一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法，该方法基于包含光纤光栅解调仪和至少两个环形子网的光纤传感网络，其中每个环形子网均包含第一光路切换器、第二光路切换器以及M个FBG传感器，修复时，首先判断出光纤传感网络中出现链路故障的位置，接着建立出现链路故障后用于表示光纤传感网络结构的相邻元素链接表，然后根据SPFA算法获得每个FBG传感器的解调路径，最后，计算出光路切换器的切换路径，并根据切换路径对光纤传感网络中相应的光路切换器进行切换。本发明能够使光纤传感网络中受影响但功能完好的FBG传感器最大限度得到解调，实现光纤传感网络的自修复，提高整个光纤传感网络的可靠性。
【专利说明】一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机通信领域，尤其涉及一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法。
【背景技术】
[0002]在现代工程领域如航空航天器、桥梁隧道、土木工程等大型、复杂结构的功能和使用环境日趋多样化和复杂化。在复杂的外在环境中，结构所受损伤的隐蔽性强，损伤、失效机理复杂，损伤类型和程度难以判断，导致对结构的健康监测变得尤为复杂，所需要的传感器数量也大量的增加。FBG传感器具有质量轻、直径细、耐腐蚀、集信号的传输与传感为一体，便于构建分布式传感网络、抗电磁干扰能力强等优点，在智能材料结构的健康监测中得到广泛应用。若在航空航天器、桥梁隧道等结构的关键位置布置FBG传感器，便能对结构的应变、应力、温度等物理量进行实时监测。美国得波音公司在波音787的机翼蒙皮上布置了数百根FBG传感器，对机翼疲劳、受力分布以及结构损伤进行实时监测；1999年，美国海军实验室将120个光纤光栅传感器安装在新墨西哥Las Cruces 10号洲际高速公路的一座钢结构桥梁上，以实现对桥梁结构的应力、温度与结构的健康状况进行监测；2000年，加拿大在Confederation大桥上共布置了 740个传感器对桥梁墩柱承受的压力、温度、交通荷载和风荷载作用下的振动进行监测；在国内，武汉理工大学于2002年在贵州冷饭盒大桥上布置将近200个光纤光栅传感器，对其施工及使用过程中的应变、温度和挠度等进行监测。
[0003]随着FBG传感器在智能结构健康监测系统工程中应用的增多，其网络可靠性已引起了人们的广泛关注。光纤传感网络作为智能结构健康监测的基本组成部分，主要作用是完成对智能结构状态参量的采集，其工作可靠性对整个监测系统至关重要。当光纤传感网络出现链路故障时，系统将不能准确采集监测数据，若不对链路故障进行修复，则会对结构健康监测的评判结果产生一定的影响，甚至使监测系统对结构的健康状况产生误报和漏报。
[0004]由于在大型、复杂结构上光纤传感网络中FBG传感器数量的增多，加上FBG传感器多粘贴在结构的表面或埋入结构中，如要修复或更换其网络，将会对结构造成很大影响。因此提高光纤传感网络的可靠性，使网络本身出现链路故障时仍然能正常工作，对于延长智能结构健康监测系统的使用寿命，降低智能结构健康监测系统成本和事故发生的概率具有
重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对提到的光纤传感网络可靠性存在的不足，提供一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法，所述光纤传感网络包含光纤光栅解调仪和至少两个环形子网； 每个环形子网均包含第一光路切换器、第二光路切换器以及M个FBG传感器，其中M为大于等于2的整数，M个FBG传感器分为两组后串联，若M为偶数，两组FBG传感器的个数均为M/2个，若M为奇数，一组FBG传感器的个数为(M+1) /2个，另一组FBG传感器的个数为(M-l)/2个，两组串联的FBG传感器均一端与第一光路切换器相连、另一端与第二光路切换器相连；
每个环形子网的第一光路切换器均与光纤光栅解调仪相连；
各个环形子网的第二光路切换器串联；
所述基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法包含以下步骤:
步骤I )，利用光纤光栅解调仪采集光纤传感网络中FBG传感器的传感信号；
步骤2)，根据FBG传感器的性能退化规律、失效机理以及损伤对传感信号的衰变模型，对步骤I)中采集的传感信号采用趋势曲线、聚类分析方法，判断光纤传感网络中出现链路故障的位置；
步骤3)，建立出现链路故障后用于表示光纤传感网络结构的相邻元素链接表；
步骤4)，根据相邻元素链接表和SPFA算法，计算出每个FBG传感器到光纤光栅解调仪之间的解调路径；
步骤5)，计算出光纤传感网络中光路切换器的切换路径，并根据切换路径对光纤传感网络中相应的光路切换器进行切换，使受影响但功能完好的FBG传感器重新得到解调。
