用传递函数来进行桥梁检测分析， 是一种尝试，通过传递函数来寻找桥梁的固有频率，同时，也采用经典的f f t 进行相同的处理，将两者产生的结果进行对比，以观察哪种方法的效果更好。 1 3 论文研究重点及结构安排 本文以日本经济产业省九州经济产业局的“基于无线传感器网络的建筑健康 度检测系统”为研究背景n 钔，对桥梁检测中的信号处理进行了研究。本文采用了 传递函数分析法对采集的数据进行分析；并通过实验分析了车辆以不同的方式行 驶时，其对分析结果的影响；最后，对f f l 分析法与传递函数分析法进行了比较 4 1 2 0 o 第一章介绍了建筑安全检测的概况；第二章介绍了桥梁检测的相关技术，主 要包括传统的检测技术以及当今用于桥梁检测的无线传感器网络技术和数字信 号处理技术；第三章对本项目系统进行深入的介绍，并详细叙述了实验条件，以 使读者对整个系统有一个总体的了解；第四章是对实验数据的详细分析，采用传 递函数方法，对收集到的数据进行分析，获取桥梁的固有频率属性，并讨论了在 不同的车辆行驶条件下，分析结果受到的影响，并将传递函数分析法与f f t 法进 行了比较；最后，第五章对全文的研究进行了总结。 由于条件所限，本文暂时无法获得桥梁损坏以后的实验数据，所以无法对将 现有数据与损坏桥梁的数据进行对比，也就无法进一步深入研究传递函数方法在 桥梁检测上的作用。 5 第2 章桥梁检测相关技术 由于桥梁所处的自然环境变化异常，大多数桥梁在自然环境中往往显得极其 脆弱，很容易老化。而这样的老化会对桥梁的各个部分造成严重的影响，所以各 种各样的桥梁检测技术被发明出来，用于查找桥梁中被破坏、或者严重老化的部 分，以使得桥梁可以正常工作，保证其安全性。 从桥梁检测的目的来看，损伤探测大致可以分成四个阶段： ( 1 ) 通过全局检测手段探测损伤的存在，即结构是否发生了损伤； ( 2 ) 如果结构发生了损伤，进一步利用局部检测手段对结构的损伤进行定位； ( 3 ) 建立损伤量化指标，对局部损伤进行量化，以便制订出合理的维护与维 修方案； ( 4 ) 损伤探测的最终目的，即评估结构的剩余使用寿命。 2 1 桥梁结构检测方法 从是否对桥体进行损坏来看，桥梁检测的方法主要分为两大类：有损检测和 无损检测。有损检测，是指检测过程会对桥体的本身产生损伤，影响其将来的使 用以及工作可靠性的检测方式，如敲击检测是最典型的有损检测。无损检测是指 以不损及其将来使用和使用可靠性的方式，对材料或构件进行宏观缺陷检测、几 何特性测量、化学成分、组织结构和力学变化性能的评定，并进而就材料或构件 对特定应用的适用性进行评价。所有的结构在其使用期间都会遭受不同程度的累 积损伤，利用无损检测的方法可以获取结构内部的健康信息，分析结构的振动特 征，并与结构原始状态进行比较，以便了解结构因累积损伤而造成的改变u 副。 由于科学技术的发展，现代检测方法中绝大部分都是无损检测方法，由于无 损方法的先天优势，并且伴随着技术的提高，无损检测的精度、便携性都有了飞 速发展，所以有损检测方法的使用越来越少。 桥梁结构状态的无损检测主要有局部检测方法和整体检测方法两种。局部检 测方法是通过对结构某个局部构件进行无损检测，判断是否有局部损伤发生及损 伤程度如何，进而判断该损伤对结构整体工作性能的影响如何。整体检测方法是 通过检测结构的整体特性来评价整个结构的实际状态。现在国内外检测桥梁结构 大多是先用整体检测法确定一些可能的损伤部位，然后再结合局部检测方法对这 6 些部位的构件进行详细的具体的损伤检测，进而对桥梁的损伤情况进行定位。 2 2 1 局部检测方法 局部检测是通过无损检测技术对桥梁需要重点了解的部位进行详细检查，搞 清细部结构的损伤情况、力学性能和构造特性的实际状态。目前使用的局部检测 方法主要有表观检测法、超声波检测法、电涡流探测法、红外成像法、y 射线法、 回弹法、超声脉冲法、压痕法、磁探和磁摄动技术、同位素探测等。近些年来， 其他领域的一些无损检测方法也应用到了桥梁的健康检测中。如在航空领域大量 使用的用来检测构件的裂纹情况的声发射方法，它主要是通过声波在构件中传播 过程来检测损伤，在桥梁的损伤检测中可以用来检测桥墩有无裂纹。 2 2 2 整体检测方法 整体检测方法主要有基于振动的检测方法、模态修正方法、静态检测方法和 神经网络法。