太阳能供电的物联网传感器为国家的桥梁设施保驾护航
发布时间:2019-10-17
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太阳能供电的物联网传感器为国家的桥梁设施保驾护航
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对美国运输部发布的2018年国家桥梁清单(NBI)数据库的一次分析表明,在美国境内所有桥梁中,有大约9%的桥存在“结构缺陷”,即有五万四千多座桥梁可能不安全。更为糟糕的是,桥梁的维修率比五年前还要低,所以,当你下次经过一座桥时,先做点心理准备。(我就这样。)

图1. 佛罗里达州一座安装了传感器的桥

不过好消息是,低功耗的智能传感器、物联网、太阳能和电池技术的发展可能会帮助工程师在发生重大灾难之前发现重大隐患。佛罗里达大学的土木工程学教授Jennifer Bridge博士就是利用这些技术监测桥梁隐患的研究者之一。

在国家科学基金会的资助下,Bridge和她的学生们正在开发一种传感器网络,该网络可以在热带风暴期间监测桥梁的状态,并实时报告桥梁信息。该网络的初期部署集中在疏散和救援行动中的关键桥梁,特别是那些与先前遭到飓风破坏的桥梁相似的那些桥。随着该技术价格的持续下降,我们将会看到,所有的桥梁都会部署这些智能传感器,它们不断监测桥梁压力,并向土木工程师警告即将发生的故障。

图2 传感器hub

这是一个描述桥梁传感器网络的短视频。

在看完视频后,我联系了Bridge教授,她很友好地回答了我的问题。我们的交谈如下:

TL:我在视频中看了一下传感器网络hub的内部结构。 那是基于Arduino的控制系统吗,还是用的树莓派?

JB:是TI的微控制器LaunchPad,跟您提到的系统很类似。

TL:如果发生通信中断,hub里可以存储多少数据?

JB:我们目前使用的是32GB SD卡。按照我们现在采用的采样率和数据收集工作周期,它可以保存长达几周的数据。

TL:hub和社区之间的数据链路是蜂窝移动通信吗?

JB:是的。我们正在使用的是Digi XBee蜂窝调制解调器LTE CAT 1(当前使用的是AT&T版本,但是由于Verizon网络在该地区的覆盖度更好,所以我们计划这个地方的调制解调器尽快切换到Verizon版本)。传感器的外形尺寸都很小,再加上调制解调器的功耗相对较低,所以我们采用太阳能供电或电池供电,就可以支持七个压力传感器同时实时传输数据。当然,和功耗较高的蜂窝调制解调器(例如Cradlepoint或Cisco路由器)相比,低功耗的代价就是数据吞吐量较低。我们监控的其他地方的桥梁依赖于尺寸更大、功能更强大的调制解调器,耗电较高,但是我们可以使用市政电力来供电。视频中这座桥附近没有市电,而且我们也不想在暴风雨期间靠电源工作,所以我们使用了太阳能或电池。

TL:您如何使hub能够承受强风和大雨?

JB:我们把hub牢固地安装在桥的栏杆上,以确保它在强风中也能保持在固定的位置上。其外壳的IP等级为IP67或更高。此外,我们对外壳进行了一些改动,以建立传感器和太阳能组件之间的连接。这些孔使用船用密封胶(例如3M Marine Seal)进行密封。

TL:我从视频中看到,你通过测量桥梁两侧的压力差来确定它受到的侧向力。您还提到下一步将测量桥梁结构本身的响应,您会使用哪种类型的传感器测量这个响应,另外,您预计会有哪些响应?

JB:可以使用加速度计测量结构的震动响应,该响应会随着桥梁发生损坏而发生变化。我们还可以使用能更直接地测量结构响应的传感器,比如倾斜仪,用来测量桥梁的倾斜程度,还有引伸计/位移传感器,用来测量桥面的落梁和抬升。

TL:您的研究及其基础技术将以什么样的方式帮助维护美国的整体桥梁设施呢?

JB:改善桥梁设施一方面需要维护我们现有的桥梁安全,另一方面需要设计更具弹性的新结构。在某些情况下,结构响应数据可以提供损坏的早期预警,补充现有的外观检查技术。了解桥梁结构怎么对实际的载荷进行响应,可以帮助我们更为明智地决定何时对桥梁进行保养和维修,怎么进行最有效的维修,以及怎么进行最合适的改造。此外,当我们更好地了解了桥梁承载的载荷条件时,我们可以改进它们的响应方式,从而提高其弹性并延长使用寿命。目前的桥梁波浪荷载设计依赖于实验室进行的实验测试结果和分析模型得出的方程。为了更好地了解此类负载,需要在风暴事件期间进行全面的测量。

国家的桥梁设施一直不被重视,很高兴知道有一些工程师正在努力工作,以确保其安全性和可靠性。

 

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