一种新型多点分布式远程桥梁监测系统研究

摘  要： 近年来提出的一些桥梁监测系统，如基于无线传感网络的桥梁监测系统，基于多点轮询的零散状态桥梁监测系统等，适用于采用同种技术构建零散状态下的大型监测系统，但对于不同的桥梁监测技术或与现有桥梁监测系统的兼容性仍有很大问题，可操作性较弱。在桥梁监测系统中引入软通信平台，利用软通信平台提供现有各种桥梁监测现场系统的不同技术接口和统一的通信平台，可实现各种不同桥梁监测现场子系统的分布式接入和远程集中监控，是一种可行的技术途径。

    现有的桥梁监测系统采用的监测方法主要包括利用移动GSM网络建立连接的桥梁监测方式和利用光缆建立连接的桥梁监测方式[1]。这两种方式都是采用专用的传输通道，实施点对点的采集和控制。因此，按照这两种监测方式建立的桥梁监测系统都是单一的专用系统，即某监测系统只对某一特定桥梁进行监测，无法组建大型的监控网络。近年来，工程理论上又提出了一些新的桥梁监测方法，如基于无线传感网络的桥梁监测系统[2-3]，基于多点轮询的零散状态桥梁监测系统[4]等，这些方法适用于采用同种技术构建零散状态下的大型监测系统，但对于不同的桥梁监测技术或与现有桥梁监测系统的兼容性仍有很大问题，可操作性较弱。另外，现有的桥梁监测系统基本上都采用了不同的组网设备、监控技术和网络结构，这不仅需要大量的人力、物力，维护管理上也有很大的困难，对监测情况的统计分析和经验交流也非常不利。实现整个城市或区域多个桥梁的分布式远程监控有利于降低成本，提高监控效率和能力，因此对其进行研究是十分必要的。但基于现有各种桥梁监测系统的不同技术接口，直接互联或采用某种硬件设备实现互联，难度高，代价大，从软层面实现各种不同桥梁监测现场系统的松耦合分布式远程监控是一种可行的解决方法。
1 现有的桥梁监测技术
    现有的桥梁监测系统采用的监测方法除最传统的人工进行数据的测量、记录和处理外，主要包括以下两种方式：利用移动GSM网络建立连接的桥梁监测方式和利用光缆建立连接的桥梁监测方式。采用GSM连接的桥梁监测方式是利用GSM的话音信道建立点对点的数据传输通道，通过监测中心计算机分别控制桥上各采集仪采集数据。此种方法，数据中心同一套设备在同一时间只能采集一座桥梁或一个采集仪连接的传感器数据。而且对总线上的设备控制也是点对点的控制方式，故数据采集的速度慢，操作繁琐。数据传输的方法基于移动网络的专用信道，费用高，使用不方便。利用光缆建立连接的桥梁监测方式，实际上是采用专用光缆或租用电信公用光缆代替了第1种方式中的移动GSM网络，使中间的传输网络更可靠、传输速率更高。但其仍是点对点的采集和控制方式，另外采用光网络设备成本高，维护难度大，监测中心相对固定，组建大型监控网络比较困难。
　 由此可知，按照上述两种监测方式建立的桥梁监测系统都是单一的专用系统，即某监测系统只对某一特定桥梁进行监测，无法组建大型的监控网络。
　 近年来，在工程理论上又提出了一种新的桥梁监测方法，这种方法的核心思想是：每个监测点的智能控制单元通过数据传输单元和通信基站接入GPRS或者CDMA网络，连接到因特网，再通过路由器连接监测中心计算机[4]。通过这种网络连接方式，监测中心计算机可异步地同时与多个监测点建立数据传输连接，实现多点监测和控制。同时监测中心计算机的数据处理单元采用多线程的方式，实现多任务数据采集和数据处理。在桥梁零散分布情况下，采用这种新的监测方法，若多座桥梁采用相同的组网设备和技术可组建新的大型监控网，实现多座桥梁的监测，否则只能在理论上是可行的，原因是：采用这种新的监测方法组建零散分布下多座桥梁的大型监测系统，若采用的多种采集仪的上行物理接口或通信协议不同，则要求采用多种智能控制单元与不同的采集仪进行物理接口适配和通信协议适配；同样，智能控制单元的上行物理接口和通信协议不同，则要求数据传输单元下行具备不同的物理接口和通信协议，而数据传输单元的上行都是统一的接入GPRS或CDMA网络的接口和通信协议。实际应用中，需要各种数据传输单元是非常困难的，因此这种情况下这种方式是无法实施的。
2 软层面的设计思路
　 从软层面实现多个不同桥梁监测现场子系统之间的数据转换、传输和通信，典型的方法是在公用通信网络上架设软通信平台，由软通信平台提供各种子系统的适配接口、协议转换和远程数据传输功能。这种软通信平台又称软总线平台，图1显示了桥梁监测中软总线平台的一种可行系统架构。

