伴跟着中国经济的快速开展，许多大型杂乱工程结构得以兴修，如超大跨桥梁、用于大型体育赛事的超大跨空间结构、超高层建筑、大型水利工程、海洋渠道结构以及核电站等，它们的使用寿数长达几十年、乃至上百年。可是，受环境腐蚀、资料老化、疲惫与骤变等灾祸要素的耦合作用，不可避免地导致结构和体系的损害堆集和抗力衰减，乃至在极点状况下引发灾祸事端。为了保证结构的安全、牢靠，结构健康监测越来越受到重视。
“无线”VS“有线”
结构健康监测以传感器精确收集传输数据为条件，数据收集首要经过传统的“有线”传感器来完成，它具有收集信号精确、抗干扰功能强等特色。可是，使用“有线”传感器组成的监测网络布线量大、装置和保护本钱高、牢靠性差，乃至在一些结构中无法完成布线。跟着传感器与无线通讯技能的开展，无线传感网络技能已开端向结构健康监测方面浸透。无线传感器及其网络体系因为其小型化、集成化、低修理费用、装置便利等特色，在大型基础设备智能化监测方面具有得天独厚的优势。
无线传感网络克服了有线传感网络的缺乏，选用了先进的封装技能，具有体积小、低功耗、牢靠性高级特色，合适集成。一起，无线传感器还具有智能处理单元，能够对信号进行预处理，对特征信号进行开端提取，这样能够大大涣散中央处理器在数据处理方面的压力。无线传感单元的无线收发模块一般使用在工业通讯频率上，无须独自请求频点，通讯不受电信部分的约束。此外，无线传感器体积小、具有节能的特色，能够便利地安放在被测结构物上，而且依据设定的通讯协议，完成自组织网络，构成实时高效的结构健康监测体系。
无线智能监测网络一般由结构健康点评体系、数据存储办理体系、数据处理与控制体系、数据收集与传输体系组成。本文介绍的办法是一种异构无线传感网络。异构无线传感器网络与同构无线传感器网络不同，前者传感器的节点，具有不同的资源配置，更能满意实践监测场景关于无线传感网络的需求。异构无线传感网络是由低本钱、具有感知、数据处理、存储和无线通讯才能的多类型微型传感器节点，经过自组织办法构成的网络，这种特性使得异构无线传感网络十分合适用于大型基础设备的安全监测。
异构无线传感网络的优化安置
经过近几年的开展，结构健康监测中的无线传感技能日趋完善，智能化程度日益进步。许多重要工程设备，特别是一些大跨度桥梁工程上开端装置无线健康监测体系。值得注意的是，这些大型桥梁无线监测体系实践安置的传感节点大多选用太阳能或风能供电，由此带来一系列能耗问题，导致体系不能很好地满意桥梁监测的实践需求。为了处理以上问题，需求对现有的异构无线网络的安置办法进行优化。经过研讨异构无线传感网络优化机理，发现以进步模态辨认精度和下降网络能耗为方针的传感器安置计划，关于处理上述问题有杰出的有用作用。
结构模态辨认
在同构无线传感网络中，结构模态之间存在正交性，适合常用的模态点评原则。但在异构无线传感网络中，存在加速度和应变两种传感器节点，可是两种类型传感器监测的结构模态并不存在正交性。“结构模态辨认”是经过运用模态明晰度和模态相对差错，将两者比值作为模态点评原则。该点评原则结合了模态之间的明晰程度、实践模态与实验模态之间的差错，其对模态的点评更具全面性和充沛性。
为了得出异构无线传感网络中的不同传感器节点个数和与其对应方位对结构模态辨认和网络能耗的影响规则，本办法选用如图1所示的实验室桁架结构模型作为研讨方针。结合该桁架结构，经过有限元分析，提取结构的位移振型向量和应变振型向量。用仿真信号来替代实验信号，对结构施加外加鼓励，能够得到恣意测点的加速度和应变信号，最终经过ERA法得到位移振型向量和应变振型向量。在进行结构模态辨认核算时，先经过模态辨认办法得到结构的实验模态，然后与有限元仿真模态进行比较，得到异构无线传感器安置计划的模态辨认方针。结构模态振型是依据有限元分析时所区分单元的位移来确认，然后能够从全体上反映结构振荡状况。
实验室桁架结构
为了研讨传感器个数和方位对模态辨认的影响，选用不同个数传感器和不同方位，合计16 种不同的均匀安置计划以及9 大类的非均匀安置计划。经过核算均匀安置计划和非均匀安置计划的模态辨认方针，得出传感器安置与模态辨认的一般规则。在进行模态辨认方针核算之前，需求从有限元数据仿真平别离提取加速度和应变信号，运用ERA 模态辨认办法得到模态参数。然后用ANSYS 直接提取模态参数与用ERA 法得到的模态振型参数进行比照。研讨结果表明，结构模态辨认方针跟着异构无线传感器网络节点个数添加而添加，一起跟着网络掩盖半径的添加而添加。当传感器总数一守时，选用必定配比的传感器能够最大化模态辨认方针。
无线传感网络能耗
无线传感节点由通讯单元、处理器单元、感知单元、供能单元组成。当无线传感器作业时，能量消耗首要会集在以下四部分：数据收集、数据处理、数据接纳和数据发送。一切会发生能耗的数据进程都必须考虑在内，以下为无线传感节点各模块的能耗。
为便利探求网络能耗，树立网络能耗核算模型来模仿传感器安置和数据传输区域，如图3所示，无线加速度和应变传感器节点随机散布在一个球体空间内，组成一个异构无线传感器网络，基站安置在球体空间的球心处。
无线传感器网络能耗模型（R’为传输半径或簇半径）
关于该球体能耗模型，做了以下假定：无线传感器的数据发送和数据收集的速率坚持不变，而且无线传感器节点不存在闲暇与休眠阶段；一切无线传感器节点将数据悉数发送给上级节点或基站；传感器节点是均匀散布在网络中的。依据提出的网络能耗公式，经过改动其间的网络层数，能够得到多跳方式的无线传感器网络的能耗。图4能够直观地反映传感器安置个数与掩盖半径对网络能耗的影响。经过该图能够看出，不同的网络拓扑结构具有不同的网络能耗。跟着网络掩盖半径的添加，网络能耗也随之添加；跟着传感器个数的添加，网络能耗相同随之添加。
当M=1或2时传感器配比和掩盖半径对网络能耗的影响
无线传感节点优化安置
在传感器优化安置问题中首要需处理3个问题——确认各种类型的传感器个数、每个传感器节点的方位、传感器安置之间以何种安置原则进行。针对异构无线传感网络，一方面，针对监测具有较高的结构模态辨认程度，完成健康监测作业的实践含义；另一方面，针对一切无线传感器网络最大的问题，需求考虑网络能耗，在相同作业量的一起，尽量下降能耗，以延伸传感器网络的作业寿数。
在上述两个方针中，都与传感器节点的个数和在网络相应的方位有关，即两类传感器别离的个数和相对应的传感器网络的掩盖半径。将两个方针统一在一个方针函数中，构成一个数学表达公式。可是这两个方针具有不同的物理含义，从全体上来说，方针函数值巨细仅仅数值的反映，而且单个方针的数量级也不在一个层次上，这就需求将这两个方针进行系数调整。
FE(FM,FE)=(fMwMFM(Na,Ns,Ra,Rs)+fEwEFE(Na,Ns,Ra,Rs)
其间：
FM：模态辨认指数；
FE：网络能耗；
wM：模态辨认指数调整系数；
fM：模态辨认权重系数；
wE；网络能耗调整系数；
fE：网络能耗权重系数。
