硕士论文-大型建筑结构安全远程监控系统中的数据传输方法研究

宁波大学硕士学位论文大型建筑结构安全远程监控系统中的数据传输方法研究摘 要对大型建筑结构安全进行远程监控是避免其发生灾难性事故的重要手段之一，其方法主要是运用现代传感与通信技术，通过实时获取结构状态数据和各种环境信息，对大型建筑运营阶段的结构响应与性态行为进行远程监测，并分析评估其结构的健康状态、提供相应的决策支持。本文主要研究大型建筑结构安全远程监控系统中的数据传输方法，在研究其数据交换特点的基础上提出了多优先级数据发送缓存队列的核心交换机制，在考察了各种监控现场的通信条件、分析了各种通信技术特征的基础上提出了混合使用多种或多个通信信道进行数据传输的混合通信机制，进而提出了一种适用于大型建筑结构安全远程监控系统的混合通信技术。本文采用层次式架构设计和开发了这种混合通信技术及其通信协议，通过组合使用多种或多个现有的公用通信系统中成熟、商用和低成本的通信信道，可以为不同通信条件和通信要求的远程监控应用构建混合数据交换信道。混合通信协议的功能应用层在提供远程监控系统基本功能的同时提供了一个开放的接口规范，可供不同类型的工程进行扩展使用，其数据交换层的核心是一个多优先级数据发送缓存队列以实现备用、冗余和并行等多种数据交换的工作模式，同时其通信接口层内置了统一的可靠性和安全性设计，可以在不可靠和不安全的通信信道及各种恶劣通信环境下实现监控指令与监控数据的有效、可靠交换，并具有防破坏、防窃听和防重放攻击等安全特性。采用JAVA技术开发实现使得本文所述的混合通信协议具有平台无关性，可以在不同类型的远程监控和数据采集系统中推广应用。对开发好的协议进行详细的功能和性能测试与分析后，在某大桥结构损伤远程监控系统中对该技术进行了实践应用，初步证明该协议在大型建筑结构安全远程监控系统中的适应性、有效性、可靠性和安全性。关键词：远程监控， 混合通信， 通信协议， 可靠性， 安全性Research on Data Transmission in Remote Monitoring System of Large Constructions Structural SafetyAbstractRemote monitoring for large constructions structural safety is one of the important means to avoid the occurrence of disastrous accidents. It can use modern technique of sensor and communication to acquire real time structural state and various environmental informations of large constructions structural, and monitor its response and behavior during its operation. It also analyses and evaluates this construction structural health to provide corresponding decision support.This paper makes a research on data transmission in remote monitoring system of large constructions structural safety. With profound analyzing on the features of data exchange, a core exchange mechanism is put forward, which supports multiple priority data buffer queues. Based on the investigation of the communication conditions in various monitor systems and analyses the characteristic of each communication technology, a hybrid communication mechanism is presented, which mixes multiple modes or links for data transmission. And then we propose a hybrid communication approach rendered for the use in remote monitoring system of large constructions structural safety.This thesis uses the hierarchy schema framework to design and develop such hybrid communication technology and its communication protocols. Based