（控制科学与工程专业论文）桥梁健康监测的系统集成设计及数据分析.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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：查垂翌 日期：刭! 至! 旦! 里 关于论文使用授权的说明 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生躲疹五巧翩虢僧 日期：钿l l 牟6 日1 日 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 大型桥梁因具有结构庞大和造价高昂的特点，其坍塌直接影响当地的交通 安全、经济和社会生活。因此，对桥梁的健康状态进行长期的健康监测至关重 要。而目前由于监测系统的各组成部分之间缺乏数据的共享和有机集成，致使 系统缺乏整体性和实时性，无法满足对大型桥梁的维护与管养。为此，研究具 有长期性和实时性的桥梁健康监测系统，具有重大的理论意义和工程应用价值。 本文结合企业合作项目以武汉某大桥为研究对象，针对该桥结构特点及监 测系统的要求，重点对桥梁健康监测系统的集成、监测信息的采集与相关数据 分析进行了研究。 完成了桥梁健康监测的系统集成。结合现有健康监测技术，分别从硬件和 软件两个方面，研究桥梁健康监测系统的总体方案；研究传感子系统的组成， 详细研究电致传感网络和光纤类传感网络在系统中的应用方法、监测目的、通 信协议与组网方式；采用l a b v i e w 和l a bw i n d o w s c v i 作为软件开发平台，详 细设计了基于虚拟仪器的桥梁健康监测数据采集模块，对桥梁现场的各类物理 信号进行收集，实现了基于多线程的光纤类传感网络的网口采集、电致传感网 络的串口采集、数据预处理与显示、存储和历史查询等功能。 对桥梁健康监测系统的数据进行了相关的数据分析。以桥梁的结构应变和 温度信号为例，进行统计学的相关性分析，了解信号间的相互影响及作用；分 别采用回归分析和灰色模型预测的方法，对信号短期发展的正常范围和中长期 发展进行预测，以及时发现安全隐患，做出正确的评估决策。 本文开发的基于多协议、多线程的桥梁健康监测采集系统，很好地实现了 数据的共享，具有良好的实时性。目前，该监测系统已于2 0 1 0 年0 4 月成功投 入使用，功能和性能都达到了设计要求。 关键词：健康监测，系统集成，数据分析，多协议，多线程 a b s t r a c t h u g es t r u c t u r ea n dh i g hc o s ta r e t h ek e yf e a t u r e so ft h em o s tl a r g e s c a l eb r i d g e s a n dw h e nt h eb r i d g e sc o l l a p s e ，l o c a lt r a f f i cs a f e t y ，e c o n o m i ca n ds o c i a ll i f ew i l lb e d i r e c t l ya f f e c t e d t h e r e f o r e ，i ti sv e r ye s s e n t i a lt h a tb r i d g eh e a l t hs h o u l db el o n g - t e r m m o n i t o r e d b u tn o wt h ef l a wo fd a t as h a r i n ga n do r g a n i ci n t e g r a t i o nb e t w e e nt h e c o m p o n e n t so ft h em o n i t o r i n gs y s t e mw i l lc a u s et h el a c ko fs y s t e m a t i ci n t e g r i t ya n d r e a l t i m e d u et ot h i sd e f i c i e n c yo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h em a i n t e n a n c ea n d m a n a g e m e n to fl a r g e - s c a l eb r i d g e sm a y n o tb es a t i s f i e d t h u s ，t h er e s e a r c ho nh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m w i t ht h e p r o t r a c t e d n a t u r ea n dr e a l - t i m ew i l l b r i n g m o r e t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u e b a s e do nt h ee n t e r p r i s ec o o p e r a t i v ep r o j e c t ，t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e sac e r t a i n b r i d g ei nw u h a n a