一種新型多點(diǎn)分布式遠(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究
2011-07-13 來源：橋梁人論壇
現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的監(jiān)測(cè)方法主要包括利用移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)建立連接的橋梁監(jiān)測(cè)方式和利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測(cè)方式。這兩種方式都是采用專用的傳輸通道，實(shí)施點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的采集和控制。因此，按照這兩種監(jiān)測(cè)方式建立的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是單一的專用系統(tǒng)，即某監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只對(duì)某一特定橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法組建大型的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。近年來，工程理論上又提出了一些新的橋梁監(jiān)測(cè)方法，如基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于多點(diǎn)輪詢的零散狀態(tài)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，這些方法適用于采用同種技術(shù)構(gòu)建零散狀態(tài)下的大型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但對(duì)于不同的橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)或與現(xiàn)有橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兼容性仍有很大問題，可操作性較弱。另外，現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本上都采用了不同的組網(wǎng)設(shè)備、監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這不僅需要大量的人力、物力，維護(hù)管理上也有很大的困難，對(duì)監(jiān)測(cè)情況的統(tǒng)計(jì)分析和經(jīng)驗(yàn)交流也非常不利。實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市或區(qū)域多個(gè)橋梁的分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控有利于降低成本，提高監(jiān)控效率和能力，因此對(duì)其進(jìn)行研究是十分必要的。但基于現(xiàn)有各種橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不同技術(shù)接口，直接互聯(lián)或采用某種硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，難度高，代價(jià)大，從軟層面實(shí)現(xiàn)各種不同橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的松耦合分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控是一種可行的解決方法。
1 現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)
現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的監(jiān)測(cè)方法除最傳統(tǒng)的人工進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量、記錄和處理外，主要包括以下兩種方式：利用移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)建立連接的橋梁監(jiān)測(cè)方式和利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測(cè)方式。采用GSM連接的橋梁監(jiān)測(cè)方式是利用GSM的話音信道建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)分別控制橋上各采集儀采集數(shù)據(jù)。此種方法，數(shù)據(jù)中心同一套設(shè)備在同一時(shí)間只能采集一座橋梁或一個(gè)采集儀連接的傳感器數(shù)據(jù)。而且對(duì)總線上的設(shè)備控制也是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制方式，故數(shù)據(jù)采集的速度慢，操作繁瑣。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ɑ谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)的專用信道，費(fèi)用高，使用不方便。利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測(cè)方式，實(shí)際上是采用專用光纜或租用電信公用光纜代替了第1種方式中的移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)，使中間的傳輸網(wǎng)絡(luò)更可靠、傳輸速率更高。但其仍是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的采集和控制方式，另外采用光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本高，維護(hù)難度大，監(jiān)測(cè)中心相對(duì)固定，組建大型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)比較困難。
由此可知，按照上述兩種監(jiān)測(cè)方式建立的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是單一的專用系統(tǒng)，即某監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只對(duì)某一特定橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法組建大型的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
近年來，在工程理論上又提出了一種新的橋梁監(jiān)測(cè)方法，這種方法的核心思想是：每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的智能控制單元通過數(shù)據(jù)傳輸單元和通信基站接入GPRS或者CDMA網(wǎng)絡(luò)，連接到因特網(wǎng)，再通過路由器連接監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)。通過這種網(wǎng)絡(luò)連接方式，監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)可異步地同時(shí)與多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)傳輸連接，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制。同時(shí)監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理單元采用多線程的方式，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。在橋梁零散分布情況下，采用這種新的監(jiān)測(cè)方法，若多座橋梁采用相同的組網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)可組建新的大型監(jiān)控網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多座橋梁的監(jiān)測(cè)，否則只能在理論上是可行的，原因是：采用這種新的監(jiān)測(cè)方法組建零散分布下多座橋梁的大型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，若采用的多種采集儀的上行物理接口或通信協(xié)議不同，則要求采用多種智能控制單元與不同的采集儀進(jìn)行物理接口適配和通信協(xié)議適配；同樣，智能控制單元的上行物理接口和通信協(xié)議不同，則要求數(shù)據(jù)傳輸單元下行具備不同的物理接口和通信協(xié)議，而數(shù)據(jù)傳輸單元的上行都是統(tǒng)一的接入GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)的接口和通信協(xié)議。實(shí)際應(yīng)用中，需要各種數(shù)據(jù)傳輸單元是非常困難的，因此這種情況下這種方式是無法實(shí)施的。
