基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统

技术领域

本发明涉及一种桥梁等建筑的结构健康监测系统，具体地，涉及一种基于无线 传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统。

背景技术

桥梁的使用期长达几十年、甚至几百年，但是由于常年的荷载效应、材料老化、 环境侵蚀，疲劳效应等因素的耦合作用，桥梁的结构和系统将不可避免地产生损伤 和抗力衰减，甚至发生畸变、坍塌。众所周知，桥梁是国家或地区的交通命脉，它 耗资巨大，一旦发生桥梁坍塌事故，将造成重大的人身伤亡和巨大的经济损伤，并 且带来恶劣的社会影响。为了及时掌握大型桥梁的性能退化，防止突发性的坍塌事 故的发生，应用科学的方法对大型桥梁进行健康监测是极为必要的。目前这一点已 逐渐得到了学术界、工程界以及政府部门的广泛认同。

在过去，桥梁监测系统通常采用人工定期检测或者有线监测系统的方式。然而 人工定期检测方式存在着许多的问题：1）人工监测主观性强，有些结果需要凭借 经验估计得到；2）由于人工检测频率的限制，检测结果往往比损伤出现滞后，不 能及时对损伤预警；3）由于缺乏实时监测数据，无法对损伤的发展情况进行了解； 4）有线监测系统能够持续正常工作使用的时间较短；5）有线传感器布线复杂、维 护麻烦；6）更为重要的是，由于传统人工检测使用的设备成本昂贵、体积庞大， 在检测时需要对路面进行长时间封闭，严重干扰了桥梁的正常运行。同时，人工检 测需要多个政府职能部门之间的相互协调与配合，在一定程度上增加了操作的复杂 性。对于某些大型桥梁进行检测，需要检测人员进行高空作业，存在着极大的安全 隐患。而有线监测方式虽然能够实时获取桥梁的相关参数，但由于在安装过程中需 要布线，因此其安装和部署时间往往很长，安装和维护成本也很高。这些因素在很 大程度上限制了其大范围推广，目前只能应用在大城市范围内大跨度斜拉桥和悬索 桥等这类大型桥梁结构上。

近几年来，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）越来越被广泛 地应用于高速铁路沿线的结构健康监测系统，以确保运输的安全。正是由于无线传 感器网络设备成本低、安装维护费用低和使用寿命长的特点，它被部署在桥梁、隧 道等建筑上来测量和收集数据，从而改善损伤探测方法，如数据挖掘和创新型信号 检测处理。WSN可以测量应力状态和动态特点的变化，包括温度、湿度和其他环 境因素。然而，将所测量的数据传回到监测中心仍然是非常具有挑战性的，因为大 多数桥梁和隧道的位置远离城市。例如一些坐落于青藏高原的青藏铁路沿线的桥梁 和隧道有关角山隧道，千丈盐桥，三岔河大桥等。利用WSN通过多跳传输或广域 网传输数据将需要在附近建立相关通信基站。这对于青藏铁路沿线存在广域网覆盖 率低的区域则无法做到有效监控，即使存在，也会增加不小的通信费用。

经对现有文献的检索发现，现有的桥梁结构健康监测系统的结构主要有以下几 类：

第一类是基于有线传感器网络的桥梁结构健康监测系统。例如，J.M.Ko等人 提出的在汀九大桥（Ting Kau Bridge）上布置基于同轴线电缆网络的桥梁结构健康 监测系统。该系统信息传输的可靠性强，但是大量同轴线电缆的安装不仅费时费力， 而且费用昂贵；不仅如此，该系统的维护也相当困难。

第二类是基于多跳传输的无线传感器网络的桥梁结构健康监测系统。例如， Sukun Kim等人提出的在金门大桥（Golden Gate Bridge）上布置基于一个46跳无 线传感器网络的桥梁结构健康监测系统。由于该系统采用的是无线传感器，它所需 的成本低廉，安装便捷，使用寿命长。但是，该系统要求数据收集中心距离传感器 网络不能太远，否则不仅会导致大量数据在传输时丢失，更会大大地增加传输的成 本。

又经检索发现，申请号为200610073863.7，发明名称为“结构健康监测和信息 管理系统及其方法”的中国专利提出了一种结构健康监测和信息管理系统，但是该 技术必须建立在采集到的数据能够可靠快速地传输到数据中心的前提下，故该技术 没有证明对于数据中心远离桥梁的情况的适用性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无线 传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统，通过一种利用高速移动列车当作 移动的执行器来协助数据收集的策略以及创新的数据打包方式（Diapack）与数据 重构算法Matrix Completion相结合实现无线传感器网络的数据收集，可以保证在 传输中大量数据丢失的情况下，精确地还原大部分的数据，达到传输的可靠性，并 大大降低了远距离传输的成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结 构健康监测系统，其包括以下步骤：

