（机械电子工程专业论文）大型桥梁结构健康监测系统的技术研究与应用.pdf

摘要 随着经济发展对基础设施建设需求的增加，大型桥梁在国民经济生活中扮演 着越来越重要的角色。与此同时，大型桥梁结构的安全性能也受到越来越多的关 注，桥梁结构健康监测系统开始在越来越多的大型桥梁上得到应用，其研究已成 为桥梁学术界和工程界的一个热点。 本文在研究国内外桥梁结构健康监测理论的基础上，结合本文监测对象的特 点，对系统中的软件开发、数据管理、数据处理分析和结构的安全评估等进行了 研究，并介绍了实际工程应用，具体工作如下： 1 、首先论述了桥梁结构健康监测的意义及其目的，并介绍了桥梁结构健康 监测国内外研究现状，对现阶段存在的一些问题进行了阐述。 2 、介绍了大型桥梁结构健康监测系统中的监测项目以及用到的各种仪器， 并针对大型桥梁结构健康监测中数据采集与远程传输的实际需求进行了详细分 析，构建了基于g p r s c d m a 无线网络的远程数据采集系统，采用扩展b s 与c s 模式相结合的系统构架对监测系统中的软件进行集成。 3 、在研究大型桥梁结构健康监测系统中数据采集、存储与分析诸多特点的 基础上，引入分布式异构数据库管理模型和数据仓库技术完成系统中的海量数据 的存储管理，采用测量数据误差处理与分析理论和数理统计的方法对桥梁健康监 测中的数据进行分析处理，完成了单参数和多参数对比的趋势分析。 4 、介绍了桥梁结构安全评估中的层次分析法，并针对某大跨度悬索桥的结 构特点和监测系统特性，给出了大跨悬索桥安全评估模型，通过实例给出了层次 分析法的一般步骤，最后采用变权综合原理对全桥结构的安全性能进行了评估。 5 、结合桥梁结构健康监测系统的软件设计需求，采用松散耦合的软件开发 方式对系统的各种功能进行了实现，给出了某大跨度悬索桥健康监测系统的设计 与应用实例。 关键词：大型桥梁，健康监测，软件架构，数据仓库，安全评估 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n df a s t - g r o w i n gd e m a n df o ri n f r a s t r u c t u r e c o n s t r u c t i o n ，m a j o rb r i d g ep l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr i l ei no u rl i v e s a tt h e s a m et i m e ，m o r ea t t e n t i o nh a sb e e nd r a w nt ot h es a f e t yo ft h e s eb r i d g e s ，m a j o rb r i d g e s t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m sh a v eb e e ni m p l e m e n t e dt om o r ea n dm o r eb r i d g e s ， t h er e s e a r c ho fi th a sb e c o m et h ef o c u si nb o t ha c a d e m i aa n de n g i n e e r i n gw o r l d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h et h e o r yi nb r i d g es t r u c t u r eh e a l t h m o n i t o r i n ga th o m ea n da b r o a d ，a sw e l la st h ef e a t u r e so ft h eb r i d g ei nt h ep r o j e c t ， s o f t w a r ed e v e l o p 、d a t am a n a g e m e n t ，d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，s a f e t ya s s e s s m e n t f o rs t r u c t u r ei nt h e s es y s t e mh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，i ta l s oi n t r o d u c ea ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no f t h e s et e c h n o l o g i e s t h em a i nw o r k a sf o l l o w s ： 1 f i r s t l y , w ed i s c u s st h eg o a la n dt h es i g n i f i c a n c eo fb r i d g es t r u c t u r eh e a l t h m o n