一種新型多點分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)研究
2011-07-13 來源：橋梁人論壇
現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)采用的監(jiān)測方法主要包括利用移動GSM網(wǎng)絡建立連接的橋梁監(jiān)測方式和利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測方式。這兩種方式都是采用專用的傳輸通道，實施點對點的采集和控制。因此，按照這兩種監(jiān)測方式建立的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)都是單一的專用系統(tǒng)，即某監(jiān)測系統(tǒng)只對某一特定橋梁進行監(jiān)測，無法組建大型的監(jiān)控網(wǎng)絡。近年來，工程理論上又提出了一些新的橋梁監(jiān)測方法，如基于無線傳感網(wǎng)絡的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，基于多點輪詢的零散狀態(tài)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)等，這些方法適用于采用同種技術構建零散狀態(tài)下的大型監(jiān)測系統(tǒng)，但對于不同的橋梁監(jiān)測技術或與現(xiàn)有橋梁監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)基本上都采用了不同的組網(wǎng)設備、監(jiān)控技術和網(wǎng)絡結構，這不僅需要大量的人力、物力，維護管理上也有很大的困難，對監(jiān)測情況的統(tǒng)計分析和經(jīng)驗交流也非常不利。實現(xiàn)整個城市或區(qū)域多個橋梁的分布式遠程監(jiān)控有利于降低成本，提高監(jiān)控效率和能力，因此對其進行研究是十分必要的。但基于現(xiàn)有各種橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的不同技術接口，直接互聯(lián)或采用某種硬件設備實現(xiàn)互聯(lián)，難度高，代價大，從軟層面實現(xiàn)各種不同橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的松耦合分布式遠程監(jiān)控是一種可行的解決方法。
1 現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測技術
現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)采用的監(jiān)測方法除最傳統(tǒng)的人工進行數(shù)據(jù)的測量、記錄和處理外，主要包括以下兩種方式：利用移動GSM網(wǎng)絡建立連接的橋梁監(jiān)測方式和利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測方式。采用GSM連接的橋梁監(jiān)測方式是利用GSM的話音信道建立點對點的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過監(jiān)測中心計算機分別控制橋上各采集儀采集數(shù)據(jù)。此種方法，數(shù)據(jù)中心同一套設備在同一時間只能采集一座橋梁或一個采集儀連接的傳感器數(shù)據(jù)。而且對總線上的設備控制也是點對點的控制方式，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谝苿泳W(wǎng)絡的專用信道，費用高，使用不方便。利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測方式，實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GSM網(wǎng)絡，使中間的傳輸網(wǎng)絡更可靠、傳輸速率更高。但其仍是點對點的采集和控制方式，另外采用光網(wǎng)絡設備成本高，維護難度大，監(jiān)測中心相對固定，組建大型監(jiān)控網(wǎng)絡比較困難。
由此可知，按照上述兩種監(jiān)測方式建立的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)都是單一的專用系統(tǒng)，即某監(jiān)測系統(tǒng)只對某一特定橋梁進行監(jiān)測，無法組建大型的監(jiān)控網(wǎng)絡。
近年來，在工程理論上又提出了一種新的橋梁監(jiān)測方法，這種方法的核心思想是：每個監(jiān)測點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，連接到因特網(wǎng)，再通過路由器連接監(jiān)測中心計算機。通過這種網(wǎng)絡連接方式，監(jiān)測中心計算機可異步地同時與多個監(jiān)測點建立數(shù)據(jù)傳輸連接，實現(xiàn)多點監(jiān)測和控制。同時監(jiān)測中心計算機的數(shù)據(jù)處理單元采用多線程的方式，實現(xiàn)多任務數(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)測方法，若多座橋梁采用相同的組網(wǎng)設備和技術可組建新的大型監(jiān)控網(wǎng)，實現(xiàn)多座橋梁的監(jiān)測，否則只能在理論上是可行的，原因是：采用這種新的監(jiān)測方法組建零散分布下多座橋梁的大型監(jiān)測系統(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)絡的接口和通信協(xié)議。實際應用中，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施的。