传感器的优化布置方法是整体检测方法中涉及的一个重要问题。传 感器布设的位置及数量对准确测量模态参数有很重要的影响。通常，能取得满意 测试结果的传感器布设方案应尽量做到以下几点1 ：在含噪音的环境中，能够利 用尽可能少的传感器获取全面精确的结构健康状况：测得的模态应能够与模型分 析结果建立起对应关系；能够通过合理添加传感器对感兴趣部分进行重点采集； 测得的时程记录对模态参数的变化要非常敏感。此外，传感器的布设还应该考虑 到安装方便、模态试验结果的可靠性及抗干扰性等方面。 a ) 基于振动的检洳方法 寻找与结构动力特性密切相关的动力参数，通过这种动力参数的变化来判断 结构的健康状况。近些年来，大家一致认同的是结合系统识别、振动理论、振动 测试技术、信号采集与分析等跨学科的试验模态分析方法( e m a ) ，这种方法已被 广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、荷载识别和动力学修改等 问题中，现在研究者试图把这种方法应用到桥梁结构的健康检测中来。通常用到 的模态参数主要有频率、振型、阻尼、振型曲率、功率谱、模态保证准则等。利 用振动方法对桥梁结构进行损伤检测的基础是从这些桥梁振动的模态中能够估 计出桥梁结构振动参数的变化。桥梁振动模态通常可用常规的动力试验分析方法 测试得到。在桥梁的不同位置合理地布置测点，记录下桥梁结构损伤发生前后这 些测点的基本信息，然后从中提取桥梁振动模态参数的变化，以此来确定桥梁结 构损伤发生的位置及损伤的程度，最后给出桥梁维修与维护的方案。 7 基于振动的检测方法，国内外取得的主要研究成果表现在以下几个方面：以 强迫振动的方法分析各个模态参数对结构局部损伤变化的影响：以桥梁上的动荷 载的特性( 比如车辆型号的大小、车辆行驶的速度) 所测得的环境振动信号进行 模态参数分析：对适用于桥梁健康诊断的状态参数积累了一些理论和实际经验： 基于系统识别的基础，可以利用一些测试的数据进行理论计算模型修正：目前该 方法使用的状态参数还局限于频率、振型、振型曲率、应变等。 b ) 模型修正法 模型修正法在桥梁健康诊断中主要用于通过综合比较试验结构的振动反应 记录与原模型的计算结果，利用直接或间接测得的振型、阻尼、频率、加速度记 录、频响函数等，通过优化条件约束，不断地修正模型中的刚度分布，从而得到 结构刚度实际变化的信息，根据结构刚度的变化来实现损伤的定位和损伤程度的 评估。 c ) 静态检测方法 通过静载试验，可以检测与桥梁结构性能有关的参数，主要包括变形、横向 位移( 挠度) 、应变、裂缝、曲率、倾角等，从测试结果可分析得出桥梁结构的 强度及刚度，从而评估桥梁的承载能力。桥梁静载试验的具体内容包括：静应变 的测量。通过测试结构的静态应变，可推算截面的应力分布、杆件的实际内力与 次应力、混凝土与钢筋作用情况等；静位移测量。测量竖向静位移量，亦即梁的 挠度，水平位移量( 桥墩顶位移) 。 啦神经网络法 人工神经网络模型是心理学家m c c u l l o c h 和数理逻辑学家p i t t s 在1 9 4 3 年 首先提出的，经过5 0 多年的发展，特别是2 0 世纪8 0 年代，r u m e l h a r t 和 m c c l e l l a n d 等人提出多层前馈网络的反向传播算法( b a c kp r o p a g a t i o n ) 后，神 经网络技术在商业、金融、建筑制造业、医学、航空、通信、力学等领域得到了 广泛的应用。由于人工神经网络具有并行计算能力、自我记忆能力和自我学习功 能，还有很强的容错性与鲁棒性，善于联想、综合和推广，反向传播神经网络b p n 成为土木工程领域健康诊断最得力的工具，并且被广泛应用到损伤结构诊断模型 研究中。美国m e l b o u r n e 大学的n h a r i t o s 教授利用动力实验技术啦! ，通过环 境激励的方式识别了几座实际桥梁模态频率、阻尼及振型，证实了动力实验技术 这种方法在桥梁损伤检测中的潜在能力。 2 2 传统的桥梁检测技术 2 2 1 目测 8 目测是最基本的桥梁检测和评估的方法，它应该是评估一座桥梁的第一个步 骤。