i t o r i n g ，a n di n t r o d u c et h es i t u a t i o no fi t sr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ，a n a l y s i s s o m ep r o b l e m so fi ta tt h ec u r r e n ts t a t u s 2 m o n i t o r i n gi t e m sa n dd i f f e r e n ti n s t r u m e n t si nt h em a j o rb r i d g es t r u c t u r eh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m sh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fd a t aa c q u i s i t i o n a n dr e m o t et r a n s f e ri nt h es y s t e m ，w eb u i l dar e m o t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n g p r s c d m aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，i n t e g r a t es o f t w a r e si nt h es y s t e m u s i n g o ft h es y s t e mf r a m e w o r ko p e ni nc sm o d ea n de x t e n d e db sm o d e 3 o nt h eb a s i so f r e s e a r c ht h ef e a t u r e so nd a t aa c q u i s i t i o n 、s t o r a g ea n da n a l y s i si n t h em a j o rb r i d g es t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m s ，w ei n t r o d u c et h em o d e lo fd a t a m a n a g e m e n to nd i s t r i b u t e dh e t e r o g e n e o u sd a t a b a s es y s t e m sa n dd a t aw a r e h o u s e ，i t s a p p l yi nt h es t o r a g ea n dm a n a g e m e n to fm a s sd a t a ；w ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i st h e d a t ai nt h em a j o rb r i d g es t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m su s i n go ft h et h e o r yo f e r r o rp r o c e s s i n ga n da n a l y s i si nm e a s u r e m e n td a t aa n dm e t h o d so fm a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c s ；a tt h ee n d ，o n e - p a r a m e t e rt r e n da n a l y s i sa n dm u l t i p a r a m e t e rt r e n da n a l y s i s a r ea c c o m p l i s h e d 4 a h pi ns a f e t ya s s e s s m e n to fb r i d g es t r u c t u r ei si n t r o d u c e d ，a sw e l la sa ns a f e t y a s s e s s m e n tm o d e lo ft h el o n gs p a ns u s p e n s i o nb r i d g e ，t h en o r m a ls t e p so fa h pi s d e p i c t e d ，a na s s e s s m e n tp r o j e c tb a s e do nv a r i a b l ew e i g h ts y n t h e s i z i n ga h pi s a c c o m p l i s h e d 5 o nt h ed e m a n do fs o f t w a r ei nb r i d g es