on the various mature, commercial and low cost communication networks, the proposed technique can scheme multiple communication modes and links to apply hybrid data exchange channels under the different communication conditions and meet the given requirements. The application functions layer of hybrid communication protocol provides the foundational functions of remote monitoring system, at the same time, it offers an open interface standards for expanding in different types of engineerings. The core of data exchange layer is a multiple priority data transmission buffer queue that can offer standby, redundancy and parallel modes. In unreliable and insecure communication channels, the communication interface layer has a build-in unified mechanism to assure monitoring commands and data exchanging effectively and reliably, also it can run under various poor communication environments, having breakage-proof, anti-bugging and anti-replaying.The hybrid communication protocol has been implemented with Java technology which is independent of platform, and it can be spread into different application of remote monitoring and data acquisition system. After testing on the functions and performance of this protocol, it has been used in remote monitoring system of one bridge structural damage for the practice. The adaptability, validity, reliability and security of this protocol have been preliminarily shown in remote monitoring system of large constructions structural safety.Key Words：Remote Monitoring， Hybrid Communication， Communication Protocol， Reliability， Safety- III -目 录引 言11 绪论21.1 研究背景21.1.1 大型建筑结构安全远程监控的意义21.1.2 国内外研究现状31.2 大型建筑结构安全远程监控系统及其关键技术51.2.1 一般性结构51.2.2 系统架构技术61.2.3 传感器和传感网络技术71.2.4 数据传输技术81.3 数据传输技术研究的重要性91.3.1 数据传输的质量要求91.3.2 目前存在的主要问题101.4 本文的研究工作与内容结构112 大型建筑结构安全远程监控系统中的数据传输132.1 大型建筑结构安全远程监控系统数据通信的特点132.2 现有数据传输技术分析142.2.1 一般性数据通信方式142.2.2 常规商用数据通信手段152.2.3 现有技术的适应性分析162.2.4 数据传输协议分析182.3 大型建筑结构安全远程监控混合通信技术的提出192.3.1 混合通信技术的提出原因192.3.2 混合通信技术的设计思想202.4 混合通信技术的数据传输能力分析222.4.1 混合通信交换队列性能分析222.4.2 Internet传输的时延影响242.4.3 接入信道的时延影响272.4.4 SMS传输的时延影响282.5 本章小结303 大型建筑结构安全远程监控混合通信协议的设计313.1 协议层次设计313.1.1 分层原则313.1.2 层次结构313.1.3 层间接口333.2 通信接口层设计343.2.1 功能子层划分343.2.2 