步骤100：排布在铁路沿线桥梁上的传感器将有关桥梁健康的监测数据传输到 汇聚节点，汇聚节点根据数据之间的时间空间相关性将数据储存在矩阵中；

步骤200：汇聚节点按照Diapack的数据打包方式对于储存在矩阵中的数据进 行打包，并准备传输给列车；

步骤300：汇聚节点将信息传输给列车，列车通过对接收到的数据中不相互重 叠的部分来重构整段的数据流；

步骤400：数据流通过网络传输给数据中心，数据中心利用Matrix Completion 算法还原丢失的大量数据。

如上述的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统，其中，所 述步骤100包括以下步骤：

步骤110：传感器将采集到的数据传输给汇聚节点；

步骤120：汇聚节点构造一个二维的矩阵来储存收到的来自传感器的信息，该 矩阵的每一行代表在同一位置同一传感器在不同时间测量到的数据，该矩阵的每一 列代表在同一时间不同位置的传感器测量到的数据；

步骤130：汇聚节点按照步骤120的储存方式根据数据之间的时间空间相关性 将数据储存在矩阵中。

进一步地，如上述的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系 统，其中，步骤110中，传感器采集到的数据包括以下三个信息：传感器采集到该 数据时的时间、该传感器的位置、传感器测量得到的桥梁结构健康情况的数据。

如上述的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统，其中，所 述步骤200包括以下步骤：

步骤210：汇聚节点按照矩阵对角线的方向从矩阵的左上角往右下角方向的前 K个数据打包成一个数据包；

步骤220：若数据打包到矩阵的最后一行第x列的数据，则下一个被打包的数 据为矩阵第一行第x+1列的数据；同理，若数据打包到矩阵的最后一列第x行的 数据，则下一个被打包的数据为矩阵第一列第x+1行的数据；

步骤230：若数据打包的过程中遇到已经打包过的数据，则自动跳到该数据的 下一行同一列的数据打包，以此类推。

如上述的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统，其中，所 述步骤300包括以下步骤：

步骤310：在列车上布置n+2个AP来接收数据，其中AP0和AP1布置在列 车车头的相同位置，AP(n+1)则布置在列车的车尾，其他的AP则沿着列车均匀分 布；

步骤320：当列车快要到达这些桥梁或者隧道时，AP0就广播出一个“开始” 的信号；在汇聚节点接收到这个“开始”的信号之后，就开始广播保存在缓存区中 的数据包；

步骤330：当AP1到APn经过汇聚节点的传输范围时，就会接收到这部分的 数据包；位于列车的车尾AP(n+1)广播一个“结束”的信号，当汇聚节点接收到这 个“结束”的信号时则停止广播，列车与汇聚节点之间的通信停止；

步骤340：由接收到的数据中不相互重叠的部分来重构整段的数据流。

如上述的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统，其中，所 述步骤400包括以下步骤：

步骤410：对于接收到的数据流，对矩阵作奇异值分解并通过求解最小核范数 的凸优化问题来还原丢失的数据。

与现有技术相比，本发明的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监 测系统利用高速移动列车当作移动的执行器来协助数据收集的策略大大降低了远 距离传输的成本，并通过新的数据打包方式（Diapack）与数据重构算法Matrix Completion相结合实现了在大量数据丢失的情况下对数据的精确还原，保证了该系 统的可行性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统的 结构框图；

图2是本发明的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统的 工作流程图；

图3是本发明的Diapack数据打包方式的流程图；

图4是本发明的列车通过对接收到的数据中不相互重叠的部分来重构整段的 数据流的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，其为本发明的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监 测系统的结构框图。其中，汇聚节点收集来自若干个传感器节点采集的桥梁监测数 据，并将其传输给途经的高速列车，由高速列车将融合后的桥梁监测数据传输到数 据处理中心。

图2以本发明的基于无线传感器执行器网络的铁路桥梁结构健康监测系统应 用于青藏高速铁路沿线桥梁为例，具体的数据收集方法包括以下步骤：

步骤100：排布在铁路沿线桥梁上的传感器将有关桥梁健康的监测数据传输到 汇聚节点，汇聚节点根据数据之间的时间空间相关性将数据储存在矩阵中。

在列车达到之前，传感器网络不停地收集桥梁结构健康监测的数据。利用这一 段时间，先将传感器的数据传输到汇聚节点，由于有很多无线传感器，且所测数据 时间也不同，所以需要构建一个矩阵，根据数据的时空相关性将汇聚节点接收到的 数据储存在这个矩阵中。