t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m s ， d i f f e r e n tf u n c t i o n sa r er e a l i z e dt h r o u g has o f t w a r ed e v e l o p m e n tm o d e lo fr e l a x c o u p l i n gm a n n e r , t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mf o r w u h a ny a n g l u oy a n g t z eb r i d g ea r ei n t r o d u c e d k e yw o r d s ：m a j o rb r i d g e ，h e a l t hm o n i t o r i n g ，s o f t w a r ef r a m e w o r k ，d a t aw a r e - h o u s e ，s a f e t ya s s e s s m e n t l i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 目期z 呸! 竺i 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：雌导师c 签名，： 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 概述 桥梁是地面交通的枢纽和咽喉，标志着一个国家基础设施建设水平，往往具 有数量众多、投资巨大和服役期漫长等特点。桥梁结构在长期重复荷载及环境灾 害作用下，将遭到损伤、侵蚀，造成结构性态变异，安全性和耐久性发生退化， 承载能力下降，从而影响桥梁的正常使用，甚至危及桥梁的安全，因此，确保桥 梁运营阶段的安全性，在桥梁界是一个重要的课题，具有极大的社会、经济和科 学意义。在美国，每两年至少要对约5 7 5 万座桥梁进行检测，根据f h a ( f e d e r a l h i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 的统计结果，约4 2 的桥梁功能陈旧或存在着结构缺 陷，修复这些结构缺陷需要投资约7 0 0 亿美元。英国1 9 6 5 年至1 9 8 0 年的维修改 造项目逐年增加，1 9 8 0 年的检测、维修改造工程已占建设工程的2 3 。1 9 9 5 年 日本神户大地震后，该地区2 3 的桥梁和高架道路倒塌，造成的直接死亡超过 6 5 0 人。在我国，截止2 0 0 8 年底，全国公路桥梁达3 1 0 8 万座、1 2 4 6 6 1 万延米， 其中特大桥梁2 1 5 5 座【1 1 。由于我国地广人多，除了那些特大规模的重要桥梁外， 各种大中小型桥梁数目非常之大；特别是在高速公路及高速铁路中，桥梁占线路 总长的比例相当高，在某些特殊区段甚至要占总线路的4 0 以上。因此在我国， 桥梁结构健康监测的研究具有极大的应用前景，除了能用于验证与改进传统桥梁 设计方法与发展新的设计方法，保证桥梁的安全施工与运行、促进桥梁技术的发 展外，其本身也具有巨大的市场前景。 桥梁结构健康监测系统是集结构监测、系统辨别和结构评估于一体的综合监 测系统。h o u s n e r 等人将结构健康监测系统定义为：一种从运营状态的结构中获 取并处理数据，评估结构的主要性能指标( 如可靠性、安全性、耐久性等) 的有 效方法。它结合了无损检测( n d d ) 和结构特性分析( 包括结构响应) ，目的是为 了诊断结构中是否有损伤发生，判断损伤的位置、估计损伤的程度以及损伤对结 构将要造成的后果1 2 j 。 一般的桥梁健康监测系统结构如图l - i 所利3 1 。监测系统主要对以下几方面 进行监控： 桥梁工作环境； 桥梁在车载等各类外部荷载作用下的响应和受力特性； 桥梁重要非结构构件( 如支座) 和附属设施( 如振动控制元件) 的工作状 态； 结构构件的耐久性。 与传统的桥梁检测技术不同，桥梁健康监测系统综合运用了现代测试与传感 武汉理工大学硕士学位论文 技术、网络通信技术、信号分析与处理技术、数学理论和结构分析等理论，并力 求对结构整体性能进行实时监控和对结构状态进行智能化评估。 图1 - 1 桥梁健康监测系统结构图 1 2 桥梁结构健康监测研究现状 结构健康监测最早起源于航空、机械等领域，桥梁结构健康监测在上个世纪 5 0 年代也越来越受到人们的重视，不过长期以来一直以人工方法为主，在实现 准实时与实时的结构监测以前，人们只能对桥梁进行定期检查，或是在出现特殊 情况( 如灾害) 时再进行检测评估，此时桥梁往往已出现较大损伤，评估和维修费 用必然不蜚。早期检测手段的落后极大地限制了桥梁结构监测的应用【4 母】。 近年来，随着传感技术、数据传输技术、信号处理技术、计算机技术以及人 工智能技术等的迅速发展，桥梁健康监测系统和计算机智能化技术在大型重要桥 梁健康监测中的相继运用，使得桥梁健康监测这项国内外桥梁界和工程界研究热 点得到了快速发展，并在此基础上逐步形成了以定期监测和连续监测为主的桥梁 健康监测方法。 