桥梁智能监测系统的制作方法

本发明涉及桥梁监测领域，具体涉及桥梁智能监测系统。

背景技术：

相关技术中，采用有线监测网络对桥梁进行监测，而有线监测网络一方面需要布设大量的电力和通信线缆，成本较高，布设难度大，需要浪费较多的人力物力。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供桥梁智能监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了桥梁智能监测系统，包括桥梁监测无线传感器网络、基站设备和桥梁监测终端；所述桥梁监测无线传感器网络包括多个传感器节点，传感器节点对桥梁各危险部位进行监测感知，并将获得的桥梁危险部位感知数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各传感器节点发送的桥梁危险部位感知数据，进行处理后转发至桥梁监测终端；桥梁监测终端用于对基站设备发送的桥梁危险部位感知数据进行分析处理和显示，并在桥梁危险部位感知数据异常时进行报警。

优选地，所述桥梁危险部位感知数据包括桥梁危险部位的应力数据、加速度数据、位移数据。

优选地，所述桥梁监测终端包括数据处理模块和显示模块，该数据处理模块将收到的桥梁危险部位感知数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示模块进行比较结果显示。

本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术实现了桥梁的无线监测，系统结构简单，监测精度较高，且可有效地节省人力物力。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明一个实施例桥梁智能监测系统的结构示意框图；

图2是本发明一个实施例的桥梁监测终端的框图示意图。

附图标记：

桥梁监测无线传感器网络1、基站设备2、桥梁监测终端3、报警器4、数据处理模块10、显示模块20。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例提供的桥梁智能监测系统，包括桥梁监测无线传感器网络1、基站设备2和桥梁监测终端3。

桥梁监测无线传感器网络1包括多个传感器节点，传感器节点对桥梁各危险部位进行监测感知，并将获得的桥梁危险部位感知数据发送至基站设备2。

基站设备2汇聚各传感器节点发送的桥梁危险部位感知数据，进行处理后转发至桥梁监测终端3。

桥梁监测终端3用于对基站设备2发送的桥梁危险部位感知数据进行分析处理和显示，并在桥梁危险部位感知数据异常时进行报警。

其中，所述桥梁危险部位感知数据包括桥梁危险部位的应力数据、加速度数据、位移数据。传感器节点包括用于对桥梁危险部位进行探测的传感器，其中传感器包括应力传感器、加速度传感器、位移传感器。

在一个实施例中，如图2所示，桥梁监测终端3包括数据处理模块10和显示模块20，该数据处理模块10将收到的桥梁危险部位感知数据与对应设定的安全阈值进行比较，输出比较结果，并由显示模块20进行比较结果显示。显示模块20还用于实时显示桥梁危险部位感知数据，从而供监测人员实时查看桥梁各危险部位的状态。

可选地，该桥梁监测终端3为计算机或云服务器。

可选地，系统还包括与数据处理模块10连接的报警器4，当桥梁危险部位感知数据超出对应设定的安全阈值时，所述数据处理模块10驱动报警器4进行报警。

其中，所述的报警器30包括蜂鸣报警器或者声光报警器，本实施例对此不作限定。

本发明上述实施例利用无线传感器网络技术实现了桥梁的无线监测，避免了布线，系统结构简单，监测精度较高，且可有效地节省人力物力。

在一个实施例中，传感器节点将采集的桥梁危险部位感知数据通过并行多径路由方式传输至基站设备2，具体为：传感器节点将由基站设备2确定的多个优选路由路径作为桥梁危险部位感知数据传输的路径，计算出每条优选路由路径的合理负载，将采集的桥梁危险部位感知数据按照负载比例分割后分配给各优选路由路径进行传输。

本实施例将桥梁危险部位感知数据分流到多条路由路径中同时进行传输，能够有效提高桥梁危险部位感知数据传输的效率。

在一个实施例中，基站设备2确定传感器节点的多个优选路由路径的过程包括：

(1)基站设备2在网络初始化阶段向网络广播初始化信息，获取各传感器节点到基站设备2的最小跳数；

(2)接收传感器节点发送的多个路径探测包，设始发路径探测包的传感器节点为源节点，通过处理路径探测包得到源节点到基站设备2的多条路由路径，其中每个路径探测包携带了一条路由路径的基本信息，所述的基本信息包括该路由路径中包含的传感器节点、链路状态信息及带宽需求信息，所述的传感器节点为负责转发桥梁危险部位感知数据的传感器节点；