2 軟層面的設計思路
從軟層面實現(xiàn)多個不同橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉換、傳輸和通信，典型的方法是在公用通信網(wǎng)絡上架設軟通信平臺，由軟通信平臺提供各種子系統(tǒng)的適配接口、協(xié)議轉換和遠程數(shù)據(jù)傳輸功能。這種軟通信平臺又稱軟總線平臺，圖1顯示了橋梁監(jiān)測中軟總線平臺的一種可行系統(tǒng)架構。
軟總線平臺包括硬件接口單元、軟總線內核和應用接口單元。硬件接口單元包括各種硬件接口驅動程序，將從外部硬件接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到所述軟總線內核單元，并將從所述軟總線內核單元接收的操作命令發(fā)送到外部硬件。軟總線內核包括多線程任務調度、消息隊列處理等功能單元，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。應用接口單元提供了外部橋梁監(jiān)測人機操作界面對所述軟總線單元的訪問接口，將從軟總線內核接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部橋梁監(jiān)測人機操作界面，并將從外部橋梁監(jiān)測人機操作界面接收的操作命令發(fā)送到軟總線內核。
為了實現(xiàn)分布式遠程控制，軟總線平臺應具有標準的TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡功能模塊,該模塊提供標準的網(wǎng)絡應用API接口和網(wǎng)絡接口硬件驅動，用于本地控制計算機和遠程控制計算機之間的通信。為了實現(xiàn)多個不同技術的橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的接入，軟總線平臺具有支持各種橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)接入的硬件驅動和適配接口；另外，為了使新的橋梁監(jiān)測技術能簡便地集成到本系統(tǒng)，軟總線平臺具有支持各種外部硬件系統(tǒng)無縫集成和外部橋梁監(jiān)測軟件二次開發(fā)的標準API接口。進一步地，可在軟總線平臺設計分布式數(shù)據(jù)存儲接口，實現(xiàn)大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的本地存儲和分布式處理。
3 多點分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)
基于軟總線平臺的多點分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，包括多個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)、軟總線平臺和具有數(shù)據(jù)處理單元的監(jiān)測中心計算機，如圖2所示。橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(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算機。軟總線平臺包括安裝和運行在本地控制計算機和監(jiān)測中心計算機上的軟總線單元。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)并轉發(fā)到本地控制計算機，本地控制計算機安裝并運行軟總線單元，將接收到的數(shù)據(jù)通過軟總線單元轉發(fā)到監(jiān)測中心計算機，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)測中心計算機是通過軟總線平臺與智能控制單元通信的，軟總線平臺上本地控制計算機和監(jiān)測中心計算機的各個軟總線單元是通過互聯(lián)網(wǎng)絡（Internet、移動網(wǎng)絡等）相通信的，所以監(jiān)測中心計算機不必固定，多個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)也可以分布在互聯(lián)網(wǎng)絡遍及的地方，只要橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的本地控制計算機與監(jiān)測中心計算機能夠相互通信，即可在本地控制計算機和監(jiān)測中心計算機上布設軟總線平臺，整個監(jiān)測系統(tǒng)就能在軟總線平臺上實現(xiàn)通信。
系統(tǒng)的主要特點如下：
（1）基于軟總線平臺的分布式遠程網(wǎng)絡控制技術，采用軟總線提供的開放式軟件架構，通過總線核分離上層監(jiān)測軟件和底層現(xiàn)場監(jiān)測系統(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)場總線技術。基于軟總線的標準網(wǎng)絡接口（如Ethernet），將高層橋梁監(jiān)測軟件和底層各種類型的橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)通過網(wǎng)絡互聯(lián)起來，通信基于TCP/IP協(xié)議棧，從而實現(xiàn)多座橋梁設施的松耦合分布式遠程監(jiān)測。