MPacket协议数据单元结构353.2.3 数据传输可靠性设计363.2.4 数据传输安全性设计383.3 数据交换层设计423.3.1 功能和设计思路423.3.2 队列管理433.3.3 MData协议数据单元结构443.4 功能应用层设计453.4.1 协议开放性453.4.2 MMessage协议数据单元结构453.4.3 功能应用层主要监控指令463.5 本章小结474 混合通信协议的开发实现494.1 协议开发实现494.1.1 开发语言的选择494.1.2 开发框架的选择504.1.3 开发模式选取514.2 协议软件组成与结构524.2.1 ApplicationFunctionLayer包524.2.2 DataExchangeLayer包534.2.3 CommunicateInterfaceLayer包554.3 协议核心功能的实现584.3.1 队列管理584.3.2 数据交换层发送和接收管理594.3.3 协议可靠性的实现614.3.4 协议安全性的实现674.3.5 子信道接口714.4 本章小结745 混合通信协议测试分析与应用765.1 一致性测试和互操作测试765.1.1 协议测试原理765.1.2 协议功能测试805.2 协议性能测试分析845.2.1 数据载荷对RTT影响的测试与分析845.2.2 安全性处理对RTT影响的测试与分析875.2.3 网络负载对RTT影响的测试与分析885.3 混合通信协议的应用实践915.3.1 工程背景915.3.2 系统构架935.3.3 运行状况955.4 本章小结986 结论996.1 本文总结996.2 进一步的工作100参考文献102附录A 多优先级缓存队列性能计算106在学研究成果110致 谢111宁波大学硕士学位论文引 言桥梁、隧道、抗洪工程、海防工程、水利工程和高等级公路等是具有重大社会、经济、政治乃至军事意义的大型建筑，为保障其正常运营和服务、防止结构灾害事故的发生，需要对其进行有效的结构安全远程监控。远程数据传输技术是实现远程数据采集和监控的关键技术，它决定了系统的实时性、可扩展性、通用性、稳定性和可靠性等质量指标，也将影响系统的建设、运营和维护成本等经济指标。目前拥有多种通信技术和商用通信网络，但还不能完全适应大型建筑结构安全远程监控系统数据通信的要求。以Internet为例，由于网络结构复杂、安全性和可靠性无法达到较高的质量，单纯依赖以IPv4协议为核心的Internet进行远程数据通信时，对水库大坝、大型桥梁1和电力设备等涉及公共利益、可靠性和安全性要求较高的远程监控存在很大的风险。而且，不同的远程监控系统传输的数据量、数据密度、对可靠性和安全性的要求、所拥有的网络接入条件也各不相同，尤其是很多大型建筑地处边远、监控范围较大、通信条件有限、网络布设较困难，依赖于单一通信信道的系统容易因信号干扰、网络覆盖质量和网络拥塞等因素引起链路中断，影响应用系统的有效性和可用性，甚至容易引发重大事故。因此，如何在有限条件下合理保障大型建筑远程监控的数据传输质量，是保证大型建筑远程监控质量的一个重要因素。本文的目标是为大型建筑结构安全远程监控系统提供一个数据传输的有效解决方案，或者提出一种新的技术和方法，能够根据监控现场的通信条件灵活选用现有公用通信系统中成熟的、商用的通信手段，或者组合使用多种通信方式或多个信道的通信链路，并利用协议软件增强其数据传输能力、提高通信网络的可靠性和安全性等质量指标，以便在不可靠的通信环境中实现安全和可靠的监控数据交换和传输。本文最终提出了一种适用于大型建筑结构安全远程监控的混合通信技术，并采用层次式架构开发和实现了相应的混合通信协议，该技术和协议也可以推广应用于其他类似的远程数据采集和远程监控系统中，具有很强的实用性和应用价值。1 绪论1.1 研究背景1.1.1 大型建筑结构安全远程监控的意义我国是目前世界上经济发展速度最快的国家之一，每年基础设施建设的投入都占到国民生产总值的较大比例。其中，2003年至2006年间基础产业和基础设施建设固定资产投资总额为120271亿元，是1978年到2002年的近两倍，年均增长26.1，比同期国民经济年均增速高15.7个百分点。以道路和桥梁设施的建设为例，根据国家统计局2007年公布的最新数据，2003年至2006年新建公路21.78万公里、改建公路40.65万公里，公路里程由2002年的177万公里增至2006年的346万公里，增长13.0%（2006年含农村公路，增长速度按可比口径计算），其中高速公路由2.51万公里增至4.53万公里，增长80.5%，公路等级明显提高，路况明显改善。截至2006年底，全国公路桥梁达53.36万座、2039.91万延米，其中特大桥梁1036座、171.45万延米，大桥30982座、638.58万延米，比上年增加了218座、153.38万延米。这些基础设施的建设和完工为保证国民经济持续稳定发展、改善人民物质和文化生活条件发挥了巨大的作用。然而，重大建筑结构和基础设施，如桥梁2、隧道、油井、煤矿、水库大坝和高速公路等，其服役期长达几十年甚至上百年，在地质、环境变动以及超负荷运行情况下容易引起结构损伤和结构疲劳，在环境腐蚀与材料老化等不利因素耦合作用下也不可避免地产生损伤累积，影响其设计寿命和服务能力，甚至引发突发事故、给国家带来严重的经济损失和社会灾害。