伴隨著中國經濟的快速發展，許多大型復雜工程結構得以興建，如超大跨橋梁、用于大型體育賽事的超大跨空間結構、超高層建筑、大型水利工程、海洋平臺結構以及核電站等，它們的使用壽命長達幾十年、甚至上百年。然而，受環境侵蝕、材料老化、疲勞與突變等災害因素的耦合作用，不可避免地導致結構和系統的損傷積累和抗力衰減，甚至在極端情況下引發災難事故。為了保障結構的安全、可靠，結構健康監測越來越受到重視。

“無線”VS“有線”

結構健康監測以傳感器準確采集傳輸數據為前提，數據采集主要通過傳統的“有線”傳感器來實現，它具有采集信號準確、抗干擾性能強等特點。但是，利用“有線”傳感器組成的監測網絡布線量大、安裝和維護成本高、可靠性差，甚至在一些結構中無法實現布線。隨著傳感器與無線通信技術的發展，無線傳感網絡技術已開始向結構健康監測方面滲透。無線傳感器及其網絡系統由于其小型化、集成化、低維修費用、安裝方便等特點，在大型基礎設施智能化監測方面具有得天獨厚的優勢。

無線傳感網絡克服了有線傳感網絡的不足，采用了先進的封裝技術，具有體積小、低功耗、可靠性高等特點，適合集成。同時，無線傳感器還具有智能處理單元，可以對信號進行預處理，對特征信號進行初步提取，這樣可以大大分散中央處理器在數據處理方面的壓力。無線傳感單元的無線收發模塊通常使用在工業通信頻率上，無須單獨申請頻點，通信不受電信部門的限制。此外，無線傳感器體積小、具有節能的特點，可以方便地安放在被測結構物上，并且依據設定的通信協議，實現自組織網絡，形成實時高效的結構健康監測系統。

無線智能監測網絡一般由結構健康評價系統、數據存儲管理系統、數據處理與控制系統、數據采集與傳輸系統組成。本文介紹的方法是一種異構無線傳感網絡。異構無線傳感器網絡與同構無線傳感器網絡不同，前者傳感器的節點，具備不同的資源配置，更能滿足實際監測場景對于無線傳感網絡的需求。異構無線傳感網絡是由低成本、具備感知、數據處理、存儲和無線通信能力的多類型微型傳感器節點，通過自組織方式形成的網絡，這種特性使得異構無線傳感網絡非常適合用于大型基礎設施的安全監測。

異構無線傳感網絡的優化布置

經過近幾年的發展，結構健康監測中的無線傳感技術日趨完善，智能化程度日益提高。許多重要工程設施，特別是一些大跨度橋梁工程上開始安裝無線健康監測系統。值得注意的是，這些大型橋梁無線監測系統實際部署的傳感節點大多采用太陽能或風能供電，由此帶來一系列能耗問題，導致系統不能很好地滿足橋梁監測的實際需要。為了解決以上問題，需要對現有的異構無線網絡的布置方法進行優化。通過研究異構無線傳感網絡優化機理，發現以提高模態識別精度和降低網絡能耗為目標的傳感器布置方案，對于解決上述問題有良好的實用效果。

結構模態識別

在同構無線傳感網絡中，結構模態之間存在正交性，適宜常用的模態評價準則。但在異構無線傳感網絡中，存在加速度和應變兩種傳感器節點，然而兩種類型傳感器監測的結構模態并不存在正交性。“結構模態識別”是通過運用模態清晰度和模態相對誤差，將兩者比值作為模態評價準則。該評價準則結合了模態之間的清晰程度、實際模態與實驗模態之間的誤差，其對模態的評價更具全面性和充分性。

