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无线传感器网络为世界各地的地震提供高科技保障

2019-04-18 11:56:54   来源:

地震袭击了一个大城市,破坏了道路和桥梁,搁浅了高峰时段的通勤者,将办公室工作人员困在高楼大厦内。

作为该市交通管理局局长,您有几分钟时间做出重大决定。什么是最安全,最快的路线,救援队可以采取前往城市受灾严重的地区?哪些桥梁即使损坏,仍然可以支持交通负荷?

随着世界准备纪念1906年4月18日旧金山大地震100周年,这些问题越来越多地出现在结构工程师和应急人员的脑海中。

张云峰说,问题的答案可以由传感器提供 - 传感器网络,内置计算机芯片的微型传感器连接到桥上,以监控其安全性和性能。

Lehigh大学土木与环境工程助理教授张说,传感器战略性地部署在一座桥上,可以提供结构健康状况的高分辨率,多维度图像,为工程师提供有关桥梁性能的重要信息,在灾难发生后,它有能力进行交通。

张说,为了在发生地震或其他紧急情况时有用,传感器数据必须实时,无误地传输到远程处理中心进行解释,然后再传给决策者。

张说,有线传感器可以实时传输数据,但它们有局限性。安装和维护电线是昂贵且劳动密集的。导线降级并容易受到电磁信号的干扰。并且电线本身可能在地震中受损。

Zhang最近获得了美国国家科学基金会颁发的为期五年,40万美元的CAREER奖,以开发用于桥梁和其他结构的无线传感器网络,旨在改善传感器数据的传输和访问数据的便利性。该项目名为“智能传感与智能结构技术的综合研究与教育”。

无线传感器网络相对较新,避免了许多阻碍有线传感器的问题。但他们面临障碍。可用于土木工程无线传感器的相对较窄的通信带宽可以将下载速率降低到每秒一千字节,而不是足够快以破坏运行中桥接器产生的大量数据。

为了改善数据传输和管理,Zhang正在开发用于结构健康监测应用的高性能传感器数据压缩算法。(算法是用于解决问题的一组规则或计算过程。)他的算法结合了结构系统信息以从传感器数据中去除冗余,从而最大化传感器网络数据的压缩率。Zhang还使用数据挖掘技术从数据中更有效地提取关键信息。

“使用我正在开发的传感器数据压缩算法,”他说,“我们可以最大限度地减少数据下载时间,并最终实时下载数据,并近乎实时地对其进行评估。”

张的研究涉及结构工程,系统科学,信息技术以及电气工程。

作为他的NSF项目的一部分,张计划在中国东部的斜拉桥上实施无线传感器网络,以监测其结构健康状况和运行状况。该桥建于2000年,在施工期间意外损坏,因此其实际运行条件与其设计条件不同。张说,这座桥已经修好并正在运行,但需要进行积极的监控,以确保它可以继续安全地用于交通。

利用张将帮助开发的无线传感器网络,张和中国工程师计划在2009年对中国桥梁进行全面的验证测试。

张说,他从测试中国桥梁收集的数据对美国的桥梁运营商也很有用,因为斜拉桥的使用历史相对较短,尚未产生大量数据。

作为他的NSF奖的一部分,张将他的研究纳入他的课程。今年春天,张正在教授智能结构技术的高级本科课程,他在2004年首次将其作为研究生课程。

在课程中,学生们将建造一座日本宝塔并尝试揭开一个古老的神秘面纱 - 为什么在地震灾害的日本,木制寺庙几百年来经受住了地震力,比任何其他类型的结构都要好得多。

张先生于2001年加入该学院,他认为智能结构技术课程是美国第一个将传感器,控制,智能材料,信息技术,结构工程和结构健康监测相结合的土木工程课程。今年春天,12名高级土木工程专业和5名研究生参加了该课程。

“我想教育下一代工程师关于一种具有广泛未来应用的令人兴奋的技术,”张说。“智能结构技术只处于发展阶段,但作为教育工作者,我们需要提前做好计划,这样当这项技术在10年内推出时,我们的毕业生就会知道如何利用它。”