隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring, SHM)技術(shù)成為保障工程安全、延長使用壽命的重要手段。其中，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)的監(jiān)測系統(tǒng)憑借其靈活性、低成本和易部署等優(yōu)勢，在橋梁、建筑、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文結(jié)合振動測試技術(shù)，系統(tǒng)分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的核心作用，探討其技術(shù)原理、應(yīng)用場景及未來發(fā)展方向。

一、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)架構(gòu)與優(yōu)勢

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由分布式傳感器節(jié)點、無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)成。傳感器節(jié)點通常集成加速度計、應(yīng)變計、溫度傳感器等，可實時采集結(jié)構(gòu)的振動、變形、應(yīng)力等參數(shù)。節(jié)點間通過自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如ZigBee、LoRa、Wi-Fi等)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，最終匯聚至云端或本地服務(wù)器進(jìn)行分析。

相較于傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢：

靈活部署：無需布線，適用于復(fù)雜地形或歷史建筑;

可擴(kuò)展性強(qiáng)：可根據(jù)監(jiān)測需求動態(tài)增減節(jié)點數(shù)量;

成本效益高：單節(jié)點成本低，適合大規(guī)模部署;

實時性強(qiáng)：支持高頻數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸。

二、振動測試在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

振動是結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的直接反映，其測試分析是SHM的核心環(huán)節(jié)?；跓o線傳感網(wǎng)絡(luò)的振動測試主要涵蓋以下內(nèi)容：

振動模態(tài)分析

通過采集結(jié)構(gòu)在自然激勵(如風(fēng)、交通荷載)或人工激勵(如錘擊、激振器)下的振動響應(yīng)，提取固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)。模態(tài)參數(shù)的變化可反映結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布的異常。例如，橋梁的某階固有頻率下降可能表明局部損傷或材料劣化。

損傷識別

基于振動信號的特征提取(如時域波形、頻譜、小波變換等)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法(如支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))可實現(xiàn)損傷定位與定量評估。例如，在鋼結(jié)構(gòu)中，裂紋擴(kuò)展會導(dǎo)致振動信號的能量分布發(fā)生偏移，通過對比基準(zhǔn)數(shù)據(jù)可識別損傷程度。

長期性能監(jiān)測

無線傳感網(wǎng)絡(luò)支持長期、連續(xù)的振動數(shù)據(jù)采集，可揭示結(jié)構(gòu)性能的時變規(guī)律。例如，通過分析建筑在風(fēng)荷載作用下的振動響應(yīng)隨時間的變化，可評估其抗風(fēng)疲勞性能;通過監(jiān)測橋梁在車輛荷載下的振動加速度，可預(yù)警超載風(fēng)險。

三、典型工程案例分析

案例1：大型橋梁的振動監(jiān)測

某跨海大橋采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)部署了200個振動監(jiān)測節(jié)點，覆蓋主梁、橋塔及伸縮縫等關(guān)鍵部位。系統(tǒng)實時采集車輛通行、風(fēng)荷載及地震作用下的振動數(shù)據(jù)。分析表明，橋塔在強(qiáng)風(fēng)作用下的橫向振動加速度超過設(shè)計限值，通過加固橋塔斜撐結(jié)構(gòu)，振動響應(yīng)降低40%，顯著提升了橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

案例2：歷史建筑的振動保護(hù)

某古城墻因周邊地鐵施工產(chǎn)生振動影響。無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測結(jié)果顯示，地鐵運(yùn)行引起的墻體振動加速度峰值達(dá)0.15g，超過文物保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。通過在墻體內(nèi)部增設(shè)阻尼器并優(yōu)化地鐵運(yùn)行方案，振動水平降至0.05g以下，有效保護(hù)了文物安全。

案例3：航空航天器的振動測試

某新型飛機(jī)在試飛階段采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測機(jī)翼、尾翼等部位的振動響應(yīng)。測試發(fā)現(xiàn)，某頻率下的共振現(xiàn)象導(dǎo)致機(jī)翼蒙皮應(yīng)力超限。通過調(diào)整機(jī)翼剛度分布，共振頻率偏移至安全區(qū)間，避免了潛在的結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

盡管無線傳感網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有顯著優(yōu)勢，但其應(yīng)用仍面臨以下挑戰(zhàn)：

能源供給問題

傳感器節(jié)點的電池壽命限制了系統(tǒng)的長期運(yùn)行。解決方案包括：

采用能量收集技術(shù)(如太陽能、振動能量收集);

優(yōu)化通信協(xié)議以降低功耗;

開發(fā)自供電傳感器(如基于摩擦電效應(yīng)的傳感器)。

數(shù)據(jù)傳輸可靠性

復(fù)雜環(huán)境(如高濕度、強(qiáng)電磁干擾)可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或誤碼。解決方案包括：

采用多跳路由協(xié)議提高數(shù)據(jù)傳輸魯棒性;

結(jié)合5G、LoRa等低功耗廣域網(wǎng)技術(shù);

設(shè)計數(shù)據(jù)冗余與容錯機(jī)制。

大數(shù)據(jù)處理與分析

海量振動數(shù)據(jù)的高效處理需要強(qiáng)大的計算能力。解決方案包括：

邊緣計算與云計算協(xié)同;

開發(fā)輕量化機(jī)器學(xué)習(xí)模型;

利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實時映射。

五、未來發(fā)展趨勢

多源數(shù)據(jù)融合

結(jié)合振動、應(yīng)變、溫度等多物理場數(shù)據(jù)，提升損傷識別的準(zhǔn)確性。例如，通過振動與溫度的協(xié)同分析，可區(qū)分結(jié)構(gòu)損傷與環(huán)境因素(如熱脹冷縮)的影響。

人工智能賦能

深度學(xué)習(xí)算法(如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))在振動信號處理中的應(yīng)用將進(jìn)一步深化。例如，基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)損傷識別模型可自動學(xué)習(xí)節(jié)點間的空間關(guān)聯(lián)，提高損傷定位精度。

自適應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)

開發(fā)可根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)動態(tài)調(diào)整監(jiān)測參數(shù)的智能系統(tǒng)。例如，當(dāng)監(jiān)測到振動異常時，系統(tǒng)自動增加數(shù)據(jù)采集頻率或調(diào)整傳感器節(jié)點布局。

標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)化

推動無線傳感網(wǎng)絡(luò)在SHM領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，制定統(tǒng)一的傳感器接口、數(shù)據(jù)格式及通信協(xié)議。同時，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作，加速技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

結(jié)語

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與振動測試技術(shù)，為保障工程安全提供了全新的技術(shù)手段。通過實時、連續(xù)的振動數(shù)據(jù)采集與分析，可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)性能的精準(zhǔn)評估與主動維護(hù)。未來，隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及人工智能的深度融合，無線傳感網(wǎng)絡(luò)將在更廣泛的工程領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測向智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。