本发明提供了大跨度桥梁健康状态监测装置，包括桥梁健康监测子系统、云存储器和远程监测中心；所述桥梁健康监测子系统包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点对大跨度桥梁各危险部位进行监测感知，汇聚节点汇聚各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据并将汇聚的数据发送至云存储器；所述远程监测中心从云存储器中获取大跨度桥梁危险部位感知数据，并对大跨度桥梁危险部位感知数据进行分析和处理。
1.大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，包括桥梁健康监测子系统、云存储器和远程监测中心；所述桥梁健康监测子系统包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点对大跨度桥梁各危险部位进行监测感知，汇聚节点汇聚各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据并将汇聚的数据发送至云存储器；所述远程监测中心从云存储器中获取大跨度桥梁危险部位感知数据，并对大跨度桥梁危险部位感知数据进行分析和处理；将监测区域划分多个虚拟网格，并从每个虚拟网格中选取与虚拟网格中心点最近的传感器节点作为簇头节点；网络初始时，传感器节点基于选取出的簇头节点进行分簇，每个传感器节点选取最近的簇头节点加入；大跨度桥梁危险部位数据传输阶段，簇头节点收集簇内各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据，并将收集的大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点；簇头节点将收集的大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点，包括：(1)簇头节点按照设定的周期根据当前剩余能量周期性地调节自己的通信距离；
(2)簇头节点根据调节的通信距离判断自身是否满足直接通信条件，若簇头节点满足直接通信条件，簇头节点与汇聚节点直接通信，将收集的大跨度桥梁危险部位数据直接传输至汇聚节点；若不满直接通信条件，簇头节点与汇聚节点间接通信，将收集的大跨度桥梁危险部位数据经过多跳传输的方式发送至汇聚节点，其中簇头节点在距离汇聚节点更近的其他簇头节点中选择最近的簇头节点作为下一跳节点，将收集的大跨度桥梁危险部位数据发送至该下一跳节点；所述直接通信条件为：式中，D(i,S)为簇头节点i到汇聚节点的距离，Li为簇头节点i的当前通信距离， 为与簇头节点i距离最近的簇头节点， 为与簇头节点i距离次近的簇头节点， 为所述最近的簇头节点到汇聚节点的距离， 为所述次近的簇头节点到汇聚节点的距离；
2.根据权利要求1所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，所述大跨度桥梁危险部位感知数据包括大跨度桥梁危险部位的应力数据、加速度数据、位移数据。
3.根据权利要求1或2所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，所述远程监测中心包括数据处理模块和结果显示模块，该数据处理模块将收到的大跨度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，并由结果显示模块进行比较结果显示。
4.根据权利要求1所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，各簇头节点可在[Lmin,Lmax]的范围内调节自身的通信距离，其中Lmin为簇头节点可调节的最小通信距离，Lmax为簇头节点可调节的最大通信距离，初始时各簇头节点的通信距离调节为Lmin。
5.根据权利要求4所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，簇头节点按照设定的周期根据当前剩余能量周期性地调节自己的通信距离，具体为：(1)簇头节点按照设定的周期周期性地按照下列公式计算通信距离阈值：
式中，Li(t)为簇头节点i在第t个周期设定的通信距离阈值，Ei(t)为簇头节点i在第t个周期计算通信距离阈值时的当前剩余能量，Ei0为簇头节点i的初始能量，y为预设的调节因子，y的取值范围为(1,1.2]；
(2)设簇头节点i与其簇内传感器节点的最远距离为 若 簇头节点将
自己的通信距离调节为Li(t)；若 簇头节点将自己的通信距离调节为 并
6.根据权利要求4或5所述的大跨度桥梁健康状态监测装置，其特征是，当簇头节点的剩余能量低于预设的能量下限时，簇头节点在其簇内的传感器节点中选择新簇头节点。
大跨度桥梁健康状态监测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及大跨度桥梁监测领域，具体涉及大跨度桥梁健康状态监测装置。