历史上发生过多起油井3事故，均造成巨大的经济损失和人员伤亡，比较著名的有：1965年英国北海的“海上钻石”号钻井平台支柱拉杆脆性断裂导致平台沉没、1969年我国渤海2号平台被海冰推倒造成直接经济损失2000多万元、1980年北海Ekofisk油田的Alexander L Kielland号五腿钻井平台发生倾覆导致122人死亡等。大型桥梁建筑也是事故频发，如1994年韩国汉城的圣水大桥断塌、1998年宁波大桥在施工过程中主跨折断、1999年重庆彩虹大桥突然倒塌、2000年台湾高屏大桥突然断为两截，2007年在不到两个月时间内全世界发生四起重大桥梁倒塌事故：8月1日美国密西西比河大桥发生跨塌数十辆汽车掉进河里并有多人遇难、8月中旬中国湖南一座在建的桥梁发生倒塌造成人员伤亡、9月1日巴基斯坦卡拉奇一座高架桥发生倒塌造成多人伤亡、9月下旬越南南部湄公河三角洲最长的一座大桥芹苴大桥发生坍塌数十人遇难等等。煤矿、公路、隧道和水库大坝4等大型建筑一旦发生事故也极易形成灾难，不仅会造成重大的人员伤亡和经济损失，而且会产生极坏的社会影响，甚至威胁到国计民生和国防安全。虽然这些大型建筑事故发生前常会出现漏洞、塌陷或开裂等症状，但由于缺乏实时有效的监测预警系统，仍难避免事故的发生。为了保障大型建筑正常工作、防止因结构受损或老化而造成重大公共安全事故，需做好其结构特性的定期或实时测量、监视和控制，并建立起相应的数据分析模型和预警体系。传统的大型建筑结构保障体系以人工定期检测为主要特征，测试手段虽然不断进步，但仍有其固有缺陷。人工检测一般需要预先知道损伤发生的大概位置，因此不易发现某些重要结构的内部损伤，也无法检测人员和设备难以到达的部位或有一定危险性的现场，而且检查结果需要专业人员解释判断，带有很大的主观性。此外，人工检测有一定的滞后性，分析判断周期较长不能应付突发事件，难以为大型建筑管理部门及时提供决策依据。大型建筑结构安全远程监控技术5的兴起为大型建筑的安全保障提供了强有力的手段，可以克服人工检测的滞后性和低效性、实时掌握大型建筑现场的运行状况、有利于大型建筑管理部门进行合理的运行管制，可以及早发现建筑结构病害、确定建筑结构损伤部位并进行定性和定量分析、为维修养护和管理决策提供依据和指导，可以在大型建筑运营状况严重异常时触发预警信号、有效预防安全事故、保障人民生命财产的安全，可以验证大型建筑结构的设计模型和计算假定、提高人们对大型复杂结构的认识，为实现大型建筑结构的“虚拟设计”奠定基础。1.1.2 国内外研究现状鉴于大型建筑结构事故的灾难性后果，结构安全远程监控已成为国际上的研究热点，其方法主要是运用现代传感技术与通信技术，通过实时获取结构状态和环境信息的各种数据，远程监测建筑运营阶段的结构响应与性态行为，并依靠智能分析软件评估大型建筑结构的安全状态，并提供相应的决策支持。近些年来，许多国家和地区在大型建筑结构上尝试着布设了监测系统，坚持常年的检测并逐步完善之。以桥梁为例，目前超大跨度桥梁6设计中许多问题有待进一步研究，由运营中的大桥结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究的补充，而且可以提供有关环境桥梁结构行为与环境规律的最真实的信息。美国80年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，如佛罗里达州Sunshine Skyway Bridge桥上安装了500多个传感器，英国80年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查和比较了多种长期监测系统的方案优缺点。目前，桥梁健康监测的研究主要集中于测点优化布置、振动模态识别、结构状态特征提取、结构整体性评估、异常诊断与损伤识别以及海量数据流处理等方面，取得了一定的进展，然而面对大跨度桥梁，国际上至今还没有公认有效的利用测量信息诊断桥梁损伤或健康状态的方法。我国的许多专家学者也充分认识到结构安全监控的必要性，并吸收发达国家的经验教训，不仅在现有的部分大型建筑中布设传感器和传感网络进行监测，还将结构安全远程监控与建筑施工、竣工结合起来，在施工过程中就布设耐久性与稳定性优良的智能传感器，为建筑结构的远程监控提供长期有效的动态数据。如1997年香港青马大桥的桥梁结构健康监测系统通过设在大桥不同位置的各类传感器系统收集大桥结构反应和大桥工作环境变化信息，从传感器采集到的数据首先传送到三台分别位于大桥两侧由微电脑控制的信息收集站进行信息收集及初步处理，经过数位/类别转换后通过光纤网络将信息转送至信息处理和分析系统上，进行信息收集、处理、分析及储存。在大坝监测方面，蔡顺德等于2002年4月开始用分布式光纤监测三峡工程大块体混凝土的水化热过程，有效地获取了三峡大坝的温度场监测信息；2003年瞿伟廉等在深圳某大厦的屋顶部分安装了一套健康监测系统，该系统由传感器子系统和结构分析子系统组成，传感器子系统包括光纤传感器、应变片、风速仪、风压计和加速度传感器、负责测量屋顶部分的风压和反应，结构分析子系统在监测得到的结构反应数据基础上可以进行屋顶结构的损伤识别、模型修正和安全评定，所有监测的信号均存储在数据库中，数据库通过局域网和互联网实现远程传输。