0 引言

    隨著道路交通增長，我國橋梁勞損加速，結構病害的發生幾率與惡化風險顯著提高^[1，2]，運營安全保障工作日漸繁重。對橋梁結構展開監測，實現異常預警、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、系桿拱橋等索結構橋，索的拉張狀況具有決定交通承載力和結構穩定度的關鍵意義，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]，以及國內無錫蓉湖橋、南通新江海河橋等^[6]先后實施了此類監測。但以上系統中索監測設備在體積、功耗、網絡靈活性等方面存在各自的不足，應用推廣還有待進一步優化提升。

    頻率法測索力是以上索監測采用的典型方法^[7]，但原始數據多，現場采集配合遠程分析的使用模式面臨線纜供電不可靠、無線通信與網絡部署開銷高等問題。本文提出的監測用無線索力計通過硬件和基本系統低功耗化，將索頻算法嵌入設備內，大幅減少數據傳輸開銷，并以無線自組網接入取代線纜布設，增強了橋索監測系統的靈活性。

1 系統整體結構

    整體系統的設計主要由硬件設計、索力檢測算法設計、網絡接入設計三大部分組成。

    系統的硬件部分結構示意圖如圖1。系統包括主控制器、射頻模塊、傳感器接口等。

    軟件系統層次如圖2所示，其與硬件適配構成了低功耗無線網絡化的傳感平臺，采集控制、索力分析、數據輸出依托其上。

2 硬件系統設計

    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的運算能力，配合256 KB閃存及32 KB RAM，為索力數據分析的嵌入與網絡協議棧運行提供支持；低至2 μW的休眠功耗及動態可調的運行頻率，則使設備具備低功耗長續航基礎條件；片內集成的IEEE802.15.4射頻收發機擁有100 dB以上充裕的鏈路預算以及可降低多徑衰減影響的接收分集功能，無線通信覆蓋與穩定性得以加強。

    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。內部過采樣可達800 Hz，確保覆蓋索力監測頻段的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度時的監測需要；輸出緩沖區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轉換電壓令系統各部分電壓保持較低水平，從而減少芯片內嵌壓降單元上的能量損耗。

    另外硬件系統配置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的歷史數據，必要時可導出供第三方工具分析研究。

3 嵌入式索力算法設計實現

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采集的振動數據，再對這些原始數據進行分析和處理、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系推算出索力。

    索振動方程如下：

式中，f_n是第n階固有頻率。除f_n以外，其他參數均已由設計和施工材料給出，測得f_n及其階數即可推算出索力值。

3.2 索力采集分析設計

    本文索力計測量索力在選取最優軸、完成振動采樣頻率校準的基礎上，主要通過峰值提取和窗口加權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的峰值，以便之后進一步進行基頻提取。主要步驟如下：

    (1)設置特殊參數M，FFT功率譜點數為2N時，M的取值在[1，2log₂N]之間可調。

    (2)對FFT功率譜進行滑動平均處理，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。

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

    (4)再次從第M點到第N點掃描FFT平滑功率譜中的非零點，設第k點為當前掃描非零點，k-1點為上一個掃描到的非零點，k+1為下一個掃描到的非零點。

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

    掃描完所有的點，得到FFT峰值功率譜G(n)。

3.2.2 窗口加權評估

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

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

4 網絡接入設計

    小體積、電池供電和無線通信的設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，其上網絡協議設計需要兼顧自組網和低功耗特性，避免索纜高處的索力計節點電池快速耗盡情況造成維護問題。

    本文首先將無線索力計定義為監測網絡的末端節點，避免其承擔轉發、路由等高開銷任務。在此基礎上設計具有高占空比射頻休眠狀態的自組織網絡接入機制如圖3。索力計通過此方式接入靈活部署的自組織網主干部分，實現常年連續的監測。

5 應用與驗證

    本文研究團隊2017年在泰安長江大橋部署了無線智能傳感器網絡進行結構監測，所用索力傳感器即本文設計的無線索力計。其在系統中運行穩定，索力測算值與理論值范圍相符，各索的數據變化趨勢相互印證。圖4展示了2017年1月25日到3月5日期間該橋某跨6枚索力計上報的數據情況，所在區域2月20日到2月26日的大面積降雨積水影響在圖中體現為索力最大波動區段，其余時段變化較平緩一致。

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

6 結語

    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，在其上實現了索力算法嵌入和網絡接入優化，軟硬件系統與網絡接入的穩定性、內嵌索力算法的準確性均通過了實際工程驗證。本文的索力計對于索力監測具有較大的應用價值。

參考文獻

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作者信息：

湯  韜1，2，鄧勇軍3，葉華榮3，李  亞2，李文華2，王鵬軍1，2，鄧北星2

（1.清華大學 電子工程系，北京100084；2.北京源清慧虹信息科技公司，北京100085；

3.瀘州市交通運輸局，四川 瀘州646000）