桥梁健康监测中的传感器网络.pdf

桥桥梁梁健健康康监监测测中中的的传传感感器器网网络络技技术术及及应应用用研研究究

一一、、桥桥梁梁健健康康监监测测系系统统概概述述

（（一一））桥桥梁梁健健康康监监测测的的必必要要性性

着交通基础设施使用年限的增长，桥梁结构面临着材料老化、荷载变化、环境侵蚀等多重威胁。据统计，全球范围内约有

30%的桥梁存在不同程度的损伤，传统的定期人工检测方式已无法满足现代桥梁安全管理需求。传感器网络通过实时、连续的

数据采集，为桥梁状态评估提供科学依据，显著提高了病害预警能力。

（（二二））传传感感器器网网络络的的核核心心作作用用

传感器网络作为健康监测系统的感知神经，承担着关键物理量采集任务。其核心价值体现在三个方面：一是实现多维度数据

同步采集，包括振动、应变、位移等结构响应参数；二是构建分布式监测体系，覆盖桥梁关键部位；三是为后续数据分析提供

高精度原始数据。研究表明，采用传感器网络的桥梁维护成本可降低40%以上。

二二、、传传感感器器网网络络关关键键技技术术体体系系

（（一一））传传感感器器类类型型与与选选型型原原则则

1.振动传感器：压电式加速度计适用于高频振动监测，MEMS传感器在低频测量中更具优势。港珠澳大桥部署的振动传感

器系统采样频率达到200Hz，可捕捉细微结构变化。

2.光纤光栅传感器：具有抗电磁干扰、耐久性好的特点，特别适用于应变和温度监测。南京长江三桥项目采用该类传感器

实现了0.5με的测量精度。

3.GPS位移监测系统：用于大跨度桥梁整体位移监测，现代RTK技术可将定位精度提升至毫米级。

4.环境监测传感器：包括温湿度、风速风向、腐蚀监测等传感器，香港青马大桥的环境监测系统可实时获取桥面风场分

布。

（（二二））网网络络拓拓扑扑架架构构设设计计

1.星型拓扑结构：适用于中小型桥梁，中央节点处理能力强但存在单点失效风险。

2.网状拓扑结构：具有自组织、自修复特性，武汉鹦鹉洲长江大桥采用该结构实现了98%的网络可靠性。

3.分层混合架构：将感知层、传输层、处理层分离，苏通大桥监测系统通过该架构实现了每秒500个数据点的采集能力。

（（三三））无无线线通通信信技技术术演演进进

1.ZigBee技术：低功耗特性突出，但传输距离受限，适用于局部密集部署场景。

2.LoR技术：在南京某斜拉桥监测中实现1.5km的单跳传输距离，穿透性能优异。

3.5G技术应用：广州虎门二桥试点项目采用5G切片技术，将数据传输延迟降低至10ms级。

4.新型通信协议：基于IEEE1451标准的智能传感器接口规范，支持即插即用功能。

三三、、传传感感器器网网络络部部署署优优化化策策略略

（（一一））测测点点布布置置理理论论方方法法

1.模态保证准则（MAC）：通过模态振型相关性分析确定最优测点，某悬索桥应用该准则将传感器数量减少20%而保持

90%的模态识别率。

2.损伤敏感度分析：建立有限元模型进行参数敏感性研究，重庆菜园坝大桥据此优化了拱肋关键测点布置。

3.信息熵最大化原则：通过遗传算法实现测点组合优化，杭州湾跨海大桥应用该算法提升信息获取效率35%。

（（二二））环环境境适适应应性性设设计计

1.防护等级要求：根据IEC60529标准，露天部署传感器需达到IP67防护等级，浪溅区设备要求IP68等级。

2.温度补偿机制：光纤光栅传感器采用双栅结构补偿技术，将温度影响从±50με降低至±5με。

3.防雷接地系统：香港昂船洲大桥传感器网络配备三级防雷保护，确保雷暴天气下的设备安全。

（（三三））能能源源供供应应解解决决方方案案

1.光伏-超级电容系统：应用于无线传感器节点，上海卢浦大桥项目实现节点连续30天无日照运行。

2.振动能量收集技术：基于压电效应的能量收集装置，在车流量10万辆/日的工况下可产生5mW持续功率。

3.无线充电技术：采用磁共振耦合方式，日本明石海峡大桥试点实现3米距离的50W无线供电。

四四、、数数据据处处理理与与特特征征提提取取方方法法

（（一一））数数据据预预处处理理技技术术

1.异常值检测算法：基于3σ准则的动态阈值调整方法，有效识别传感器故障数据。

2.数据对齐算法：采用动态时间规整（DTW）技术解决多源数据时延问题。

3.降噪处理方法：小波阈值去噪在苏通大桥振动信号处理中实现信噪比提升15dB。

（（二二））损损伤伤识识别别算算法法

1.模态参数法：