工程应用的需求和大量的实践使得大型建筑结构安全远程监控取得了长足的进步，但是目前世界上尚没有建立一个完全满足结构安全需要的长期监控系统7，究其原因主要归于以下几点：其一，大型建筑结构远程监控一般基于各种软件架构技术开发，但是由于体系架构标准化和开放性不足，不容易扩充和推广、运行维护成本较高；其二，所使用的通信技术依赖于单一的网络协议和单一链路的通信网络，无法为不同远程监控系统提供更多、更灵活的通信链路选择，而且传输可靠性和安全性无法完全得到保障，或者需要很高的成本代价；其三，大型建筑结构体积大、跨度长、分布面广、使用期限长，传统的传感设备组成的监测系统的性能稳定性、耐久性和分布范围都不能很好地满足实际工程的需要；其四，大型建筑结构多样、环境复杂，很难采用统一的模型或标准进行监测和分析，不同建筑的监测重点也各不相同、并随着时间的推移动态变化。虽然这些年来先进传感元件和传感网络技术得到了快速发展，但由于成本过高只能作一些尝试性研究或小范围关键场合的应用。结合智能材料与结构、计算机技术、传感网络等学科的迅猛发展，并充分考虑大型建筑的客观需要，大型建筑结构安全远程监控研究的重要领域和发展方向8主要包括：1、先进的智能传感元件及分布式、大规模传感网络；2、嵌入式、无线化的数据采集下位机；3、多参量、多传感元件监测数据智能处理与数据融合9技术；4、结构安全远程监控系统的合理架构和开发技术；5、结构安全实时监测数据的分析与决策支持技术；6、结构安全远程监控系统数据传输的可靠性和安全性研究；7、结构安全远程监控系统自适应、低成本数据传输技术。1.2 大型建筑结构安全远程监控系统及其关键技术1.2.1 一般性结构一般大型建筑远程监控系统10架设在一个地理位置分散的广域通信网络上，可以分解为监控中心系统、现场的监测点子系统、数据传输子系统和远程的监控查询子系统。其中，监控中心系统提供数据分析处理和存储功能并可以通过数据传输子系统向监测点子系统发出监控指令，监测点子系统处理监控指令并读取传感监测数据，监控查询子系统则可以在任何远程位置查询各监控点的状态，数据传输子系统主要负责各类监控指令和数据的有效传输。监测点子系统主要承担监测数据的采集、存储和传输等功能，对监控指令主要承担传输、命令解析、监测仪器动作控制等功能。为完成对监测点的数据采集和监视控制功能，监测点子系统大多由上位机和下位机相结合的模式来实现，下位机负责采集现场设备的数据和设备控制，上位机作为后台控制器从不同的下位机收集数据并进行处理和传输。一般，在监测点子系统中为了标识所布设的各类传感器，监控系统首先需要对每一个传感点进行编号，针对每一个传感器配置传感器类型、采集参数和计算参数等数据。这些数据均集中存储在监控中心系统，并通过电子地图数据库将这些传感器监控点和电子地图相关联，监测点子系统初始化时从监控中心系统下载这些配置参数。根据这些配置参数，监测点子系统定时调用各采集模块，并通过各种采集接口采集监控数据，然后对采集到的数据进行预处理和物理量换算。数据采集处理的结果是一组某一时刻的传感数据，通过数据传输子系统将其发送到监控中心系统，数据传输子系统一般由某个特定的通信链路构成，主要用来负责数据和指令的传送。监控查询子系统需要提供系统管理以及维护人员在远程进行查询和控制功能，包括在线电子地图、数值标注、阈值报警和监控指令查询等功能，报警的结果也可以通过短信、邮件等方式进行通知。监控中心系统需要提供相应的中心支持和服务，当监测点子系统上传监测数据后，在监控中心系统进行数据的汇总分析和处理，更新对应监测点的当前状态和数值、追加历史记录，并根据预设的阈值信息进行报警或进行相应的控制响应和处理，还需要为监控查询子系统的各种监视和控制功能提供服务。数据传输子系统需要提供通信信道的接口、监控指令和数据的封装、数据的收发和交互操作、数据可靠性和安全性的保障等功能，要能够根据监控系统环境所拥有的条件、需要的通信指标选择合适的通信信道。1.2.2 系统架构技术一般的远程监控系统由大量的软件和硬件系统组成，需要解决传感系统及其数据采集处理、远程数据传输、后台决策分析、远程监控查询和监控设备驱动等一系列问题，而远程监控系统的架构是其中的关键问题之一，常常决定了远程监控系统中诸多的关键性质量属性，尤其是左右了系统的开发建设和运营维护成本、可靠性和安全性。同时，随着采集设备的多样化，常常需要集成和融合传统电测设备的数据，采集到的数据其格式也各不相同，对不同地点、不同类型、不同时间采集的数据进行融合也需要合理的监控软件和监控网络的架构支持。目前的远程监控系统大多基于客户机/服务器C/S体系结构(或其扩展结构)开发的，早期的2层C/S结构比较适合于在小规模、用户较少、单一数据库且有安全性和快速性保障的局域网环境中运行。随着应用系统的大型化以及用户对系统性能要求的不断提高，近年来已普遍采用三层方式的C/S模式。在C/S架构的基础上，利用浏览器技术在.net平台或Java平台上可以开发基于B/S体系结构11的远程监控系统。在这类架构中，一般监控管理终端采用浏览器实现，作为系统面向用户的窗口为维护操作人员提供实施各类监控操作、管理操作和进行相关数据查询、统计分析与生成统计分析图表操作的人机界面。