目测人员采用多种途径来对桥梁进行检测，从最简单的直接寻找桥梁表面是 否有裂痕，到采用由计算机控制的侦测摄像头，来自动观察、判断桥梁的各个组 成部分。明显的缺陷可以很容易地就被发现，例如外力的破坏，严重老化，骨架 碎裂或者弯曲等等。目测结束以后，其结果将被记录下来，以此作为将来进行详 细局部诊断的依据。 事实上，目测这个方法，在本质上就存在缺陷。由于每个人的视力、检测经 验的不同，不同的人能够发现的问题就会存在很大的区别。观察点也可能会导致 问题。结构中的有些部分可能很难被观察，这样，这些部分就很容易在目测判断 中被误判，甚至有些没有裸露在外的部分根本无法被目测。另外，目测的结果只 能是定性的，而无法做到定量，而且仅仅限于对桥梁的表面情况进行判断。 2 2 2 放射线成像 放射线成像包括使用伽玛射线或x 射线来检验材料或产品的合格情况以及 其内部特性。在检测的时候，放射源可以是一台x 射线发生器或者是放射性同位 素。射线直接穿过被照射物体的某个部分，然后投射到胶卷或者其他可以感应射 线的介质上。结果产生的放射性投影可以显现出桥梁结构内部的情况，用以判断 它的这个部分的情况是否良好。建筑材料的厚度和密度变化在胶片上表现为明亮 部分和灰暗部分的变化，灰暗部分在放射性成像中表明，桥梁结构的这个部分内 部有空隙。 放射线成像技术可以用来在实验室环境中或者现场环境下对所有的结构情 况进行检查，可以通过x 射线或伽玛射线来精确测量选取部分的桥梁的密度。放 射线成像技术已经被广泛用于监测桥梁的老化情况。调查表明，密度测定的结果 与重量分析测定的结果及老化情况非常吻合。传统的放射线技术在实验室环境下 可以获得理想的结果，并正逐步走向实际应用环境，但是当检测的设备在检测桥 梁各部分的现场工作的时候，仍然会有一些问题。便携性以及局部检测是阻碍其 走向现场工作的两个主要障碍。使用传统放射线成像技术来检测桥梁结构的各个 部分的主要缺陷在于，它们使用光电的吸收作用来生成桥梁的某个局部的内部结 构图像，而光电吸收作用本身是需要在检测某个部分的时候对其多个表面进行侦 测的。仅需要对结构某个部分的一个面进行侦测的设备已经被开发出来了，它不 再用光电的吸收作用来进行密度测量，取而代之的是康普顿散射。这些设备包括： 一个勇于测量反射的伽马射线的便携设备，以及通过伽玛反散射来预测结构某个 部分的局部密度的设备。 9 2 2 3 应力波 应力波是由于被检测的材料的物理表面震动而产生的波。应力波以声速在材 料中传播，并且，在材料的外表面，内部的空洞以及不同材料的联结处，都会发 生反射 。 使用应力波有一个很简单的方法，让应力波通过一段预先指定的距离，然后 计算出所花费的时间。如果材料的体积是已知的，那么，通过应力波计时，可以 定位桥梁组成部分中老化的部分。由于应力波在桥梁老化部分中的传播速度要低 于在正常部分中的传播速度，所以，定位桥梁结构中的某个老化部分，可以通过 测算应力波通过每一个部分的时间差来实现。如果应力波通过某个部分的时间需 要花费更多的时间，那么这个部分将很可能存在潜在的退化现象 正是由于应力波在老化部分中的传播不同于其在正常部分的传播，所以，可 以从桥梁中找出老化的部分。具体原因在于，应力波在老化的部分中会较正常部 分有极其明显的衰减，所以可以发现，在桥梁的正常部分，应力波会以更高的频 率传播，而在老化部分以一个较低的频率传播。基于此，就可以在桥梁老化的初 期阶段发现其老化的部分，加以维护，做好预防。 应力波经常被用来测算桥梁的弹性系数，使用飞行时间质谱测量一个预先确 定的时间，就可以得到应力波的速度。然后，就可以用应力波的速度计算动态情 况下的桥梁材料的弹性系数。此后，还可以通过统计，得出不同强度条件下的材 料属性。 2 2 4 超声波检测 在超声波检测中，高频声波被发送到桥体，用来监测桥梁结构中有缺陷的部 分，或者用来定位桥梁结构发生改变的部位哺3 。最常用的超声波检测技术是脉冲 回波。这项技术是指，将声波导入桥体，声波会在桥体内部的异常部位( 裂纹、 褶皱处) ，或者物理表面发生反射( 回波) ，而反射的声波会被一个接收装置捕获， 用以研究。超声波检测技术已经被用来研究引起结构强度将低的原因，诸如细微 的倾斜，结构性老化等等。但是，大多数用于桥梁检测的超声波检测技术关注于 在材料生产的地方评估产品的质量，而不是到材料实际使用的场合，综合当地的 实际环境来对桥梁的结构进行评估。 