sar e s e a r c ho b j e c ta n dd os o m er e s e a r c h e so ns y s t e mi n t e g r a t i o n ， d a t aa c q u i s i t i o na n ds o m er e l a t e dd a t aa n a l y s i sa sf o l l o w s ： t h ei n t e g r 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 mi sd e s i g n e d c o n s i d e r i n gt h e e x i s t i n gt e c h n o l o g y ，t h eg e n e r a ls c h e m eo fb r i d g e h e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi s d e s i g n e db yt h ew a y so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f u r t h e r m o r e ，t h ea p p l i c a t i o nm e t h o d ， m o n i t o r i n gp u r p o s e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；a n dn e t w o r k i n gm o d eo fe l e c t r i c s e n s o r sa n do p t i c a lf i b e rs e n s o r sw i l lb es e l e c t e df o rt h es p e c i f i cr e s e a r c h ；l a b v i e w a n dl a bw i r l d o w s c v ia l ec h o s e na s t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e do nv i l t u a li n s t r u m e n ti s d e t a i l e dd e s i g n e dt of u l f i l lt h e c o l l e c t i o no ff i e l ds i g n a l t h ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l em a i n l yi n c l u d et h e f o l l o w i n g ：t h ea c q u i s i t i o no fo p t i c a lf i b e rs e n s o r sb a s e do nm u l t i t h r e a db yu d p ，t h e a c q u i s i t i o no fe l e c t r i cs e n s o r sb a s e do ns e r i a lc o m m u n i c a t i o n , d a t ap r e p r o c e s s i n g ， d i s p l a y ，d a t as t o r a g e ，h i s t o r ys e a r c ha n ds oo n t h ed a t aa n a l y s i so nb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi sd i s c u s s e d t a k i n g s t r u c t u r a ls t r a i na n dt e m p e r a t u r es i g n a lf o re x a m p l et og e tt h ei n t e r a c t i o na n de f f e c t b e t w e e nt h es i g n a l sb yc o r r e l a t i o na n a l y s i s ；s h o n t e r m ，m e d i u ma n dl o n gt e r m d e v e l o p m e n ta r ep r e d i c t e db yt h ew a y so fr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dg r a ym o d e l r e s p e c t i v e l y 武汉理工大学硕士学位论文 t h ea c q u i s i t i o no f b r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e md e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i sb a s e do nm u l t i p r o t o c o la n dm u l t i t h r e a d ，w h i c hc a nr e a l i z et h ed a t a s h a r i n g p e r