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结构监测成低功耗广域网新宠!

2018-02-03 16:54:36      众山科技      阅读:389
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以LoRa为代表的低功耗广域网络具有的超低功耗、更广覆盖、超大连接、低成本、高穿透等特点。

过去两年,整个物联网产业的崛起,很大一部分得益于低功耗广域网络(LPWAN)技术的发展与突破。据GSMA的统计数据,到2020年,整个物联网行业将具备更大发展能力,其中LPWAN的应用连接数将占到物联网广域连接数的60%,其重要性不言而喻。

随着产业的智能化升级,LPWAN在智能停车、智慧出行、智能安防、智能抄表、智能环境监测、结构监测等创新应用方面都有落地案例出现。或许,在结构监测上的应用还没有被大家熟知,但是其对于整个土木工程结构安全性智能监测的重要性不可忽视。

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LPWAN应用主要分为两大主流阵营,一是由3GPP主推的基于授权频谱,采用蜂窝移动通信技术的NB-IoT,二是LoRa、SigFox等基于非授权频段的应用。其中,LoRa和NB-IoT的应用是主流。而在结构监测中,LoRa的应用相对较多,这是因为,相对于SigFox、NB-IoT等,LoRa产业链较为成熟、商业化应用较早。而且LoRa在稳定性、穿透性、抗干扰能力方面也较好,适合于采集频率较低的结构指标监测。

精细化监测的必要性

 安全重于泰山,尤其对于桥梁、隧道、楼宇、轨道等结构物来说,进行精细化监测,保障其安全稳定,提前预知突发灾害的发展,预防安全事故的发生,就显得尤为重要。

当前,中国大规模基础建设的浪潮已渐渐消退,各种结构物都开始进入长期的运营使用阶段。但是,在各种自然界的不确定外力加载(如风、地震、基础沉陷等等)下,以及经济发展的需求,致使各种结构物超载疲劳运营现象普遍出现。

然而,前期的设计、施工并不能确定结构物是否正常运营,必将需要一种更实时、快捷的方式对运营状态进行全面的精细化监测,尤其是对已经服役多年的老旧结构物。

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以LoRa为代表的低功耗广域网络具有的超低功耗、更广覆盖、超大连接、低成本、高穿透等特点不仅能满足不同结构物在各种复杂环境下的大连接、高穿透等的监测需求,而且能为其提供精细化监测解决方案。

LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成,应用数据可双向传输。

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针对结构监测环境的复杂性和高穿透等需求,LoRa主要从以下几个方面解决其痛点。

1.高穿透性、远距离、低功耗。

由上图可以看出LoRa高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里,且穿透性极强。其接收电流仅10mA,睡眠电流200nA,这大大提高了电池的使用寿命。高穿透性、远距离传输的特点解决了桥梁、隧道等内部震动监测信号在穿透多层混凝土结构或者岩壁后变弱的问题。低功耗的特点在提高设备持续长久安全监测稳定性之外,也减少了设备维护和结构巡检次数,从而提高了安全效率,降低了人力成本。

2.基于该技术的智能网关支持多信道多数据速率的并行处理,系统容量大。

网关是节点与IP网络之间的桥梁。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes,网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置,发射功率20dBm(100mW),那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密度较低的郊区,覆盖范围可达10公里。这种大范围的覆盖对于隧道、桥梁等远距离,多节点的监测尤为重要。

3.基于终端和网关的系统可以支持测距和定位。

LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication),而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。从而保障监测数据的精准性。

4.低成本、易于部署

LoRa是基于非授权频谱的技术,基础设施和节点(终端)部署成本低,能为结构监测大规模的应用降低大量成本。LoRa网络技术可以满足行业客户协议细节调整的需求,可快速帮助客户低成本地建设局域网以实现业务运营,同时不仅能适应分散性应用需求,还能很好地满足行业性应用需求。而通过运营商部署广域物联网的NB-IoT则无法满足这一需求。

物联网推动下的结构监测市场前景广阔

相比于传统的结构健康监测手段,物联网技术的应用不仅仅解决了全方位监测难、部署难度大、成本高等难题,而且为建筑行业带来了新的方向与机遇。比如,在楼宇的建设和维护中,若在施工阶段就部署低功耗广域网络,实时监测建筑物的状态,能及时发现楼宇的裂痕、古建筑的倾斜等问题,及早采取措施,减少损失。

中国结构监测的市场刚刚起步,结合着物联网,智慧城市的发展,未来五年内会滋生出数十亿的市场份额,同时随着现有建筑物的逐步老化,市场还会越来越大。鉴于传感器的生命周期一般为8年左右,所以也是一个无限循环的市场。如果新建筑物在施工阶段就采用物联网结构监测方案,那么整个市场无疑会扩大很多。

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例如,一座普通200米左右桥梁监测费用10万左右,每公里隧道监测费用5万左右,每公里地铁监测费用5万左右,一座体育场馆监测费用100万左右,高层建筑监测费用30万左右。

据统计,截止2015年,国内现有大小桥梁70多万座,隧道8000多座(总长度4000多公里),地铁总长度超过3000公里,大型体育场馆上千座,老旧建筑,高层建筑数量庞大,未来都有实时在线监测预警的需求。同时日益增多的地质灾害也是一个庞大的监测市场。

LPWAN在结构监测中的应用场景案例分析

根据小编的调研和走访情况,并结合应用落地场景及实际效果分析来看,浩坤科技关于桥梁和隧道监测的应用案例符合需求,达到了预期目的。现分析如下:

1.桥梁工程精细化监测解决方案。

桥梁工程健康检测就是在桥梁正常运营过程中,在桥梁的关键结构部位布设结构整体状态传感器和局部状态传感器,实时监测桥梁的整体和局部行为。其主要目的为:

a)    对桥梁的损伤位置和程度进行诊断,对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估,为桥梁在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号,为桥梁的维修或关闭的决策提供依据和指导,并为桥梁的运营安全管理积累原始性数据。

b)    根据监测数据,对桥梁的未来发展进行预测分析,做到防范于未然,同时为桥梁维修加固提供依据。

c)    监测数据反馈给设计院,可以对桥梁设计进行优化,达到节约投资,节能减排的目标。同时可对桥梁施工过程中的构件实时受力,以及脚手架支撑体系杆件的受力、倾斜等影响稳定性的因素进行实时在线预警监测,防止意外发生。

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2.大准铁路隧道结构检测(浩坤科技LoRa应用落地案例)

大准铁路所处地形主要为丘陵与山岳,地质情况局部有软土与风积砂,属于水土流失严重地段。洪水、沙尘暴、冰凌冲击等自然灾害时有发生,以及结构的逐年老化,严重威胁着大准铁路的安全运行。

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由于该铁路承担着准能煤炭外运的重任,运输任务繁重,天窗期少之又少,必须一种安装快捷,维护简单的物联网方式来解决结构监测的布设要求。

以LoRa为代表的物联网技术,凭借其低成本、低功耗、易于建设和部署、远距离无线传输的特征,十分适合该结构监测场景的应用!

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结语:

虽然,在土木工程领域,结构监测的门槛并不低,但是若能抓住低功耗广域网络这一机遇,及早部署相关网络,采集汇总数据,形成更有价值的智慧城市大数据!那么,在千亿级的结构监测市场上面,必然会有极大的优势。

最后,安利一下物联网智库CEO赵小飞新作

更详细了解LPWAN领域行业格局及发展趋势


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