1 ) 加拿大c o n f e d r a t i o n 桥，主跨4 5 x 2 5 0 m ，全长1 2 9 k m ，是世界上最长的 建于海水中的预应力混凝土箱梁桥。该桥于1 9 9 7 年建成，设计寿命为1 0 0 年。 该桥上实施了一套综合监测计划，对桥梁在冰荷载作用下的性能、桥梁的短期和 长期变形、车辆荷载及荷载组合、在风和地震荷载作用下的动力响应以及环境对 桥梁的侵蚀进行研究。监测系统所用的加速度计、倾斜计、应变计、水荷载传感 器以及热电偶等各种传感器7 4 0 个。 2 )日本明石海峡( a k a s h i k a i k y o ) 大桥，主跨1 9 9 2 m ，是目前世界上最长 2 rllii、-j：llrllllil曩酉丑丑丑g r i l i i i l f l l l rliiillil riilijl rlliiil 武汉理i 大学硕士学位论文 的悬索桥，于1 9 9 8 年建成。为了确定桥梁在温度变化和受其他条件影响的变形 特性和证实在强风和地震时设计假定和有关参数的取值，该桥上建立了监测系 统，系统包括地震仪、加速度计和速度计、风速计、全球卫星定位系统( g p s ) 、 测量专昕边缘位移的位移计及温度计等传感器。 3 ) 哥伦比亚p e r e i r a - d o sq u e b r a d a s 桥，主桥为跨度4 1 l m 的斜拉桥桥宽 2 61 5 m ，1 9 9 8 年建成。建成后政府花费约1 5 0 亿美元建立了包括加速度计、位 移计、倾角仪和腐蚀传感器等3 0 0 多个传感器的结构静动态健康监测系统。 4 ) 香港青马( t s i n gm a ) 桥、汲水门( k a ps h u im u n ) 桥和汀九( t i n gk a n ) 桥。 其中，汲水门桥为中跨4 3 0 m 的斜拉桥，汀九桥为三塔单索面斜拉桥，两个中跨 分别为4 4 8 m 和4 7 5 m ，青马桥是中跨1 3 7 7 m 的悬索桥，1 9 9 7 年建成。由于索支撑 桥对风比较敏感，香港路政署在这些桥上安装了“风和结构健康监测系统 ( w s 咖s ) ”。该系统的监测项目包括外载荷( 如环境因素及车辆荷载等) 与桥梁 响应，共安装了6 p s 、加速度计、位移计、风速风向仪、地震仪、应变计、温度 计和动态称重等各类传感器7 7 4 个，见图卜2 。是我国最早也是目前世界上投资 最大、规模最大的桥梁健康监测系统之一。 5 ) 南京长江大桥，正桥跨径布置为3 x ( 1 6 0 m + 1 6 0 m + 1 6 0 m ) + 1 2 8 m ，是我国 自行设计建造的首座公铁两用特大桥，于1 9 6 8 年建成。该桥于2 0 0 6 年建成了包 括应变计、温度计、加速度计和地震仪等1 5 0 多个传感器的结构健康监测系统。 从已建立的监测系统的监测目标、系统功能及系统运营等方面来看，这些系 统具有一些共同特点【l “删： 1 ) 通过传感装置监测结构各种响应，获取反映结构行为的各种记录，并在 桥梁运营期间连续或间断地监测结构状态，获取桥梁结构连续、完整的信息。 2 ) 除了监测桥梁结构本身的状态和行为( 应力、位移、加速度、动力特 武汉理工大学硕十学位论文 性) 以外，加强了对环境条件( 风、地震、温度、车辆荷载等) 的监测和记录分 析，同时试图通过桥梁在正常车辆与风载荷作用下的动力效应来建立结构的总体 监测样本，并借此实现结构整体性与安全性评估。 3 ) 监测仪器除了传统的传感器外，新型智能传感器得到了广泛的应用，其 中光纤传感器由于质量轻、信息量大、可测量多种信号、无电磁干扰、易于分布 埋入结构和构成网络等众多优点，日益成为结构健康监测和诊断中的首选。 4 ) 桥梁结构损伤诊断理论与方法上，开发了各种基于频率、振型、振型曲 率、应变振型等改变量的损伤检测和定位技术。在处理方法上探寻了m a c ( 模态 保证标准) 法、c o m a c ( 坐标模态保证标准) 法、柔度矩阵法、矩阵振动修正法、 非线性迭代法等。近年来，针对损伤诊断的智能算法和先进信号分析也得到了进 一步的发展，例如神经网络法、模糊数学方法、小波变换法、h i l b e r t h u a n g 变 换方法和信息融合技术等。 5 ) 发展了包括可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络、遗传算法 以及专家系统等多种桥梁结构状态评估方法，并初步应用于桥梁健康监测系统 中。 1 3 存在的问题 目前国内外已经建立的大型桥梁结构健康监测系统大部分仅限于数据采集 和保存，而在对监测数据进行科学处理、科学合理的桥梁监测数据分析存储模式 的建立、应用监测数据对桥梁健康状况进行系统分析和评估等方面的研究与应用 才刚起步。已建的桥梁健康监测系统的数据存储方面没有很好地反映结构响应， 没有充分考虑结构安全评估地需求，对数据没有进行深入地处理分析，以至于系 统产生了“海量垃圾数据”，误导了人们对健康监测系统地认识。