f e c t l ya n dh a v ea na b i l i t yo fr e a l t i m e p r e s e n t l y ，t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mh a db e e n p u ti n t op r a c t i c es u c c e s s f u l l yi na p r i l2 010 ，a n di t sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eh a v e r e a c h e das a t i s f a c t o r yr e s u l t k e y w o r d s ：h e a l t hm o n i t o r i n g ，s y s t e mi n t e g r a t i o n ，d a t a a n a l y s i s ，m u l t i p r o t o c o l ， m u l t i t h r e a d i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 工程结构健康监测系统集成的发展3 1 4 桥梁健康监测的相关技术5 1 4 1 光纤传输技术5 1 4 2 虚拟仪器技术6 1 4 3 基于a d o 的数据库访问技术：9 1 5 本文的主要研究内容1 0 第2 章桥梁健康监测系统的集成设计1 1 2 1 桥梁健康监测系统的集成准则。- 1 1 2 2 桥梁健康监测系统的监测内容1 2 2 3 桥梁健康监测系统的总体结构设计1 3 2 3 1 系统的硬件总体结构设计1 3 2 3 2 系统的软件总体结构设计1 4 2 4 传感网络的集成设计1 5 2 4 1 电致传感网络的集成设计1 9 2 4 2 光纤传感网络的集成设计1 6 2 5 本章小结：2 3 第3 章桥梁健康监测采集系统的软件设计2 4 3 1 采集系统软件组成及功能2 4 3 2 光纤传感网络的数据采集软件设计2 5 3 2 1 多线程的概念及其优点2 5 3 2 2 基于多线程的网口采集软件设计2 7 3 2 3 数据采集系统的程序实现3 0 3 3 电致传感网络的数据采集软件设计3 4 3 3 1 采集软件的设计流程3 4 3 3 2 串口通信的程序实现3 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 3 数据拆分函数的设计3 6 3 3 4 程序的异常处理3 7 3 4 采集系统的数据库设计。：3 8 3 4 1 基于a d o 的数据库编程3 8 3 4 2 数据库表的设计及存储频率4 0 3 5 本章小结4 2 第4 章桥梁健康监测的数据分析4 3 4 1 桥梁监测数据的相关性分析4 3 4 2 桥梁监测数据的趋势预测分析4 5 4 2 1 回归分析方法及建模4 5 4 2 2 灰色模型预测及建模4 8 4 3 本章小结5 2 第5 章全文总结与展望。5 3 5 1 全文总结5 3 5 2 前景展望5 3 参考文献5 4 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 8 作者在攻读硕士学位期间参加的项目5 8 作者在攻读硕士学位期间申请的专利5 8 致谢5 9 i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 自2 0 世纪5 0 年代以来，一些典型的桥梁事故使得人们开始认识到对桥梁 进行健康监测的重要意义，但由于早期科学技术与检测手段的局限性，关于桥 梁健康监测系统的研究和应用一直未得到较好的发展。近些年来，随着高新技 术( 如传感测试技术、计算机技术和信号处理等技术) 的不断发展，工程界已 经出现了越来越多桥梁健康监测系统的成功案例【l 。】。一般情况下，桥梁健康监 测系统通过对桥梁的结构变量、气象载荷等进行数据分析，进而获取桥梁结构 的健康状态，并为其做出正确的评估和决策( 如桥梁在运营异常时进行报警) ， 为桥梁的维护与管养提供依据和指导。 传统的桥梁健康检测方法为定期表面巡检，该方法以目测为主，且数据的 实时性较差，已无法满足特大型桥梁的维护与管养。因此，建立一套可靠的桥 梁结构健康监测评估系统，使管理维护部门能够根据桥梁的结构破坏特征及实 际使用情况进行有效的维护管养已经成为工程界的共识【4 羽。对桥梁结构进行健 康监测评估具有以下三个优点：( 1 ) 有助于提高桥梁运营的安全性并延长其使 用寿命；( 2 ) 早期发现桥梁病害，可以避免由频繁大修导致的关闭交通，节约 养护费用、减少经济损失；( 3 ) 防止桥梁坍塌事故的发生，保障交通安全。可 见，对桥梁进行科学的维护管养具有重要的实践意义与价值。 本课题以武汉某大桥的健康监测系统为背景，监测内容涉及桥梁的温度、 应变、车辆检测、气象、压力及伸缩缝等信息的监测，现场布置光纤类和电类 两种传感网络。各传感器子系统与计算机之间采用不同的通信协议，如串口、 u d p 等。由于传感器子系统分别来自不同的厂家，软件的开发平台并不相同， 导致子系统采集到的数据无法直接融合到实时的桥梁健康监测系统中去1 1 。另 外，光纤类传感网络的监测对象较多且对数据的实时性有较高的要求，而多线 程技术使得系统的多个操作可以在不同的线程中同时执行，可以很好地满足系 统对数据实时性的要求。