2 軟層面的設(shè)計(jì)思路
從軟層面實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸和通信，典型的方法是在公用通信網(wǎng)絡(luò)上架設(shè)軟通信平臺(tái)，由軟通信平臺(tái)提供各種子系統(tǒng)的適配接口、協(xié)議轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。這種軟通信平臺(tái)又稱軟總線平臺(tái)，圖1顯示了橋梁監(jiān)測(cè)中軟總線平臺(tái)的一種可行系統(tǒng)架構(gòu)。
軟總線平臺(tái)包括硬件接口單元、軟總線內(nèi)核和應(yīng)用接口單元。硬件接口單元包括各種硬件接口驅(qū)動(dòng)程序，將從外部硬件接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到所述軟總線內(nèi)核單元，并將從所述軟總線內(nèi)核單元接收的操作命令發(fā)送到外部硬件。軟總線內(nèi)核包括多線程任務(wù)調(diào)度、消息隊(duì)列處理等功能單元，將從硬件接口單元接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到應(yīng)用接口單元，并將從上層接口單元接收的操作命令發(fā)送到硬件接口單元。應(yīng)用接口單元提供了外部橋梁監(jiān)測(cè)人機(jī)操作界面對(duì)所述軟總線單元的訪問接口，將從軟總線內(nèi)核接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部橋梁監(jiān)測(cè)人機(jī)操作界面，并將從外部橋梁監(jiān)測(cè)人機(jī)操作界面接收的操作命令發(fā)送到軟總線內(nèi)核。
為了實(shí)現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程控制，軟總線平臺(tái)應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)功能模塊,該模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用API接口和網(wǎng)絡(luò)接口硬件驅(qū)動(dòng)，用于本地控制計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)之間的通信。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的接入，軟總線平臺(tái)具有支持各種橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)接入的硬件驅(qū)動(dòng)和適配接口；另外，為了使新的橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)能簡(jiǎn)便地集成到本系統(tǒng)，軟總線平臺(tái)具有支持各種外部硬件系統(tǒng)無縫集成和外部橋梁監(jiān)測(cè)軟件二次開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)API接口。進(jìn)一步地，可在軟總線平臺(tái)設(shè)計(jì)分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口，實(shí)現(xiàn)大型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)和分布式處理。
3 多點(diǎn)分布式遠(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
基于軟總線平臺(tái)的多點(diǎn)分布式遠(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括多個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)、軟總線平臺(tái)和具有數(shù)據(jù)處理單元的監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)，如圖2所示。橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)包括安裝在橋梁上的傳感器、采集儀、智能控制單元以及與智能控制單元相連的本地控制計(jì)算機(jī)。軟總線平臺(tái)包括安裝和運(yùn)行在本地控制計(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)上的軟總線單元。采集儀采集傳感器的數(shù)據(jù)，智能控制單元接收采集儀采集的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到本地控制計(jì)算機(jī)，本地控制計(jì)算機(jī)安裝并運(yùn)行軟總線單元，將接收到的數(shù)據(jù)通過軟總線單元轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行具體的數(shù)據(jù)處理操作。監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)是通過軟總線平臺(tái)與智能控制單元通信的，軟總線平臺(tái)上本地控制計(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)的各個(gè)軟總線單元是通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Internet、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等）相通信的，所以監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)不必固定，多個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)也可以分布在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)遍及的地方，只要橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的本地控制計(jì)算機(jī)與監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)能夠相互通信，即可在本地控制計(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)上布設(shè)軟總線平臺(tái)，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就能在軟總線平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)通信。
系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：
（1）基于軟總線平臺(tái)的分布式遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，采用軟總線提供的開放式軟件架構(gòu)，通過總線核分離上層監(jiān)測(cè)軟件和底層現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議，支持新的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的無縫集成,支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?；谲浛偩€的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口（如Ethernet），將高層橋梁監(jiān)測(cè)軟件和底層各種類型的橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，通信基于TCP/IP協(xié)議棧，從而實(shí)現(xiàn)多座橋梁設(shè)施的松耦合分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