　 软总线平台包括硬件接口单元、软总线内核和应用接口单元。硬件接口单元包括各种硬件接口驱动程序，将从外部硬件接收的数据发送到所述软总线内核单元，并将从所述软总线内核单元接收的操作命令发送到外部硬件。软总线内核包括多线程任务调度、消息队列处理等功能单元，将从硬件接口单元接收的数据发送到应用接口单元，并将从上层接口单元接收的操作命令发送到硬件接口单元。应用接口单元提供了外部桥梁监测人机操作界面对所述软总线单元的访问接口，将从软总线内核接收的数据发送到外部桥梁监测人机操作界面，并将从外部桥梁监测人机操作界面接收的操作命令发送到软总线内核。
　 为了实现分布式远程控制，软总线平台应具有标准的TCP/IP协议网络功能模块,该模块提供标准的网络应用API接口和网络接口硬件驱动，用于本地控制计算机和远程控制计算机之间的通信。为了实现多个不同技术的桥梁监测现场系统的接入，软总线平台具有支持各种桥梁监测现场系统接入的硬件驱动和适配接口；另外，为了使新的桥梁监测技术能简便地集成到本系统，软总线平台具有支持各种外部硬件系统无缝集成和外部桥梁监测软件二次开发的标准API接口。进一步地，可在软总线平台设计分布式数据存储接口，实现大型桥梁监测系统监测数据的本地存储和分布式处理。

3 多点分布式远程桥梁监测系统
　 基于软总线平台的多点分布式远程桥梁监测系统，包括多个桥梁监测现场系统、软总线平台和具有数据处理单元的监测中心计算机，如图2所示。桥梁监测现场系统包括安装在桥梁上的传感器、采集仪、智能控制单元以及与智能控制单元相连的本地控制计算机。软总线平台包括安装和运行在本地控制计算机和监测中心计算机上的软总线单元。采集仪采集传感器的数据，智能控制单元接收采集仪采集的数据并转发到本地控制计算机，本地控制计算机安装并运行软总线单元，将接收到的数据通过软总线单元转发到监测中心计算机，数据处理单元根据接收到的数据执行具体的数据处理操作。监测中心计算机是通过软总线平台与智能控制单元通信的，软总线平台上本地控制计算机和监测中心计算机的各个软总线单元是通过互联网络（Internet、移动网络等）相通信的，所以监测中心计算机不必固定，多个桥梁监测现场系统也可以分布在互联网络遍及的地方，只要桥梁监测现场系统的本地控制计算机与监测中心计算机能够相互通信，即可在本地控制计算机和监测中心计算机上布设软总线平台，整个监测系统就能在软总线平台上实现通信。