通过将远程通信和Web技术运用于监控系统中，使地理上分散的监控现场得以统一的管理，同时还运用了数据库技术极大地方便了监控数据的存储和处理。在C/S架构和B/S架构的基础上也很容易开发和构建分布式远程监控系统，在分布式监控系统中各分布式监测点子系统之间以及监测点子系统和监控中心系统之间均采用C/S方式传输监控数据和监控指令，也可以采用分层和分级的方式组织监控中心系统或监测点子系统。同时，为了解决驱动程序对硬件存在着很大的依赖性，一些与微软公司合作的自动化硬件和软件供应商联合制定了一套称为OPC(OLE for Process Contro1) 12规范的接口协议。OPC是以微软公司的OLE/COM 技术为基础，采用C/S模型制定的一种工业控制领域的开放式标准。OPC在工业控制设备与应用软件之间建立了统一的软件接口标准，主要解决监控程序与其数据源的交互问题。利用OPC技术可以构建开放的分布式监控系统，可以实现远程实时数据采集和存储、现场报警处理、历史数据处理等功能。并在远程异构平台上实现对生产过程的远程监测。在此基础上利用通信网络构建的分布式远程监控系统符合OPC规范，可以采用面向对象的Java技术作为分布式计算手段，充分集成了OPC技术与Java技术的优点，具有良好的开放性、可扩展性、平台无关性以及较大的先进性等特点。1.2.3 传感器和传感网络技术大型建筑的监测对象以结构安全的状态信息为主，需要依靠铺设或安置在大型建筑物各个部位的各种传感器系统以及所使用的传感技术，及时准确地将所收集到的各类结构参数信息传送到采集下位机13进行监控数据分析处理。从获取结构的动态信息来看，结构安全监控可分为整体监控与局部监控两大类。整体监控主要获取结构的加速度与位移，这类传感器已经非常成熟，局部监控主要获取结构局部的应力、应变、缺陷、裂缝和温度等。由于大型建筑结构具有体积大，服务周期长等特点，获取这类信息的传统传感元件在稳定性与耐久性上有较高的要求。目前，常用的传感器材料主要有压电材料、形状记忆合金材料和光导纤维材料。其中，由于光导纤维材料具有径细、柔韧、体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰强、能耗少、造价低廉、便于实现分布式和准分布式监测、集信息传输和传感于一体，宽频带和高数据率以及耐高温、抗腐蚀等优良特性，因此在建筑结构监控系统的传感器系统中应用光纤传感器较为理想，其中尤以光纤光栅传感器的性能和功能最为突出。光纤光栅传感器14利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅。同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器在传感网络应用中具有非常明显的技术优势。而且作为传感元件，它有一个最为突出的优点是感应的信息用波长编码，而波长这个绝对参量不受光源功率的波动及连接或耦合损耗的影响。并且，很容易在一根光纤中连续制作多个光栅，与时分复用和波分复用技术相结合，所制得的光栅阵列轻巧柔软，非常适用于作为分布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面，对它们的温度、压力、应变等实现多点监测，且具有较高的灵敏度和测量范围。当然，传统的基于有线技术的传感监控系统有着固有的缺点，其布线复杂、费用巨大，发生灾害时线缆本身受损可能性较大，会影响整个监控系统的有效运行。近年来，随着微处理器、无线通信等关键技术的快速发展和成本降低，使得基于无线网络技术的传感器替代传统基于有线技术的传感器成为可能。通过综合传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够将各类集成化的微型传感器协作地进行实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络15以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，构建出一个功能强、效率高、成本低的分布式传感器系统。随着传感器智能化、低功耗、高可靠、高性能的发展，为远程监控数据采集带来了方便的同时，也增加了数据采集的复杂性和多样性，对远程监控软件体系结构、通信信道和数据传输技术也提出了更高的要求。1.2.4 数据传输技术随着我国基础设施建设规模的不断壮大，需要进行结构安全远程监控的大型建筑数量越来越多，被监控的对象分布也越来越广，不仅分布在城乡各地，有的甚至还地处边远。大型建筑结构安全远程监控系统在应用领域不断开阔的同时，对安全性、可靠性要求也越来越高。数据传输技术16是决定大型建筑结构安全远程监控系统性能的一个关键因素，在大型建筑结构安全远程监控中如果监控数据无法及时传送到监控中心，都无法达到实时监控、预警和调度的目的。因此在选择具体的通信方式时，需要综合考虑系统实时性、容量、覆盖范围、可扩展性、可移动性、通用性、稳定性和可靠性、安全性，同时也要考虑设备和开发、实施、维护及运营成本等因素。随着以互联网和无线移动通信技术为代表的现代通信和网络技术的广泛应用，对分散在不同地点的现场和设备进行实时测量、监视和控制成为可能，而且成本不断下降。