问题主要有： 1 ) 信号调制、数据接口、系统整合等技术性问题还有待进一步研究，以提 高系统的工作效率和长期运营能力，降低成本； 2 ) 如何在含噪声的环境中利用尽可能少的传感器获取全面、精确、灵敏的 结构参数信息，并有效的剔除所测数据中的虚假信息，可靠的分析采集数据中的 失真部分并修正，使结果具有良好的实用性和代表性； 3 ) 数据采集系统在实时性、自动化、智能化方面等有待进一步发展； 4 ) 已有的采集系统中，往往存在监测项目种类不足，而个别项目的规模又 过于庞大等问题，尤其在数据的管理方面，采取什么样的数据管理模式，既能完 成海量数据的存储，又能实现高效的数据分析与处理；采取何种数据分析方法， 能有效地提取数据来反映结构的状态等问题都还未得到有效解决； 5 ) 目前对桥梁健康状态的评价缺乏统一有效地综合指标，并且难以反映各 构件的缺损及严重程度对整桥的影响，各种桥梁使用性能的评估专家系统能否广 4 武汉理工大学硕士学位论文 泛运用到工程实践中还有待对各类桥梁工作性能的深入认识及相应规范的建立。 1 4 论文的主要研究内容 本文以大跨悬索桥健康监测系统的开发为研究重点，以武汉某大跨度悬索桥 为工程背景，参考和借鉴已建的桥梁健康监测系统和监测评估理论方法的基础 上，进行软件系统的需求分析和理论研究，探索有效地数据管理以及数据处理分 析方法，研究并开发一套某大跨度悬索桥健康监测系统。 论文的主要研究内容如下： 1 ) 桥梁健康监测系统设计 介绍了桥梁健康监测系统中的监测项目以及用到的各种仪器，并针对大跨径 悬索桥健康监测中数据采集与远程传输的实际需求进行了详细分析，对 g p r s c d m a 无线网络的远程数据采集和扩展b s 与c s 模式相结合的系统构架展 开了研究。 2 ) 面向分析的数据管理与分析处理系统研究与设计 在研究大跨径悬索桥健康监测系统中数据采集、存储与分析诸多特点的基础 上，引入分布式异构数据库管理模型和测量数据误差处理与分析理论，对数据仓 库在桥梁健康监测系统中海量数据管理进行了研究，通过数理统计的方法对桥梁 健康监测数据进行趋势分析，有效地映射出桥梁结构物理特性的变化趋势。 3 ) 基于层次分析法的桥梁结构安全评估 介绍了桥梁结构安全评估中的层次分析法，针对某大跨度悬索桥的结构特点 和监测系统特性，给出了大跨悬索桥安全评估模型，通过实例给出了层次分析法 的一般步骤，最后采用变权综合原理对全桥结构的安全性能进行了评估。 4 ) 桥梁结构健康监测系统的软件实现研究 结合桥梁结构健康监测系统的软件设计需求，采用松散耦合的软件开发方式 对系统的各种功能进行了实现，给出了某大跨度悬索桥健康监测系统的设计与应 用实例。 武汉理工大学硕十学位论文 第二章桥梁结构健康监测系统总体设计 现代桥梁结构健康监测技术不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，而是运 用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与 行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，并由此分析结构的健康状况、 评估结构的可靠性，为桥梁的管理与维修决策提供科学依据【13 。1 5 】。其技术特征体 现在四个方面： 1 )自动化监测设备数据采集以及自动判别数据处理条件； 2 ) 实时化的结构监测与评估，能够及时掌握桥梁工作状态，消除了人工检 测的滞后性和低效性，提高了预测桥梁健康状况发展趋势的实时性，有效的避免 重大事故的出现和资源的浪费； 3 ) 网络化的桥梁结构健康检测可以实现监测数据的共享，实现了各地专家 对桥梁状况的评估，通过现代计算机通讯以及远程控制方法，更可以实现对远离 城市桥梁的自动实时监测，实现良好的社会效益和经济效益； 4 ) 无线通讯以及无线网络技术在桥梁结构健康监测系统中的运用，大大降 低了系统中布线的复杂性，使实现远程监测更为方便。 2 1 桥梁健康监测系统功能要求及设计准则 大跨度桥梁健康监测系统的研究涉及测试、分析及决策等多个学科。其理论 核心为基于振动的损伤识别技术。图2 - 1 给出了桥梁健康监测系统功能的框图。 由该图可见，整个系统功能主要集中在三个子系统中：传感器系统、数据采集与 、一一f：；i；i；iiii；i|；看：f一一7 j 受至匿蚕三三重叠 】 k 一，一，- 图2 - 1 桥梁健康监测系统功能框图 传感器系统直接感知环境作用因素的特征值和结构状态参数，除交通荷载传 6 武汉理工大学硕+ 学位论文 感器设置于桥头上桥前的适当位置外，其他传感器均需设置于相应构件上；地震 和船舶撞击可设置墩顶或墩身适当位置；风环境监测传感器一般设置于较高位置 如斜拉桥或悬索桥的桥塔、桥头堡建筑或专用塔柱上。其他传感器应按桥梁监测 参量的性质布置于相应构件上，并应通过结构分析选择最不利和典型截面位置。 数据采集和传输系统应考虑减少和避免干扰和因导线长度带来的精度降低 问题。一般大型桥梁两个半桥均布设数据采集工作站，并兼顾采集工作站与岸上 监控中心信号传输布置合理。 超限报警是在台风、地震及船舶撞击时风速及加速度传感器值超过预先设定 的限制自动报警，以便进行应急处理。 数据处理与安全评估系统是桥梁运营状态评估和耐久性以及寿命评估。