[0007]作为本发明一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法进一步的优化方案，步骤4)中计算出每个FBG传感器到光纤光栅解调仪之间的解调路径以及光纤传感网络中光路切换器的切换路径的具体步骤如下:
步骤4.1)，将光栅解调仪的光源光功率除以光路切换器的特定光损耗，得出解调路径中能包含的最大光路切换器数目；
步骤4.2)，通过相邻元素链接表和SPFA算法，计算出每个FBG传感器所有可能的解调路径；
步骤4.3)，筛除所有光路切换器数目大于最大光路切换器数目的解调路径；
步骤4.4)，对于每个FBG传感器，在剩下的解调路径中，选择长度最短的解调路径作为其解调路径。
[0008]作为本发明一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法进一步的优化方案，所述环形子网中FBG传感器的数量可以相同，也可以不同。
[0009]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
本发明针对光纤传感网络中发生的链路故障，建立出现链路故障后用于表示光纤传感网络结构的相邻元素链接表，然后根据SPFA算法获得每个FBG传感器到光纤光栅解调仪之间的解调路径以及光路切换器的切换路径，并根据切换路径对光纤传感网络中相应的光路切换器进行切换，使光纤传感网络中受影响但功能完好的FBG传感器最大限度得到解调，实现光纤传感网络的自修复，最终提高整个光纤传感网络的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是环形拓扑结构的光纤传感网络图；
图2是光纤传感网络链路故障图；图3是光纤传感网络链路故障简化图；
图4是链路故障所对应的相邻元素链接表；
图5是对应于FBG传感器1、2、3、4、7、13、14、15、16、17、18的解调路径；
图6是对应于FBG传感器5、6、9、11、12的解调路径；
图7是对应于FBG传感器10的解调路径。【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明所述光纤传感网络包含光纤光栅解调仪和至少两个并行的环形子网；
每个环形子网均包含第一光路切换器、第二光路切换器以及M个FBG传感器，其中M为大于等于2的整数，M个FBG传感器分为两组后串联，若M为偶数，两组FBG传感器的个数均为M/2个，若M为奇数，一组FBG传感器的个数为(M+1) /2个，另一组FBG传感器的个数为(M-l)/2个，所述两组串联的FBG传感器均一端与第一光路切换器相连、另一端与第二光路切换器相连；
每个环形子网的第一光路切换器均与光纤光栅解调仪相连；
各个环形子网的第二光路切换器串联；
以三个并行的环形子网，M=6为例，建立如附图1所示的环形拓扑结构的光纤传感网络。其中』"代表第i个环形子网中从左边开始的第J个FBG传感器，传感器编号从第一个环形子网左边开始的FBG传感器依次编号。
[0012]基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法包含以下步骤:
步骤1)，利用光纤光栅解调仪采集光纤传感网络中FBG传感器的传感信号。
[0013]步骤2)，根据FBG传感器的性能退化规律、失效机理以及损伤对传感信号的衰变模型，对步骤I)中采集的传感信号采用趋势曲线、聚类分析方法，判断光纤传感网络中出现链路故障的位置。
[0014]假设判断出环形拓扑结构的光纤传感网络产生如附图2所示的链路故障。光路切换器初始状态A= 4= K5= K1= K9= I11=I，光纤光栅解调仪上只能得到FBG传感器(1、2、3、
4、7、13、14、15、16、17、18)的传感信号，其他？86传感器(5、6、8、9、10、11、12)信号不能解调。。
[0015]附图3对应附图2的光纤传感网络链路故障简化图。图中尤(i=l~12)表示相应光路切换器的状态，尤=I表示对应光路接通，尤=O表示对应光路断开。KCj Ks,K11^K12对应五个I X 2光路切换器的切换状态，K9, K10对应2 X 2光路切换器的切换状态。根据光路切换器的特性，当 A=I 时 &=0，J1=O 时 &=1。KpKi ,K5,K6, K1^Ks ,K^Kw, K11^K12 同理。
[0016]步骤3)，建立出现链路故障后用于表示光纤传感网络结构的相邻元素链接表。
[0017]根据附图3建立如附图4所示的相邻元素链接表。
[0018]建立相邻元素链接表的具体步骤如下:
步骤3.1 )，建立一个用于存储表头元素信息的表头元素数组；
步骤3.2)，建立每个表头元素的相邻元素结点链表，其中每个元素结点有三个域:顶点域表示元素的序号；链域用以指向与表头元素相邻的下一个元素；切换域表示表头元素与相邻元素之间光路切换器的切换状态。若没有与表头元素相邻的元素，则指针为空，用“Λ”表示；