关于超声波的使用，还是有一定的困难。最重要的一点，对桥梁各部分结构 的检测结果中，包括了传感器与桥体结合处的超声波反射，还有为了在自然老化 情况下实现有效检测而对结构尺寸做出的限制，以及需要到达桥梁结构的另一面 1 0 来传递或接收超声波的要求。由于高频率的应力波会在相对短的距离内明显衰减 ( 木质材料中最明显) ，用超声波在较小的局部区域内检测老化或其他破坏情况 就显得特别有效。但是，这也就把超声波检测的有效区间局限在了小范围检测上， 对于具有巨大横截面的桥梁来说，它非常有效。如何使超声波到达桥体的另一面 一直是个问题，近年，关于如何解决这个问题开始有了些眉目。一项新的技术被 引入到检测当中，它通过导入一个沿着纵切方向精确折射的能量波到桥体中来解 决这个问题。很多早期用于桥梁检测的超声波检测方法都把测量得到的脉冲传播 时间作为判断桥体结构老化、倾斜或者连接处发生问题的依据。但是，现在的研 究人员已经开始通过对超声波进行频谱分析，来获得更为精确的桥梁内部情况数 据。这是一个趋势，将来的超声波检测应用将会更多的利用耦合工艺以及先进的 信号分析技术来对建筑材料的完整性以及桥梁结构的承载能力进行评估。 2 2 5 地面穿透雷达 微波和毫米波检测技术是指用探测器将频率范围从3 0 0 兆赫兹到3 0 0 吉赫兹 的电磁波发射到电介材料中( 例如，电绝缘体) 。发射和接收电磁波的探测器采 用透射传输技术，或者用一个单独的探测器，发射电磁波，以及接收电磁波的反 射波。地面穿透雷达则经常被用来借助发射接收天线来侦测反射波n 引。 对于木质的桥梁，微波检测主要在自动化的木材分类系统中使用，针对材料 密度、潮湿状况以及纹理角度这些参数，对木材的质地进行评估。对木材局部进 行材料检测的研究也取得了成功。由于电磁波对潮湿的部分特别敏感，所以微波 技术被认为在检测老化的木质结构时将会变得非常有用。 2 2 6 可钻性检测 可钻性检测是一项用于木质材料的技术，它是一项微损检测技术，已经被用 来判断材料密度，以及检测桥梁材料的腐败情况。这项技术被分类到微损级别是 因为，在检测后，会在检测样本上留下一个直径1 5 m m 到3 m m 的小洞。但是这个 小洞不足以对桥梁的结构特性产生影响，并且，可以通过密封的方法，对这个小 洞进行处理，以防止外界的腐蚀因素( 例如，药水、虫蚀) 进入材料中。 在使用可钻性检测之前，需要满足一个条件，钻头在钻的过程中所施加的力 一定要与材料的密度相对应，否则，钻洞设备将很可能无法正常工作。可钻性是 通过测量穿透材料所需要的能量来判断的。绘制一张关于钻入阻力与钻入深度的 曲线图可以得到一个可钻性示意图，这个比例图可以用来评估桥梁结构的内部情 1 1 况，以及可以定位处于不同阶段的腐蚀。这张比例图还可以用来评估桥梁内部各 部分的腐蚀情况，并可以拿来跟由x 射线摄影生成的结果进行比较。 由于可钻性检测技术提供了一个不同的局部密度检测方案，所以，它最好和 用来对老化情况定性的无损检测法一起使用，例如目测法，或者和区域情况检测 法，如超声波检测法一起使用。在这样的情况下，目测或者应力波检测可以用来 定位发生老化的那个局部区域，可钻性检测则可以用来在几个有限的关键点处进 行检测，通过穿透厚度来判断结构的实际情况。然后，可以将这些检测结果综合 起来，预测弹性系数或者局部的结构强度等参数。 2 3 无线传感器网络技术 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络 及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协 作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式 被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世 界以及人类社会三元世界的连通，传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事 国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区 域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和 工业界的高度重视，被认为是对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一。 