宽带互联网络17由于其带宽较宽、接入灵活，选用其作为数据传输手段可以突破传统结构监控仅靠人工目测、外观检测和现场人工静态监测的局限，低成本地实现对大型建筑的动态远程结构监测，并能适应视频监控等数据量大、监控点多的复杂场合，但是互联网的安全性和带宽、延迟等性能指标很难满足质量要求较高的远程监控数据通信应用。1997年1月，首届基于Internet的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制。于此同时，由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于Internet的下一代远程监控诊断示范系统，也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的支持和配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统Testbed。Testbed用嵌入式Web组网、用实时JAVA和BayesianNet初步形成在Internet范围内的信息监控和诊断推理。其他一些大公司也在他们的产品中加入了Internet的功能，如Bently公司的计算机在线设备运行监测系统DataManager2000可以通过网络动态数据交换(NetDDE)的方式向远程终端发送设备运行状态信息，著名的NationalInstruments公司也在它的产品LabWindows/CVI以及LabVIEW中加入了网络通信处理模块，可以通过WWW、FTP、E_mail方式在网络范围内进行监控数据的传送，法国“ALARM”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究并在多个项目中进行了应用。而随着无线通信技术18的迅速发展，基于GSM/SMS、GPRS和CDMA等数字无线移动通信的覆盖范围和通信质量日益完善，也开始应用于远程监控，特别适合于移动监控点、监控范围多变或者难以布线、有线通信网络和宽带接入无法到达的场所，但其带宽较小、抗干扰能力较弱，只适合于要求不太高的场合。卫星远程通信方式因其覆盖范围广，可在全球范围内提供连续准确的结构信息，给通信技术带来了革命性的变化。尽管有众多优点，但由于要花费巨额的固定设施投资和复杂的技术含量，且通信的时延也得不到保证，不适合推广和应用，但可以作为无线传输的一种重要补充手段。1.3 数据传输技术研究的重要性1.3.1 数据传输的质量要求在数字通信中一般使用比特率和误码率来分别描述数据信号传输速率的大小和传输质量的好坏等，在模拟通信中常使用带宽和波特率来描述通信信道传输能力和数据信号对载波的调制速率。一般通信系统中的主要指标包括：1、带宽，在模拟信道中常用带宽表示信道传输信息的能力，带宽即传输信号的最高频率与最低频率之差，理论分析表明模拟信道的带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率也越高。2、比特率，在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示。3、波特率，波特率指数据信号对载波的调制速率，用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特(Baud)，波特率与比特率的关系为：比特率=波特率单个调制状态对应的二进制位数。4、误码率，误码率指在数据传输中的错误率，在计算机网络中一般要求数字信号误码率低于10-6。由于大型建筑结构安全关系到国家、人民的利益，因此监控数据的传输对实时性、可靠性、安全性要求较高，而通信链路是整个系统容量和性能的决定性因素，因此在选择通信方案时必须考虑以下几方面的因素和指标：1、性能指标，包括数据传输带宽、数据传输延时等指标；2、容量指标，包括主要信道覆盖范围、接入节点密度、可移动性等指标；3、可靠性指标，包括接通率、数据丢失率、误码率等指标；4、安全性指标，数据通信安全的能力，要求数据能保密、不易被破坏、篡改和窃听，并可防重发攻击；5、成本指标，包括通信网接入成本，设备、功耗和通信链路使用费用、通信设备维护费用等指标。1.3.2 目前存在的主要问题大型建筑的远程监控主要以结构安全数据的采集、传输和分析为主，其监控点众多、监控数据类型多样、数据结构复杂，一般对带宽的要求不高，但数据传输的可靠性和保密性要求较高。对重要的大型建筑进行远程监控时，其通信链路的可靠性和安全性有特殊要求时，可以采用小型大功率无线电台、远距离光纤专线、卫星通信或微波射频通信等方式传输数据，但是由于其架设和运行成本较高，不易推广使用。并且，一般桥梁、隧道、油井、水库大坝和高速公路等大型建筑距离较偏远、环境恶劣、范围较大、通信条件有限、网络布设较困难。同时，目前可用于测量监控的仪器设备其功能、型号及生产厂家很难统一，支持网络化数据远程采集通信协议也无法统一规范, 系统的兼容性和可扩充性很难保障。移动通信技术19的出现使人类摆脱了长期以来对有线通信线路的依赖和束缚，也解决了网络布设困难的问题，其移动性、便捷性和即时性彻底变革了信息交流的方式，但是移动通信技术在赋予用户通信自由的同时也带来一些不安全因素。