步骤3.3)，把表头元素数组中每个表头元素与该元素的相邻元素结点链表连接起来，得到整个拓扑结构的相邻元素链接表。
[0019]步骤4)，根据相邻元素链接表和SPFA算法，计算出每个FBG传感器到光纤光栅解调仪之间的解调路径。
[0020]SPFA算法思想是用一个队列来进行维护。初始时将表头元素加入队列，每次从队列中取出一个元素，并对所有与它相邻的元素进行松弛。若某个相邻的元素松弛成功，则将其入队。重复这样的过程直到队列为空。
[0021]计算出每个FBG传感器到光纤光栅解调仪之间的解调路径以及光纤传感网络中光路切换器的切换路径的具体步骤如下:
步骤4.1)，将光栅解调仪的光源光功率除以光路切换器的特定光损耗，得出解调路径中能包含的最大光路切换器数目；
步骤4.2)，通过相邻元素链接表和SPFA算法，计算出每个FBG传感器所有可能的解调路径；
步骤4.3)，筛除所有光路切换器数目大于最大光路切换器数目的解调路径；
步骤4.4)，对于每个FBG传感器，在剩下的解调路径中，选择长度最短的解调路径作为其解调路径。
[0022]步骤5)，计算出光纤传感网络中光路切换器的切换路径，并根据切换路径对光纤传感网络中相应的光路切换器进行切换，使受影响但功能完好的FBG传感器重新得到解调。
[0023]根据步骤4)得到的修复信息，切换光纤传感网络中相应的光路切换器，可以重新获得FBG5、FBG6、FBG9- FBG12的传感信号，但FBG8的传感信号无法通过任何路径得到解调，具体的修复路径如附图5、6、7所示。通过基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法，使光纤传感网络中受影响但功能完好的FBG传感器最大限度得到解调，从而尽可能减小链路故障对整个光纤传感网络的影响，实现光纤传感网络环形拓扑结构的自修复，最终提高整个光纤传感网络的可靠性。
[0024]以上所述，仅是本发明方法的实施举例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术方案对以上实施例所做的任何简单的修改、结构的变化代替均仍属于本发明技术系统的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法，其特征在于，所述光纤传感网络包含光纤光栅解调仪和至少两个环形子网； 每个环形子网均包含第一光路切换器、第二光路切换器以及M个FBG传感器，其中M为大于等于2的整数，M个FBG传感器分为两组后串联，若M为偶数，两组FBG传感器的个数均为M/2个，若M为奇数，一组FBG传感器的个数为(M+1) /2个，另一组FBG传感器的个数为(M-l)/2个，两组串联的FBG传感器均一端与第一光路切换器相连、另一端与第二光路切换器相连； 每个环形子网的第一光路切换器均与光纤光栅解调仪相连； 各个环形子网的第二光路切换器串联； 所述基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法包含以下步骤: 步骤I )，利用光纤光栅解调仪采集光纤传感网络中FBG传感器的传感信号； 步骤2)，根据FBG传感器的性能退化规律、失效机理以及损伤对传感信号的衰变模型，对步骤I)中采集的传感信号采用趋势曲线、聚类分析方法，判断光纤传感网络中出现链路故障的位置； 步骤3)，建立出现链路故障后用于表示光纤传感网络结构的相邻元素链接表； 步骤4)，根据相邻元素链接表和SPFA算法，计算出每个FBG传感器到光纤光栅解调仪之间的解调路径； 步骤5)，计算出光纤传感网络中光路切换器的切换路径，并根据切换路径对光纤传感网络中相应的光路切换器进行切换，使受影响但功能完好的FBG传感器重新得到解调。
2.根据权利I所述的基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法，其特征在于，步骤4)中计算出每个FBG传感器到光纤光栅解调仪之间的解调路径以及光纤传感网络中光路切换器的切换路径的具体步骤如下: 步骤4.1)，将光栅解调仪的光源光功率除以光路切换器的特定光损耗，得出解调路径中能包含的最大光路切换器数目； 步骤4.2)，通过相邻元素链接表和SPFA算法，计算出每个FBG传感器所有可能的解调路径； 步骤4.3)，筛除所有光路切换器数目大于最大光路切换器数目的解调路径； 步骤4.4)，对于每个FBG传感器，在剩下的解调路径中，选择长度最短的解调路径作为其解调路径。
3.根据权利I所述的基于环形拓扑结构的光纤传感网络的修复方法，其特征在于，所述环形子网中FBG传感器的数量可以相同，也可以不同。
【文档编号】H04B10/07GK103873140SQ201410096718
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】曾捷, 曾田, 梁大开, 孟静, 刘苏州, 张钰珏 申请人:南京航空航天大学