（2）已建的、在建的各種類型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)都可以通過軟總線平臺納入到整個監(jiān)測系統(tǒng)，組建大型監(jiān)測網(wǎng)絡，實現(xiàn)一個城市或區(qū)域橋梁設施的松耦合分布式遠程監(jiān)測。
（3）在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中引入軟通信平臺，突破了傳統(tǒng)的單一專用橋梁監(jiān)測系統(tǒng)和目前基于標準網(wǎng)絡接口的遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，可節(jié)約監(jiān)控成本，提高監(jiān)控效率和性能，實現(xiàn)一個城市或區(qū)域多座路橋設施的分布式一體化集中監(jiān)控。
4 建立實驗測試系統(tǒng)
采用LabMap軟總線[5]建立具有兩個橋梁監(jiān)測子系統(tǒng)的實驗測試模型。
LabMap是一種工業(yè)控制軟總線，具有兩個層次的抽象接口：應用軟件接口和硬件驅動接口。LabMap軟總線支持網(wǎng)絡功能，它將整個網(wǎng)絡功能抽象成一個高度優(yōu)化的網(wǎng)絡接口。
實驗測試系統(tǒng)中兩個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的設備，主要有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場總線系統(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)場總線采用Wago現(xiàn)場采集總線系統(tǒng)，傳感器主要采用北京基康的振弦式橋梁監(jiān)測傳感器。
實驗系統(tǒng)的硬件設備還包括聯(lián)網(wǎng)設備和控制PC（運行軟總線LabMap及HMI），各硬件系統(tǒng)設備互聯(lián)方式。
（1）交換機、本地控制PC1、Wago現(xiàn)場總線采集系統(tǒng)和各種橋梁監(jiān)測傳感器聯(lián)網(wǎng)組成橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(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)場總線采集系統(tǒng)之間基于標準的Modbus/TCP通信，通信接口為標準的以太網(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)測傳感器組成橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(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）兩個橋梁監(jiān)測子系統(tǒng)和遠端控制PC通過路由器實現(xiàn)互聯(lián)，各端口配置不同網(wǎng)段，組成分布式網(wǎng)絡，以模擬實際的網(wǎng)絡應用環(huán)境。
本實驗系統(tǒng)不僅可對各個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)的應變、應力、溫度、位移、傾斜等物理特性進行本地實時監(jiān)測，也可從遠程監(jiān)控終端實現(xiàn)對兩個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)的分布式監(jiān)測及基于Internet的數(shù)據(jù)共享和對比分析。
如在遠端PC對子系統(tǒng)1的應變進行監(jiān)測，采用GK-4200型應變計。其采集值和工程應變量的轉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為初始測量值，R1為當前測量值，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/℃。測試結果略。
橋梁在運行期間由于會受到氣候、氧化、腐蝕或老化等因素,及長期在恒載或活載的作用下遭受損壞，其強度和剛度會隨時間的增加而降低，這不僅影響了安全行車，更會使該橋的使用壽命縮短。因此對橋梁的健康狀況進行實時監(jiān)測和長期統(tǒng)計分析具有重要的意義。
為了減少城市或區(qū)域內多座橋梁設施的監(jiān)控維護成本，提高監(jiān)控能力，對多座橋梁實施松耦合分布式遠程監(jiān)控是一個可行的途徑。但目前已建立的單一橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)采用了不同的監(jiān)控技術和網(wǎng)絡結構，直接通過某種硬件設備適配實現(xiàn)互聯(lián)，難度高，代價大。在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中引入軟通信平臺，利用軟通信平臺提供現(xiàn)有各種橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的不同技術接口和統(tǒng)一的通信平臺，可實現(xiàn)各種不同橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)的分布式接入和集中監(jiān)控。通過實驗網(wǎng)絡測試證明，基于軟總線LabMap的多點分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)是一種可行的實現(xiàn)方案。