(3)确定每条路由路径的总时延，将总时延大于预设的时延阈值的路由路径剔除，将剩余的路由路径作为初始粒子群，计算其中每个粒子的适应度；

(4)根据源节点的带宽需求估计需要的路由路径数M，对初始粒子群进行M均值聚类，根据聚类结果将粒子分成M个种群；

(5)采用多种群粒子群优化算法对M个种群进行路径优化，得到每个种群的优选路由路径；

(6)沿每条优选路由路径将对应的优选路由路径信息发送给源节点并更新源节点的路由表，进而源节点得到多个优选路由路径。

本实施例在多种群粒子群优化算法的基础上制定了一种多路径路由算法，基站设备2根据该多路径路由算法来确定传感器节点的多个优选路由路径，可有效地减少传感器节点的负担。

本实施例在确定初始粒子群时，预先将不满足时延要求的路由路径进行剔除，将剩余的路由路径作为初始粒子群，可有效地提高了路由路径确定的速度，降低粒子搜索的复杂度。

其中，本实施例的适应度函数的计算公式为：

式中，W(a)表示路由路径a的适应值，Q(a)为路由路径a中当前剩余能量最小传感器节点的剩余能量，E(a)为路由路径a的总链路开销，Y(a)为路由路径a的最大传感器节点间距，Qmin、Emax、Ymax分别是为满足网络服务质量要求而设定的最小能量值、最大链路开销值、最大间距值。

本实施例在设计适应度函数时，考虑了传感器节点的当前剩余能量、总链路开销和节点间距，使得得到的多个优选路由路径具备更高的路由成功率和节能性能，保障桥梁危险部位感知数据传输的可靠性。

在一个实施例中，采用多种群粒子群优化算法对M个种群进行路径优化，具体包括：

(1)各种群根据适应度值找出自己的全局最优位置；

(2)各种群粒子按照下列改进的速度公式求出飞行速度：

式中，Vk(t+1)表示粒子k在t+1时刻的速度，Vk(t)表示粒子k在t时刻的速度，Xk(t)为粒子k在t时刻的位置，Wkbest为粒子k自身所经历的历史最优位置，Wgbest表示粒子k所在种群的全局最优位置，Wgbest(j)表示第j个种群的全局最优位置，其中j＝1,…,M，h1、h2、h3皆为加速常数，b1、b2、b3皆为在区间[0,1]内均匀分布的随机数，为惯性权重，其中Ψ为预设的常量；

(3)各种群粒子按照下列位置公式改变自身位置：

Xk(t+1)＝Xk(t)+Vk(t+1)

式中，Xk(t+1)表示粒子k在t+1时刻的位置；

(4)达到优化目标，输出每个种群的优选路由路径Wgbest(j)，结束，否则回到(1)。

本实施例基于现有的多种群粒子群优化算法的基础上，对多种群粒子群优化算法中的速度公式进行改进，一方面对惯性权重进行改进，将惯性权重定义为随着时间变化的系数，从而在算法初期惯性权重设为较大值，使得粒子搜索范围更大，而在后期将惯性权重设为较小值，使得算法能够收敛，另一方面考虑了各种群全局最优位置的交集，使不同种群的粒子能够向不同的方向飞行，避免相互交叉，从而减少种群粒子交叉的概率，保证任意两条优选路由路径之间不存在共同的传感器节点。

上述实施中，基站设备2每接收到源节点发送的一个路径探测包，则得到一条路由路径。其中，路径探测包从源节点到基站设备2的过程，具体包括：源节点向网络广播路径探测包，收到路径探测包的传感器节点确定路径探测包中包含的传感器节点个数是否超过预设的个数阈值，当超过时舍弃该路径探测包，当没有超过时将自身的ID、当前剩余能量以及与上一跳传感器节点间的单跳链路信息加入到接收的路径探测包中，形成新的路径探测包，并选择一个邻居节点作为下一跳节点，将该新的路径探测包发送至下一跳节点，直至路径探测包到达基站设备2。

其中，定义邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点。传感器节点选择一个邻居节点作为下一跳节点时，具体执行：

(1)随机选择一个邻居节点；

(2)判断选择的邻居节点是否符合下一跳备选条件，若符合，则将该邻居节点作为下一跳节点，将新路径探测包发送至该邻居节点，若不符合，返回(1)；

下一跳备选条件为：

式中，Qkj表示传感器节点k所选择的邻居节点j的当前剩余能量，Qmin为设定的最小能量值，Dkj为邻居节点j到基站设备2的最小跳数，Dk为传感器节点k到基站设备2的最小跳数，Dmax为预设的最大跳数值，Dpre为路径探测包到达传感器节点k前已经过的跳数。

本实施例设计了从传感器节点向基站设备2发送路径探测包的具体机制，该机制简单高效，能够全面准确地获取路径探测包经过的路由路径的相关信息。

该机制中，在路径探测包中包含的传感器节点ID个数超过预设的个数阈值时对路径探测包进行舍弃，能够防止形成过长的路由路径；

另外，通过随机选择邻居节点的方式，能够确保探测的路由路径是随机的，而设定下一跳备选条件，能够避免传感器节点选到能量不足、跳数过大的下一跳节点。

本实施例通过上述机制获取路由路径，能够使获取到的路由路径满足实时性需求，提高链路信息采集的效率，使得传感器节点能够将采集到的桥梁危险部位感知数据实时快速地传输到桥梁监测终端3进行处理，从而监测人员能够根据处理结果及时采取相应的预防措施，保障桥梁健康。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。