一个典型的传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点( 群) 、接收发 送器、互联网和用户界面等晦3 。其中，传感器网络节点的基本组成包括如下4 个 基本单元( 图2 1 ) ：传感单元( 由传感器和模数转换功能模块组成) 、处理单 元( 包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等) 、通信单元( 由无线通信模块组成) 以及电源。 1 2 传 图21 传感器网络的系统结构i 划 此外，司以选择晌其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电 系统等。在传感器网络中节点可以通过b 机柑撒或人【却置等方式，大景部署 在被感知对象内部或者刖近。这些节点通过自组纵方式构成无线网络，以协作的 方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经由 s ln k 竹点( 接收发送器) 链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理r l 一心。 反之，远程管理中心也_ j 蛆埘网络竹点进行实时控制和操纵。 传感器网络节点为个微型化的嵌入式系统，构成了无线传蟮器网络的基础 层支持平台。阿前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上 是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议力式，比如采 用自定义协议、8 0 2 1 1 协议、z i g b e e 协议、蓝牙协议以及u w b 通信方式等。典 型的节点包括u e r k e l e ym o t e s ，s e n s o r i aw i n s ，b e r k e l e yp le o n o d e s ，m i tu 圳p s s m a r t m e s hd u s tm o t e ，i n t e li m ol e4 1 以及i n t e lx s c a l en o d e s ，i c t c a s i i k u s 的b u d s 。1 等。 传感器网络有着巨大的应用时景，建筑在各类传感网络节点平台上的、面向 海陆空全方位应用需求的各类研究项日更是层出不穷。以下仅列出其中几个代表 典型应用的项月为例，比如用于环境监测、气象现象的观测和天气预报“、生 物群落的微观，l 【i l 测。“、洪灾的预警”“、农田管理 2 4 1 智能家居”“、智能交通。、 辐射监测”“的研究，用于定位的c r lc k e t 。”和e c h c ) “，以及用丁医疗的s s i m 项目。”等。帽信随着研究丁作的小断深入和发展，各种传感器网络将最终蛔布我 1 3 1 | ；赴| r 、帅 、蒙 ，矗 雾一 琴篓 一巧一一 一蕴。一 们的生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。 2 4 用于桥梁检测的信号处理技术 2 4 1 傅立叶变换( t h ef o u rie rt r a n s f o r m ) 线性变换，尤其是傅立叶( f o u r i e r ) 和拉普拉斯( l a p l a c e ) 变换被广泛使 用于解决工程及科学问题。傅立叶变换用于线性系统分析，天线研究，光学， 随机过程建模，概率论，量子物理学以及边界值问题，此外，它也被成功地用于 海量数据的修复。傅立叶变换是一个普遍适用的工具，在很多科学领域，它可以 作为数学或者物理方法来把一个复杂的问题转换为一个比较容易解决的问题。有 些科学家将傅立叶理论作为一个物理现象，而不仅仅简单地作为一个数学工具。 在某些科学分支上，某个函数的傅立叶变换可以引申出另一个物理函数。 