為了得出異構無線傳感網絡中的不同傳感器節點個數和與其對應位置對結構模態識別和網絡能耗的影響規律，本方法選用如圖1所示的實驗室桁架結構模型作為研究對象。結合該桁架結構，經過有限元分析，提取結構的位移振型向量和應變振型向量。用仿真信號來代替試驗信號，對結構施加外加激勵，可以得到任意測點的加速度和應變信號，最后通過ERA法得到位移振型向量和應變振型向量。在進行結構模態識別計算時，先通過模態識別方法得到結構的試驗模態，然后與有限元仿真模態進行比較，得到異構無線傳感器布置方案的模態識別指標。結構模態振型是根據有限元分析時所劃分單元的位移來確定，從而能夠從整體上反映結構振動情況。

實驗室桁架結構

為了研究傳感器個數和位置對模態識別的影響，采用不同個數傳感器和不同位置，共計16 種不同的均勻布置方案以及9 大類的非均勻布置方案。通過計算均勻布置方案和非均勻布置方案的模態識別指標，得出傳感器布置與模態識別的一般規律。在進行模態識別指標計算之前，需要從有限元數據仿真中分別提取加速度和應變信號，運用ERA 模態識別方法得到模態參數。然后用ANSYS 直接提取模態參數與用ERA 法得到的模態振型參數進行對比。研究結果表明，結構模態識別指標隨著異構無線傳感器網絡節點個數增加而增加，同時隨著網絡覆蓋半徑的增加而增加。當傳感器總數一定時，采用一定配比的傳感器能夠最大化模態識別指標。

無線傳感網絡能耗

無線傳感節點由通信單元、處理器單元、感知單元、供能單元組成。當無線傳感器工作時，能量消耗主要集中在以下四部分：數據采集、數據處理、數據接收和數據發送。所有會產生能耗的數據過程都必須考慮在內，以下為無線傳感節點各模塊的能耗。

為方便探究網絡能耗，建立網絡能耗計算模型來模擬傳感器布置和數據傳輸區域，如圖3所示，無線加速度和應變傳感器節點隨機分布在一個球體空間內，組成一個異構無線傳感器網絡，基站布置在球體空間的球心處。

無線傳感器網絡能耗模型（R’為傳輸半徑或簇半徑）

對于該球體能耗模型，做了以下假設：無線傳感器的數據發送和數據采集的速率保持不變，并且無線傳感器節點不存在空閑與休眠階段；所有無線傳感器節點將數據全部發送給上級節點或基站；傳感器節點是均勻分布在網絡中的。根據提出的網絡能耗公式，通過改變其中的網絡層數，可以得到多跳形式的無線傳感器網絡的能耗。圖4可以直觀地反映傳感器布置個數與覆蓋半徑對網絡能耗的影響。通過該圖可以看出，不同的網絡拓撲結構具有不同的網絡能耗。隨著網絡覆蓋半徑的增加，網絡能耗也隨之增加；隨著傳感器個數的增加，網絡能耗同樣隨之增加。

當M=1或2時傳感器配比和覆蓋半徑對網絡能耗的影響

無線傳感節點優化布置

在傳感器優化布置問題中主要需解決3個問題——確定各種類型的傳感器個數、每個傳感器節點的位置、傳感器布置之間以何種布置準則進行。針對異構無線傳感網絡，一方面，針對監測具有較高的結構模態識別程度，實現健康監測工作的實際意義；另一方面，針對所有無線傳感器網絡最大的問題，需要考慮網絡能耗，在相同工作量的同時，盡量降低能耗，以延長傳感器網絡的工作壽命。

在上述兩個目標中，都與傳感器節點的個數和在網絡相應的位置有關，即兩類傳感器分別的個數和相對應的傳感器網絡的覆蓋半徑。將兩個目標統一在一個目標函數中，形成一個數學表達公式。但是這兩個目標具有不同的物理意義，從整體上來說，目標函數值大小只是數值的反映，并且單個目標的數量級也不在一個層次上，這就需要將這兩個目標進行系數調整。

FE(FM,FE)=(fMwMFM(Na,Ns,Ra,Rs)+fEwEFE(Na,Ns,Ra,Rs)

其中：

FM：模態識別指數；

FE：網絡能耗；

wM：模態識別指數調整系數；

fM：模態識別權重系數；

wE；網絡能耗調整系數；

fE：網絡能耗權重系數。