背景技术
[0002] 相关技术中，采用有线监测网络对大跨度桥梁进行监测，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。
发明内容
[0003] 针对上述问题，本发明提供大跨度桥梁健康状态监测装置。
[0004] 本发明的目的采用以下技术方案来实现：
[0005] 提供了大跨度桥梁健康状态监测装置，包括桥梁健康监测子系统、云存储器和远程监测中心；所述桥梁健康监测子系统包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点对大跨度桥梁各危险部位进行监测感知，汇聚节点汇聚各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据并将汇聚的数据发送至云存储器；所述远程监测中心从云存储器中获取大跨度桥梁危险部位感知数据，并对大跨度桥梁危险部位感知数据进行分析和处理。
[0006] 优选地，所述大跨度桥梁危险部位感知数据包括大跨度桥梁危险部位的应力数据、加速度数据、位移数据。
[0007] 优选地，所述远程监测中心包括数据处理模块和结果显示模块，该数据处理模块将收到的大跨度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，并由结果显示模块进行比较结果显示。
[0008] 本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术实现了大跨度桥梁结构的安全监测，并通过远程监测中心对采集的数据进行处理，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
[0009] 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。
[0010] 图1本发明一个示例性实施例的大跨度桥梁健康状态监测装置的结构示意框图；
[0011] 图2是本发明一个示例性实施例的远程监测中心的框图示意图。
[0012] 附图标记：
[0013] 桥梁健康监测子系统1、云存储器2、远程监测中心3、数据处理模块10、结果显示模块20。
具体实施方式
[0014] 结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0015] 参见图1，本实施例提供了大跨度桥梁健康状态监测装置，包括桥梁健康监测子系统1、云存储器2和远程监测中心3；所述桥梁健康监测子系统1包括由汇聚节点和多个传感器节点构成的无线传感器网络，传感器节点对大跨度桥梁各危险部位进行监测感知，汇聚节点汇聚各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据并将汇聚的数据发送至云存储器2；所述远程监测中心3从云存储器2中获取大跨度桥梁危险部位感知数据，并对大跨度桥梁危险部位感知数据进行分析和处理。
[0016] 其中，所述大跨度桥梁危险部位感知数据包括大跨度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大跨度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。
[0017] 在一个实施例中，如图2所示，远程监测中心3包括数据处理模块10和结果显示模块20，该数据处理模块10将收到的大跨度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，并由结果显示模块20进行比较结果显示，从而实现大跨度桥梁结构的安全监测。
[0018] 本发明上述实施例利用无线传感器网络技术实现了大跨度桥梁结构的安全监测，并通过远程监测中心对采集的数据进行处理，系统结构简单，监测精度较高，且可有效地节省人力物力。
[0019] 在一个实施例中，将监测区域划分多个虚拟网格，并从每个虚拟网格中选取与虚拟网格中心点最近的传感器节点作为簇头节点；网络初始时，传感器节点基于选取出的簇头节点进行分簇，每个传感器节点选取最近的簇头节点加入；大跨度桥梁危险部位数据传输阶段，簇头节点收集簇内各传感器节点采集的大跨度桥梁危险部位数据，并将收集的大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点。
[0020] 在一个实施例中，簇头节点将收集的大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节点，包括：
[0021] (1)簇头节点按照设定的周期根据当前剩余能量周期性地调节自己的通信距离；