（2）已建的、在建的各種類型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都可以通過軟總線平臺(tái)納入到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，組建大型監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)城市或區(qū)域橋梁設(shè)施的松耦合分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
（3）在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入軟通信平臺(tái)，突破了傳統(tǒng)的單一專用橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和目前基于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口的遠(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可節(jié)約監(jiān)控成本，提高監(jiān)控效率和性能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)城市或區(qū)域多座路橋設(shè)施的分布式一體化集中監(jiān)控。
4 建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)
采用LabMap軟總線[5]建立具有兩個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試模型。
LabMap是一種工業(yè)控制軟總線，具有兩個(gè)層次的抽象接口：應(yīng)用軟件接口和硬件驅(qū)動(dòng)接口。LabMap軟總線支持網(wǎng)絡(luò)功能，它將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能抽象成一個(gè)高度優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)接口。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中兩個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)備，主要有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和各類振弦式傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DataTaker DT80g智能采集系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線采用Wago現(xiàn)場(chǎng)采集總線系統(tǒng)，傳感器主要采用北京基康的振弦式橋梁監(jiān)測(cè)傳感器。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)備還包括聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和控制PC（運(yùn)行軟總線LabMap及HMI），各硬件系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)方式。
（1）交換機(jī)、本地控制PC1、Wago現(xiàn)場(chǎng)總線采集系統(tǒng)和各種橋梁監(jiān)測(cè)傳感器聯(lián)網(wǎng)組成橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)1。該子系統(tǒng)采用10.10.10.0/24網(wǎng)段。本地控制PC和Wago現(xiàn)場(chǎng)總線采集系統(tǒng)之間基于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus/TCP通信，通信接口為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口。
（2）DT80g智能型數(shù)據(jù)采集器、本地控制PC2和各種橋梁監(jiān)測(cè)傳感器組成橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)2。該子系統(tǒng)采用20.20.20.0/24網(wǎng)段。DT80g通過RS485串行口連接控制PC，通信方式為串行通信。
（3）兩個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)端控制PC通過路由器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，各端口配置不同網(wǎng)段，組成分布式網(wǎng)絡(luò)，以模擬實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境。
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可對(duì)各個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)的應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、位移、傾斜等物理特性進(jìn)行本地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可從遠(yuǎn)程監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)的分布式監(jiān)測(cè)及基于Internet的數(shù)據(jù)共享和對(duì)比分析。
如在遠(yuǎn)端PC對(duì)子系統(tǒng)1的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用GK-4200型應(yīng)變計(jì)。其采集值和工程應(yīng)變量的轉(zhuǎn)換的理論和修正公式，修正考慮了弦初始狀態(tài)和溫度的影響。
其中，R0為初始測(cè)量值，R1為當(dāng)前測(cè)量值，Gf為理論系數(shù)3.304，CF1為用于振弦儀器的鋼材溫度膨脹系數(shù)12.2 uε/℃。測(cè)試結(jié)果略。
橋梁在運(yùn)行期間由于會(huì)受到氣候、氧化、腐蝕或老化等因素,及長(zhǎng)期在恒載或活載的作用下遭受損壞，其強(qiáng)度和剛度會(huì)隨時(shí)間的增加而降低，這不僅影響了安全行車，更會(huì)使該橋的使用壽命縮短。因此對(duì)橋梁的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分析具有重要的意義。
為了減少城市或區(qū)域內(nèi)多座橋梁設(shè)施的監(jiān)控維護(hù)成本，提高監(jiān)控能力，對(duì)多座橋梁實(shí)施松耦合分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控是一個(gè)可行的途徑。但目前已建立的單一橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了不同的監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，直接通過某種硬件設(shè)備適配實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，難度高，代價(jià)大。在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入軟通信平臺(tái)，利用軟通信平臺(tái)提供現(xiàn)有各種橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的不同技術(shù)接口和統(tǒng)一的通信平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)各種不同橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)的分布式接入和集中監(jiān)控。通過實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試證明，基于軟總線LabMap的多點(diǎn)分布式遠(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種可行的實(shí)現(xiàn)方案。