状态 评估应按照现行规范的桥梁技术状况评定标准给出技术状况等级，并根据技术状 况等级采取相应维修措施；耐久性或寿命评估由包括构件腐蚀状况及疲劳损伤累 计计算做出。 整个监测系统的设计原则是： ( 1 ) 实用性和专用性 监测系统的目的和监测内容应参考桥址自然环境、结构形式特点和结构设计 的要求，例如对混凝土结构桥梁不必进行疲劳损伤设置，系统内容无抗震要求或 不通航，便无须对地震和船舶撞击信息进行采集和评估等。这样结构简单明确、 操作方便，将测站硬件配置、传感器的选择及测点布置数量减少至满足要求的最 低点，留有一定的扩展空间。 ( 2 ) 系统性和可靠性 只有用系统分析原理，使测点之间、监测项目之间能相互结合，从而提高整 个系统的监测功效；监测系统硬件配置应满足长期、连续和在桥梁振动、温度变 化苛刻条件下工作地稳定性和可靠性；软、硬件应保证数据采集、传输、存储及 处理可靠性。 ( 3 ) 关键部件优先与兼顾全面性 关键部件是指各种原因导致的可能破坏区、变形敏感区及结构的关键部位， 这些关键部件都必须重点监测。但也应考虑全面性，考虑对结构整体性进行监测， 例如基础的总体安全性监控等。 ( 4 ) 实时与定期监测结合 根据监测目的、功能与成本优化确定监测项目后，应该考虑的是实时监测与 定期监测分别设置的原则。可按监测目的不同分别进行昼夜不问断采集或按一定 条件自动触发采集或定期采集等方式，以降低运行成本、节约存储空间、减少数 据分析和处理的工作量。 7 武汉理工人学硕士学位论文 监测系统具有快速、大容量的信息采集、通讯与处理能力，并实现数据的网 络共享，桥梁监测这些特点使得大跨度桥梁健康监测区别于传统的桥梁检测过 程。 2 2g p r s c d m a 无线网络的远程数据采集系统设计 数据采集技术是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形 成的- - f 综合应用技术，是信息科学的一个重要分支【1 7 】。借助无线传输手段的远 程数据采集系统，与传统的数据采集系统相比，具有不受地理环境、气候、时间 的影响等优势，更具有工程造价和人力资源成本低，传输数据不受地域的影响， 可靠性高，免维护等优点。将远程采集技术应用于桥梁健康监测领域，使人们对 桥梁的实时远程自动监测成为可能【l 引。 目前，国内外监测系统的产品有多种，其数据采集方式的差异本质上是由采 取不同的通信方式决定的。数据采集的通信方式一般可分为有线通信方式和无线 通信方式，有线通信主要包括有线p s t n 通信、光纤通讯等；无线通讯方式包括 电台方式、无线集群通信方式、g s m 短消息通信方式、c o p d 通信方式、c d m a 通 信方式和g p r s 通信方式【1 9 。2 3 1 。 对比有线通信方式和无线通信方式，g p r s c d m a 与传统的有线通信和无线 通信方式相比更为先进，基于g p r s c d m a 无线网络的数据采集系统能从根本上 解决传统通信方式的弊端，更加贴近远程实时专业数据采集的需求。在实现桥梁 健康监测的远程数据采集过程中，基于g p r s c d m a 的无线网络数据采集系统具 有以下显著优势【2 4 】： 1 ) 永远在线：客户端随时都与网络保持联系，即使没有数据传送时，客户 始终与网络之保持连接；客户端不需要像传统拨号上网那样，断线后需重新拨号， 才能再线。 2 ) 快速登录：g p r s c d m a 的网络登陆时间很快，每次登录i n t e r n e t 只需 要一个激活过程，一般仅需1 3 s ；无线终端一开机，就已经与网络建立了连接。 3 ) 按量收费：g p r s c d m a 网络按照客户接收和发送数据包的流量收取费 用，没有数据流量传递时，客户即使在线也不收费。 4 ) 组网简单、迅速、灵活：g p r s c d m a 无线d d n 系统可以通过i n t e r n e t 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，为客户提供接入 便利，节省接入投资。 现阶段为了保证监测系统的数据安全可靠，并最大程度提高远程数据采集系 统的性价比，根据不同情况，大型监测系统无线数据采集系统可以采用g p r s 与 c d m a 相结合的方式。 无线网络的桥梁健康监测系统中的无线网络硬件系统主要由数据采集端和 武汉理工人学硕士学位论文 g p r s c d m ad t u ( d a t at e r m i n a lu n i t ，数据传输终端) 组成【2 5 1 。首先，数据 采集终端通过g p r s c d m ad t u 与当地g s m c d m a 基站中的g p r s c d m a1 x 业务节点进 行无线通信，并进入g p r s c d m a 网络，然后通过g p r s c d m a 网关与互联网进行数据 交互，如图2 - 2 所示。 图2 2g p r s c d m a 因特网接入原理图 在实际通信中，系统设计需要分层考虑，d t u 既要完成数据加工和协议加载， 如数据的打包和分包，又要完成物理层、数据链路层、网络层和传输层4 层网络 协议，如图2 - 3 所示。 