    系统的主要特点如下：
    (1)基于软总线平台的分布式远程网络控制技术，采用软总线提供的开放式软件架构，通过总线核分离上层监测软件和底层现场监测系统通信协议，支持新的硬件系统和软件系统的无缝集成,支持多种现场总线技术。基于软总线的标准网络接口(如Ethernet)，将高层桥梁监测软件和底层各种类型的桥梁监测现场系统通过网络互联起来，通信基于TCP/IP协议栈，从而实现多座桥梁设施的松耦合分布式远程监测。
    (2)已建的、在建的各种类型桥梁监测系统都可以通过软总线平台纳入到整个监测系统，组建大型监测网络，实现一个城市或区域桥梁设施的松耦合分布式远程监测。
    (3)在桥梁监测系统中引入软通信平台，突破了传统的单一专用桥梁监测系统和目前基于标准网络接口的远程桥梁监测系统，可节约监控成本，提高监控效率和性能，实现一个城市或区域多座路桥设施的分布式一体化集中监控。
4 建立实验测试系统
　 采用LabMap软总线[5]建立具有两个桥梁监测子系统的实验测试模型，如图3所示。

　 LabMap是一种工业控制软总线，具有两个层次的抽象接口：应用软件接口和硬件驱动接口。LabMap软总线支持网络功能，它将整个网络功能抽象成一个高度优化的网络接口[6]。
　 实验测试系统中两个桥梁监测现场系统的设备，主要有数据采集系统、现场总线系统和各类振弦式传感器，数据采集系统采用DataTaker DT80g智能采集系统，现场总线采用Wago现场采集总线系统，传感器主要采用北京基康的振弦式桥梁监测传感器。
　 实验系统的硬件设备还包括联网设备和控制PC(运行软总线LabMap及HMI)，各硬件系统设备互联方式如图3所示。
    (1)交换机、本地控制PC1、Wago现场总线采集系统和各种桥梁监测传感器联网组成桥梁监测现场子系统1。该子系统采用10.10.10.0/24网段。本地控制PC和Wago现场总线采集系统之间基于标准的Modbus/TCP通信，通信接口为标准的以太网口。
    (2)DT80g智能型数据采集器、本地控制PC2和各种桥梁监测传感器组成桥梁监测现场子系统2。该子系统采用20.20.20.0/24网段。DT80g通过RS485串行口连接控制PC，通信方式为串行通信。
    (3)两个桥梁监测子系统和远端控制PC通过路由器实现互联，各端口配置不同网段，组成分布式网络，以模拟实际的网络应用环境。
　 本实验系统不仅可对各个桥梁监测现场子系统的应变、应力、温度、位移、倾斜等物理特性进行本地实时监测，也可从远程监控终端实现对两个桥梁监测现场子系统的分布式监测及基于Internet的数据共享和对比分析。
    如在远端PC对子系统1的应变进行监测，采用GK-4200型应变计。其采集值和工程应变量的转换的理论和修正公式如式(1)和式(2)，修正考虑了弦初始状态和温度的影响。

 

其中，R₀为初始测量值，R₁为当前测量值，G_f为理论系数3.304，C_F1为用于振弦仪器的钢材温度膨胀系数12.2 uε/℃。测试结果略。
    桥梁在运行期间由于会受到气候、氧化、腐蚀或老化等因素,及长期在恒载或活载的作用下遭受损坏，其强度和刚度会随时间的增加而降低，这不仅影响了安全行车，更会使该桥的使用寿命缩短。因此对桥梁的健康状况进行实时监测和长期统计分析具有重要的意义。
    为了减少城市或区域内多座桥梁设施的监控维护成本，提高监控能力，对多座桥梁实施松耦合分布式远程监控是一个可行的途径。但目前已建立的单一桥梁健康监测系统采用了不同的监控技术和网络结构，直接通过某种硬件设备适配实现互联，难度高，代价大。在桥梁监测系统中引入软通信平台，利用软通信平台提供现有各种桥梁监测现场系统的不同技术接口和统一的通信平台，可实现各种不同桥梁监测现场子系统的分布式接入和集中监控。通过实验网络测试证明，基于软总线LabMap的多点分布式远程桥梁监测系统是一种可行的实现方案。