步骤100具体包括以下步骤：

步骤110：传感器将采集到的数据传输给汇聚节点，传感器采集到的数据包括 以下三个信息：传感器采集到该数据时的时间、该传感器的位置、传感器测量得到 的桥梁结构健康情况的数据；

步骤120：汇聚节点构造一个二维的矩阵来储存收到的来自传感器的信息；该 矩阵的每一行代表在同一位置同一传感器在不同时间测量到的数据，该矩阵的每一 列代表在同一时间不同位置的传感器测量到的数据；

步骤130：汇聚节点按照步骤120的储存方式根据数据之间的时间空间相关性 将数据储存在矩阵中。

步骤200：汇聚节点按照Diapack的数据打包方式对于储存在矩阵中的数据进 行打包，并准备传输给列车。

由于汇聚节点中储存了大量的数据以及传输范围有限，列车只能获得部分信 息，并且伴随着部分的丢包。所以我们提出了新的打包方式Diapack可以有效地满 足矩阵还原（Matrix Completion）算法的必要条件，从而准确地还原丢失的数据。

如图3所示，步骤200具体包括以下步骤：

步骤210：汇聚节点按照矩阵对角线的方向从矩阵的左上角往右下角方向的前 K个数据打包成一个数据包；

步骤220：若数据打包到矩阵的最后一行第x列的数据，则下一个被打包的数 据为矩阵第一行第x+1列的数据；同理，若数据打包到矩阵的最后一列第x行的 数据，则下一个被打包的数据为矩阵第一列第x+1行的数据；

步骤230：若数据打包的过程中遇到已经打包过的数据，则自动跳到该数据的 下一行同一列的数据打包，以此类推。

步骤300：汇聚节点将信息传输给列车，列车通过对接收到的数据中不相互重 叠的部分来重构整段的数据流。

当列车进入汇聚节点的传输范围时，布置在列车上的接入点（Access Points， AP）开始接收汇聚节点储存的数据，并通过接收到的数据中不相互重叠的部分来 重构整段的数据流。

步骤300具体包括以下步骤：

步骤310：在列车上布置n+2个AP来接收数据，其中AP0和AP1布置在列 车车头的相同位置，AP(n+1)则布置在列车的车尾，其他的AP则沿着列车均匀分 布；

步骤320：当列车快要到达这些桥梁或者隧道时，AP0就广播出一个“开始” 的信号；在汇聚节点接收到这个“开始”的信号之后，它就开始广播保存在缓存区 中的数据包；

步骤330：当AP1到APn经过汇聚节点的传输范围时，他们就会接收到这部 分的数据包；AP(n+1)位于列车的车尾则广播一个“结束”的信号，当汇聚节点接 收到这个“结束”的信号时则停止广播，列车与汇聚节点之间的通信停止；

步骤340：由于每个AP所接收到的都只是整段数据流的一部分，而且处在后 面的AP所接收到的数据与前面的AP相比会有一定的时延，所以通过对接收到的 数据中不相互重叠的部分进行组合即可重构整段的数据流。图4即为步骤340具体 示意图。

步骤400：数据流通过网络传输给数据中心，数据中心利用Matrix Completion 算法还原丢失的大量数据。

由于列车高速移动，并且汇聚节点的传输距离有限，所以列车上的接入点只能 获得部分储存在汇聚节点的数据，并且伴随着大量的数据包丢失。所以数据中心利 用Matrix Completion算法对于丢失的信息进行恢复还原。

步骤400具体包括以下步骤：

步骤410：给定一个矩阵，其中有大量数据缺失，为还原丢失部分的数据，可 以对矩阵作奇异值分解并通过求解最小核范数的凸优化问题来还原丢失的数据。

Matrix Completion算法适用的重要前提条件为矩阵中出现尽量少的全零行或 者全零列，否则会大大影响还原的精度，而我们提出的数据打包方式Diapack正好 可以最好地避免这种情况的发生。

本发明避免了桥梁远离数据中心情况下昂贵的传输成本，创新地采用列车作为 移动的执行器帮助传输数据，并提出数据打包方式Diapack与Matrix Completion 相结合的方法，从而保证了获取数据的准确性；同时无线传感器网络安装成本低、 维护费用低、使用寿命长等特点也使得该系统能够长期有效地运行。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需 创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中 技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验 可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。