从本质上来说，傅立叶变换是把一个波形或者函数分解成不同频率的正弦与 余弦波的叠加形式。通过它，可以识别出组成原始波形的各个不同频率的正弦波 在它们所在频率上的振幅强度。 傅立叶变换f ( x ) 的定义用如下方程表示： f c s ) = f e 吨黜：d x 把同样的变换用于f ( s ) ，可以得到： 厂( = ，耶) e q 2 觑 如果f ( x ) 是一个关于x 的偶函数，也即是妖x ) = f ( 一固，那么可得 f ( d ) ：f ( x 。如果f ( x ) 是一个关于x 的奇函数，也即是f i x ) = 一f ( 一x ) ，那么可 得f ( o ) = f ( 一x ) 。当f ( x ) 既非偶函数，亦非奇函数的时候，它通常被拆分成奇 1 4 部分和偶部分。 为了避免混淆，通常会写出傅立叶变换以及它的逆变换，两者之间互逆： 尸( 。= f f ( x ) 口一i 2 花嚣d x 双曲= f f ( s ) e - i 2 n x sd x 由以上两式可得： 彻= 脚f ( x ) e - 昭卜如 只要这个积分存在断点，通常用多个积分的形式量 f ( x + ) 十f ( x 一) 来表 示，它就是有限的。变换量f ( s ) 通常表示成f ( s ) ，傅立叶变换则通常用符号 f 来表示。 由于傅立叶变换f ( s ) 所表示的是函数f ( x ) 的频率域曲线，s 表示分解的 正弦和余弦频率，其值等于单位时间的波动数x 。如果一个函数或者勃兴不是周 期性的，那么这个函数的傅立叶变换将是关于频率的连续函数。 a ) 两个域 通常，把一个函数以及它的变换形式考虑成两个域是非常有用的n 2 1 。这些 域在早期的书中被称作高位域和低位域，就像函数本身是一个低位域的，那么 它的变换也将是低位域的。它们也可以被称作函数域和变换域，但是在大多数 的物理应用中，它们被分别称作时间域和频率域。对其中的一个域进行操作，会 直接影响到另一个域。例如，对时域函数进行卷积运算，就相当于对对应的频率 域进行乘法运算，可以表示为：f ( x ) 圆g ( x ) hf ( s ) g ( s ) 。这个式子的逆也 是成立的：f ( s ) 固g ( s ) 9f ( x ) g ( x ) 。这个定理允许我们在时域和频域两个 域之间切换运算，选取一个最简单的或者最有利的方法来进行运算。 1 5 b ) 离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ( d h ) ) 由于计算机基本只能处理离散的数据，所以函数厂( t ) 的福利叶变换的数值 计算就需要f ( o 的离散采样值，我们设它为f k 。此外，计算机计算f c s ) 的变换 时，只能计算s 是离散值的情况，也即是说，它只能得到这个变换的离散采样 值融。如果f ( k t ) 和f ( r s o ) 分别是粥和f c s ) 的第k 个和第r 个采样，并 且，n o 表示在信号的一个周期t o 中进行采样的数量，那么有 磊= r f ( 毳力= 瓦7 o 厂( 七d 和 耳= f ( r s o ) 在这里，需要满足前提条件： 2 汀 s 。22 牙晶2 瓦 离散傅立叶变换( d f t ) 的定义是： 这里，。2 薏。它的逆表示为； 1 6 _ g 磊 啪 = b 水 甜 0 嘞 l 一 = 磊 有了合适的采样数据，就可以利用这个等式来计算离散傅立叶变换以及其逆 变换【4 】。 c ) 快速傅立叶变换( f 8 stf o u r i e rt r a n s f o r m 仔礤) ) 快速傅立叶变换是一种离散傅立叶变换算法，是离散傅立叶变换的快速算 法，也可以用于计算离散傅立叶变换的逆变换【4 l 。快速傅立叶变换有着广泛的应 用，例如数据信号处理，计算大整数乘法，求解偏微分方程等等。它减少了离散 傅立叶算法的计算次数( 以n 个采样点为例：运算次数由2 n 2 减少到2 n i g n ) 。 如果要进行变换的函数和其采样频率不是谐波关系，那么，快速傅立叶变换的结 果就会类似一个s i n 函数( 尽管总功率不变) 。信号失真( 信号丢失) 可以通过使 用渐变函数来截取，以降低其影响。但是，减少信号失真的