传输层 网络层 物理层 g p r s c d m a 网络i n t e m e t 终端 物理层：d t u 与g p r s c d m a 网络的物理层通道采用g p r s c d m a 无线连接； 数据链路层：d t u 指定p p p 协议为数据链路协议，通过c r c 校验、确认，将原 g p r s c d m a 物理层连接改成无差错的数据链路； 网络层：i p 协议是目前运用最广的网络层协议，可提供最好的传输服务， 但不能保证i p 数据包能否到达目的地，是不可靠的连接。网间协议i p 将不同的 i p 终端联起来，经过i p 路由选择，可以实现d t u 与互联网上i p 终端的数据交互； 传输层：由于i p 连接不可靠，选择t c p 作为传输层协议，提供面向连接的、 可靠的服务。 远端控制中心与现场主站的通信需要设计相应的控制软件，主要功能是实现 接受和发送t c p 协议的i p ，以实现与g p r s c d m ad t u 的i p 协议相互通信，完成桥梁 现场数据采集系统与监控中心的数据交换。软件的设计基于m i c r o s o f t 公司的 v i s u a lc + + 平台，通过调用m f c 类中的c a s y n c s o c k e t 套接字类，实现s o c k e t 编程。 其主要通过创建两种s o c k e t 类来实现，即监听s o c k e t ( c l is t e n s o c k e t ) 和数据 接收与处理s o c k e t 类( c s e r v e r s o c k e t ) 。c l is t e n s o c k e t 定时监听相应的端口， 接收d t u 的连接请求，创建一个s o c k e t 线程并完成t c p 链路的建立与维护，配合 数据库技术实现数据接收、存储及监控等功能，然后把原始套接字放回监听状态 继续监听。c s e r v e r s o c k e t 负责数据接收、处理和命令发送。网络通信服务子系 9 武汉理工大学硕士学位论文 统的数据收发子程序流程如图2 4 图2 - 4 数据收发了程序流程图 在远端监控中心，数据在数据中心服务器上通过数据处理及伺服入库程序自 动进入后台的数据库。数据处理与管理系统对采集到的原始数据进行预处理，存 储、管理监测点、桥梁原始数据等基础信息和各种类型的监测数据。根据现场采 集传感器的类型变动，可以相应的调整数据库，增加更全面的反映桥梁运行状况 的信息。 基于无线网络的桥梁健康监测系统由桥梁现场无线采集系统、无线网络通信 系统、监控中心等组成如图2 5 2 q 。 图2 5 系统组成结构图 桥梁现场数据采集系统利用各类传感器对桥梁几何形状、结构静动力响应以 及载荷和环境进行监测，监测数据经过二次仪表处理后，由数据无线发送模块 ( g p r s c d m a 模块) 依次进行t c p 封装一i p 封装一p p p 封装，然后将数据发送到 g p r s c d m a 网络通过各种路由和网关，最后经由i n t e r n e t 网络以t c p i p 传输 协议送到监控中心绑定公网固定i p 的路由服务器上：同时为了保证路由服务器 的稳定运行通过局域网内n a t 端口映射技术将其映射到数据中- c , n 务器上。监 控中心通过控制管理软件对发送过来的数据实行统一的控制管理，监控中心也可 武汉理工大学硕十学位论文 以向桥梁现场数据采集站点发送各种指令来控制监测点的运行。 采集系统数据库信息通过w e b 进行发布，通用网页浏览器页面提供监测系统 与远程用户间的交互界面，二者间采用扩展b s 结构交换数据。界面上提供有实 时数据动态显示、实时数据曲线绘制和历史曲线查询、报表报告等功能，用户可 以通过互联网随时了解桥梁监测现场情况，并能进行数据的趋势分析。监测系统 中设有阈值报警子模块，可以根据事先设定模型生成的阈值，对超出阈值范围的 监测值启动声光报警，并通过发送短信的方式通知桥梁管养部门进行及时的处 理。 2 3 桥梁健康监测系统软件构架设计 构架是软件系统的基础，是系统中第一个表达关于性能、安全性、可靠性、 可用性以及可维护性等目标的设计成果，决定着相应开发项目的结构。系统构架 的设计通常有3 种模式【2 。刀：主机模式、c s 模式、b s 模式。主机模式采用的集中 式结构，主机负担所有数据和应用软件的处理工作，此种模式只能应用在单独 p c 机上和局域网内；c s 模式和b s 模式则是目前w e b 应用开发的2 种主流模式。 2 3 1c s 模式和b s 模式构架的基本原理及其比较 c s 模式( c 1 i e n t s e r v e r ) 即客户端服务器模式，是指具有主从分布与 协作处理特征的计算体系结构。它的基本原理是将一个应用恰当地分解为可由前 后台分别处理的多个任务，由客户机、服务器分别执行，以协作的方式共同实现整 个应用。典型的客户服务器体系结构包括一个客户端( 或称为前端、应用端) ， 它的作用主要是处理来自服务器端的数据，并以相应的业务逻辑结果呈现在用户 面前。 三层结构的c s 模式应用系统逻辑结构如图2 - 7 所示。