由于无线信道是一个开放性信道，容易受到人为的窃听和破坏，通信稳定性也不如有线网络，并且其带宽较小、抗干扰能力较弱，使用范围受到了一定的制约。由于和有线网络的巨大差异，现有众多的数据安全和可靠性保护的方案和技术并不能直接用于无线网络。当采用internet作为数据传输技术的架构时，基于IPv4的TCP/IP协议没有对链路进行保护，网络上存在大量的安全漏洞和恶意攻击，很容易使数据通信在最薄弱的环节泄密或被破坏。同时，由于网络阻塞和通信信号干扰等因素造成单一链路通信出现故障时通信链路中断，直接影响大型建筑的远程监控，甚至引发重大安全事故、带来重大经济损失和人员伤亡、造成恶劣社会影响。远程数据传输技术是实现大型建筑远程监控的关键技术之一，它决定了系统的实时性、稳定性和可靠性等质量指标及建设、运行和维护成本等经济指标。因此，如何在有限条件下合理保障大型建筑远程监控的数据传输质量，是保证大型建筑远程监控质量的一个重要环节。1.4 本文的研究工作与内容结构本课题来自浙江省自然科学基金资助项目方法研究(编号)，主要研究大型建筑结构安全远程监控系统中的数据传输方法。根据大型建筑结构安全远程监控系统中监控指令与监控数据交换和传输的特点及要求，本文对现有的数据传输技术进行了分析、对比研究后，提出了一种适用于大型建筑结构安全远程监控系统的混合通信技术，可以解决现有大型建筑结构安全远程监控中的通信子系统标准化和开放性不足的问题，可以不依赖于单一的网络协议、并支持多个链路的通信网络。该技术采用层次式架构设计，运用现有的各种公用通信系统中成熟、商用和低成本的通信信道，通过灵活组合多种或多个通信信道构建混合通信链路，可以针对不同通信条件和通信要求的应用构建简单、高效和安全的监控数据通信信道，提供备用、冗余和并行等多种工作模式，可以有效的保障在不可靠和不安全通信信道及各种恶劣通信环境中的监控指令与监控数据交换和传输，具有开放性、高效性和可靠性，并具有防破坏、防窃听和防重放攻击等安全特性。同时，本文基于该技术设计了一个用于大型建筑结构安全远程监控数据传输的混合通信协议并用JAVA技术开发实现，在进行一系列的性能和功能测试后在某大桥结构损伤远程监控系统中进行了实践应用。本文组织结构如下：第一章介绍了课题背景和研究现状，确定了研究内容；第二章对大型建筑结构安全远程监控的数据交换要求和现有的数据传输技术进行了分析和对比研究后，提出了混合通信技术，并讨论和分析了混合通信中的数据交换队列模型及性能、各种通信信道传输时延；第三章提出了混合通信协议的层次架构，设计了各层的主要功能和层间接口；第四章，介绍了用JAVA技术开发实现的混合通信协议，对数据交换、可靠性和安全性处理等核心功能的实现进行了分析；第五章，对协议的功能和性能进行了测试、分析，并介绍其在一个示范性工程中的应用；最后一章，对全文进行了总结，展望了本文提出的混合通信技术未来的完善工作和进一步研究的方向。2 大型建筑结构安全远程监控系统中的数据传输2.1 大型建筑结构安全远程监控系统数据通信的特点大型建筑结构20安全远程监控的前提是从监控数据中提取能反映结构特性的参数信息，如应力、应变、温度、速度、加速度、位移等局部或整体信号，再将它们传输到远程监控中心进行数据的分析处理。但是，在不同的建筑结构中监测的部位和数据类型、数据量均有所不同，数据的传输速度、实时性、可靠性等要求也各不相同。1、数据采集频度：以桥梁为例，监测系统按测试的频度可分为定期监测和实时监测：定期监测主要是针对那些变化缓慢、同时也难于进行实时监测的物理量，例如大桥线形、自振频率、振型和斜拉桥的索力等，这些物理量主要反映结构的一些固有力学特征或技术状态；有一些物理量，如桥梁的强迫振动的振动位移、振动加速度、各杆件的动应力等，在有载荷通过时会出现较大变化，且其大小受各种随机因素影响难于预测必须进行实时监测，对于这些物理量可采用触发式数据采集监测。2、数据传输频度：以水库大坝为例，其低频震动信号一般只需一天采集一次数据并传输即可，要允许系统工作在较低的数据交互频度下，以降低通信成本和节约远程系统的电源消耗；而对于重要的、实时监控性能和安全性要求较高的大型建筑需要提高结构监控数据的传输频度，如结构损伤的监控阈值报警数据、远程监控系统中需要下达的紧急指令，其数据交换的频度和实时性要求就比较高，在数据传输时需要体现数据的优先等级。3、可靠性要求：大型建筑结构安全远程监控具有重大社会、经济和政治乃至军事意义，其数据通信的可靠性能一向受到高度重视，特别是在信息战兴起的今天更是如此。监控系统在数据通信过程中需要交换的数据主要有各监控点采集到的监控数据和监控中心发出的监控指令，在数据通信过程中若传输可靠性较低将会引起数据的丢失而无人知晓，其中预警信息的丢失将会增高安全事故的发生率，而监控指令的丢失则无法完成相应的监控操作。另外，可靠性低引起的数据重复也会进一步造成通信链路的拥塞，从而导致重要的数据无法及时到达，而到达的数据若无法保证其正确性也将影响监控系统的判断。为了达到万无一失的可靠性，甚至需要采用多条链路并行或冗余的收发监控数据和监控指令。4、安全性要求21：大型建筑结构数据传输不仅需要具有可靠性，还应具有安全保密性。因为其监控数据涉及到国家利益、人民安危，非常敏感，在数据传输过程中若被非法用户肆意篡改、窃听、破坏