[0022] (2)簇头节点根据调节的通信距离判断自身是否满足直接通信条件，若簇头节点满足直接通信条件，簇头节点与汇聚节点直接通信，将收集的大跨度桥梁危险部位数据直接传输至汇聚节点；若不满直接通信条件，簇头节点与汇聚节点间接通信，将收集的大跨度桥梁危险部位数据经过多跳传输的方式发送至汇聚节点，其中簇头节点在距离汇聚节点更近的其他簇头节点中选择最近的簇头节点作为下一跳节点，将收集的大跨度桥梁危险部位数据发送至该下一跳节点；所述直接通信条件为：
[0023]
[0024] 式中，D(i,S)为簇头节点i到汇聚节点的距离，Li为簇头节点i的当前通信距离，为与簇头节点i距离最近的簇头节点， 为与簇头节点i距离次近的簇头节点， 为所述最近的簇头节点到汇聚节点的距离， 为所述次近的簇头节点到汇聚节点的距离； 为判断取值函数，当时， 当
时，
[0025] 本实施例创造性地设定了直接通信条件，簇头节点将收集的大跨度桥梁危险部位数据传输至汇聚节时，根据是否满足直接通信条件确定相应的与汇聚节点通信的方式，其中若簇头节点满足直接通信条件，簇头节点与汇聚节点直接通信，将收集的大跨度桥梁危险部位数据直接传输至汇聚节点；若不满直接通信条件，簇头节点与汇聚节点间接通信。根据该直接通信条件可知，当簇头节点的通信距离小于其到汇聚节点的距离，且相对于其邻居的簇头节点距离汇聚节点更近时，与汇聚节点直接通信，选择直接发送的形式将大跨度桥梁危险部位数据直接传输至汇聚节点，否则与汇聚节点间接通信，按照多跳转发的形式转发所收集的大跨度桥梁危险部位数据。本实施例按照簇头节点的实际位置情况确定路由方式，保障了路由的灵活性，有利于提高将收集的大跨度桥梁危险部位数据发送至汇聚节点的可靠性，降低丢包率，且能够尽可能地减少簇头节点发送大跨度桥梁危险部位数据的能耗。
[0026] 在一个实施例中，各簇头节点可在[Lmin,Lmax]的范围内调节自身的通信距离，其中Lmin为簇头节点可调节的最小通信距离，Lmax为簇头节点可调节的最大通信距离，初始时各簇头节点的通信距离调节为Lmin。
[0027] 簇头节点按照设定的周期根据当前剩余能量周期性地调节自己的通信距离，具体为：
[0028] (1)簇头节点按照设定的周期周期性地按照下列公式计算通信距离阈值：
[0029]
[0030] 式中，Li(t)为簇头节点i在第t个周期设定的通信距离阈值，Ei(t)为簇头节点i在第t个周期计算通信距离阈值时的当前剩余能量，Ei0为簇头节点i的初始能量，y为预设的调节因子，y的取值范围为(1,1.2]；
[0031] (2)设簇头节点i与其簇内传感器节点的最远距离为 若 簇头节点将自己的通信距离调节为Li(t)；若 簇头节点将自己的通信距离调节为并不再周期性地调节自己的通信距离。
[0032] 本实施例提出了通信距离的调节机制，簇头节点根据该调节机制周期性地调节自己的通信距离。通过该调节机制可知，簇头节点随着能耗的增加逐渐减小自己的通信距离，当簇头节点i的通信距离减小至 时，停止通信距离的调节，从而始终保持通信距离为保障簇头节点的大跨度桥梁危险部位数据收集性能。由于簇头节点根据调节的通信距离确定与汇聚节点的路由方式，本实施例能够使得簇头节点在能量较低的时候避免与汇聚节点直接通信，而是在距离汇聚节点更近的其他簇头节点中选择最近的簇头节点作为下一跳节点，这样有利于降低簇头节点发送大跨度桥梁危险部位数据的能耗，进一步保障无线传感器网络的稳定性。
[0033] 在一个实施例中，当簇头节点的剩余能量低于预设的能量下限时，簇头节点在其簇内的传感器节点中选择新簇头节点，具体为：
[0034] (1)簇头节点a将簇内与其距离小于 的传感器节点作为备选节点，向各备选节点发送竞选消息；
[0035] (2)各备选节点接收到所述竞选消息后计算等待时间：
[0036]
[0037] 式中，Tab表示簇头节点a的第b个备选节点计算的等待时间，Na为所述簇头节点a对应的备选节点数量，na为所述簇头节点a对应的备选节点中已担任过簇头节点的备选节点数量；Y(b)为判断取值函数，当所述备选节点b担任过簇头节点时，Y(b)＝0，当所述备选节点b未担任过簇头节点时，Y(b)＝1；Eb为所述备选节点b的当前剩余能量，Ec为所述簇头节点a对应簇内第c个传感器节点的当前剩余能量，Eb0为所述传感器节点b的初始能量；T1为预设的基于历史情况的等待时间，T2为预设的基于能量的等待时间；
[0038] (3)各备选节点按照等待时间启动计时器，计时结束后向簇头节点i发送反馈消息；
[0039] (4)簇头节点a将接收到的第一个反馈消息所对应的备选节点作为新的簇头节点，而簇头节点a转变自己的角色为簇内的传感器节点。
[0040] 本实施例在簇头节点的剩余能量低于预设能量阈值时，重新选择新簇头节点，并创新性地提出了一种簇头节点的轮换机制，其中提出了等待时间的计算公式，根据该计算公式可知，未担任过簇头节点、相对能量更大的备选节点具有更大的概率担任新簇头节点。本实施例实现了簇头节点的轮换，能够有效保证簇头节点工作的稳定性和整个网络的可靠性。
[0041] 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。