它一方面把客户端请 求传送给数据库服务器，另一方面将服务器的查询结果回送给客户端。这样就大 幅度减轻数据库服务器的负担，从而提高了其响应速度和系统的整体工作效率。 另外，还可以将原先系统中使用的一些商业逻辑规则的处理工作( 既可在客户端 又可在服务器端实现) 也分配给业务逻辑层完成，于是客户端和服务器端程序的 功能得到进一步简化。 害声端l 望墅茎一应用服务器i 羔兰l 一 数据服务器 ( c li e n t ) r 刮( 细l i c a t i o ns e r v o r ) r 刮( d a t a b a s es e r v e r ) 图2 7 三层结构的c s 模式 b s 模式( b r o w s e r s e r v e r ) 即浏览器服务器模式，是c s 模式在i n t e r n e t 上基于w e b 应用的一种实现方式，两者是同一计算体系结构的不同应用分支【2 8 1 。 l l w e b 技术是i n t e r n e t 技术的核心，也是b s 体系结构的关键。b s 模式结构的 基本原理是通过引入一组业务对象将w e b 客户端应用程序从业务逻辑和数据访 问代码中分离出来，两者之间通过h t t p 协议进行通信，形成浏览器服务器数 据库服务器的三层结构体系如图2 - 8 。 图2 8 三层结构的b s 模式 三层结构的b s 模式客户端只是负责最终数据的显示，隐藏在业务对象后 面的所有复杂性都与它们无关。b s 架构体系简化了客户端，无需像c s 架构那 样在不同的客户机上安装不同的客户应用程序，而只需安装通用的浏览器软件。 这样不但可以节省客户机的硬盘空间与内存，而且使安装过程更加简便、网络结 构更加灵活。另外，它简化了系统的开发和维护。系统的开发者无须再为不同级 别的用户设计开发不同的客户应用程序，而只需把所有的功能都实现在服务器 上，并就不同的功能为各个组别的用户设置权限就可以了。各个用户通过请求在 权限范围内调用服务器上不同处理程序，从而完成对数据的查询或修改。 c s 模式与b s 模式各有优势与不足，具体对比如表2 - 1 ： 表2 - 1c s 模式与b s 模式对比 2 3 2 基于a s p n e ta j a x 技术的扩展b s 模式研究 在大型桥梁结构健康监测过程中，为能充分反映桥梁的结构特性，捕捉一切 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 引发异常的线索，在大桥上布置了大量的各类测点。位于系统前端的用户交互界 面是基于传统b s 系统模式的，是一种无连接h t t p 协议，系统不保存每次处理的 状态信息，对于要求在客户端进行复杂处理的情况显得力不从心。采用a s p n e t a j a x 框架，对传统b s 模式进行扩展，充分发挥了a j a x 技术的w e b 无刷新页面 数据粒度更新优势，适应了桥梁健康监测的数据分析与处理需求，大大增强了系 统应用的实用性和实时性，使监测系统交互性得到了前所未有的提高。 传统b s 模式下的w e b 应用工作模型为：用户动作触发界面上的连接，向 w e b 服务器的h t t p 发送请求，w e b 服务器完成接收数据、处理计算后，再访问其 它的数据库系统，最后返回一个h t m l 页面到客户端。这种旧的应用模式不会产 生很好的用户体验，当服务器正在处理自己的事情的时候，每一个新的动作，用 户都只有等待【2 7 - 2 9 】。 引入a j a x 技术的w e b 应用主要思想是：只需更新部分页面，不更新整个页面， 所以w e b 应用程序可以更快地对用户操作做出响应。在a j a x 的帮助下，用户可 以从w e b 客户端直接向服务器发起请求，服务器则可以传回任何有用的信息，包 括h t m l 片段、可执行客户端脚本、任何数据。由于a j a x 允许从服务器传回h t m l 片段，开发人员就可以替换或者添加页面元素，通过执行服务器传回的脚本 ( j a v a s c r i p t ) ，甚至可以完全改变当前页面的外观，内容和行为。最后服务器还 可以返回任何形式的数据，让客户端用j a v a s c r i p t 去处理。 a j a x 的工作原理相当于在用户和服务器之间加了一个中间层，使用户操作 与服务器响应异步化。其与传统的w e b 同步访问模式原理对比如图2 9 。 c l a s s l cw e ba d u l i c m t i o nm o d e l ( s y n c h r o n o u s ) a j a xw e ba p p l i c a t i o nm o d e l ( a s y n c h r o n o u s ) b r o w # e r u i i = 三_ 七n 声乓一n 乒r 一亳i 一手r一r l i e n t - * l d * p r o c e l l f l t i r7 =ir7 二二 图2 9 传统的w e b 同步访问模式与a j a x 异步访问模式的对比 通过在用户和服务器之间引入一个a j a x 引擎，可以改变w e b 的开始一停止 开始