因此，对基于多线程、多通信协议的桥梁健康监测系 统进行集成研究是非常必要且可行的。最后，本课题还对桥梁的结构变量进行 了相关的数据分析，包括信号间的相关性和趋势预测，为桥梁健康监测系统做 武汉理工大学硕士学位论文 出正确的评估和决策提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 随着国民经济的不断发展，国内车辆数量不断增加，给交通运输带来极大 困扰，因此交通运输的健康状态直接影响着我国的经济和国民安全，其中大型 桥梁作为交通运输的关键节点，更是重中之重。2 0 0 9 年底，全国公路桥梁达6 2 1 9 万座、2 7 2 6 0 6 万米，比上年末增加2 7 3 万座、2 0 1 3 7 万米，其中特大桥梁1 6 9 9 座、2 8 8 6 6 万米，大桥4 2 8 5 9 座、9 8 1 9 0 万米【1 2 1 。然而，成桥容易受到各种因 素的影响导致其承载能力的下降，这些因素包括气候、腐蚀、氧化、长时间的 静载和活载等，这不仅缩短了桥梁的使用寿命，甚至导致意外事故的发生。为 此各界从未间断对桥梁健康课题的研究，希望通过对桥梁现场数据进行特征提 取及分析处理，可以及时地发现安全隐患并做出正确的分析决策，以确保桥梁 的安全运营，防止意外事故的发生1 1 3 15 l 。 自2 0 世纪5 0 年代以来，一些典型的桥梁事故使得人们开始认识到对桥梁 进行健康监测的重要意义，但由于早期科学技术与检测手段的局限性，关于桥 梁健康监测系统的研究和应用一直未得到较好的发展。直到2 0 世纪8 0 年代后 期，随着检测手段和现代信息技术的不断提高，各学科的工程技术人员开始了 对桥梁健康的安全性和耐久性的研究【蛤1 7 】。自2 0 世纪9 0 年代起，我国也逐渐 开始在一些大型桥梁上建立不同规模的健康监测系统。随着桥梁健康监测技术 的不断成熟，近些年来，国内大多数的桥梁均安装了健康监测系统，以便对桥 梁的健康状况进行评估和维护，如东海大桥、武汉长江二桥、阳逻长江大桥、 贵州坝陵河大桥、杭州湾跨海大桥等 1 8 - 2 1 】。作为本课题研究背景的桥梁健康监 测系统，目前也已成功地投入使用，且运行状况良好。国内外主要大桥配置健 康监测系统的情况如表1 1 所示1 2 2 - 2 4 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 国内外配置健康监测系统的大型桥梁统计表 1 3 工程结构健康监测系统集成的发展 随着传感器、计算机与网络等技术的不断发展，结合历年来国内外健康监 测系统集成的研究与应用，可以发现工程结构健康监测系统的集成主要经历了 以下5 个发展阶段【2 5 。1 l ： ( 1 ) 传统人工巡检 该监测方法主要利用肉眼、传统仪表或专用检测分析仪器，对结构变量进 行定时或不定时的手动测量，获取现场的数据后，根据长期从事该工作所取得 的经验对工程结构的损伤程度及潜在危险等做出判断。该监测方法的缺点在于 手动检测自动化程度低、过多依赖监测人员的经验、数据实时性差。 ( 2 ) 集中式在线监测 从该阶段监测系统的名称不难发现，它集监测系统的各功能模块于一台计 算机之上，如数据采集、信号提取和损伤识别。该监测方法的优点在于维护方 便、系统费用开销少。缺点在于对计算机性能要求较高、有限数量的监测测点、 仅适用于距离较近的主体部分，存在空间局限性。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 分布式在线监测 这种监测系统的特点是由多台微机组成一个完整的诊断网络，微机之间通 过传统的计算机通信手段( 如串行口和并行口等) 进行数据的传输。监测系统 中的数据采集子系统和信号的预处理一般交由下位机来完成，上位机则负责信 号分析与数据的管理。较之集中式的在线监测系统，本类系统的性能得到了提 高，但与此同时也提高了系统的投资成本和技术难度。 ( 4 ) 远程分布式在线监测 该系统基于网络技术，实现数据的共享使得系统的访问不受空间的限制， 实现了远程异地在线监测与损伤诊断。随着数据的实时更新，相关技术人员便 可以通过网络及时地发现损伤，做出正确的决策。 ( 5 ) 无线传感器网络监测 为了解决工程结构监测中传感器布设难的问题，人们开始研究现场布设简 单的无线智能传感器，并尝试将其应用于实践。该类系统与远程分布式在线监 测系统有很多相似之处，所不同的是本类系统采用无线传感器，减少了布设与 维护时的工作量。 目前，在桥梁的健康监测领域中应用较多的是第四类系统集成方式。一个 典型的远程桥梁健康监测系统监控中心的分布如图1 1 3 2 - 3 5 。 g i s 、g p s & c l i m a t i cd a t a l 0 c a t i o n r e m o t ei a l l o c a + i a i i n + ，、“1 1 ： u a ml u 儿c c l i u 儿 ll( ) lt ：。l & b i 搬r l i ll o 鬯；。n i c f 0 r a n 图1 1 典型的远程桥梁健康监测系统监控中心的分布 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 桥梁健康监测的相关技术 结合系统集成和软件设计的需要，本节将对桥梁健康监测系统中应用的相 关技术进行详细的介绍，其内容主要包括光纤传输技术、虚拟仪器技术和基于 a d o 的数据库访问技术三部分。 1 4 1 光纤传输技术 自1 9 7 0 年美国贝尔实验室成功开发出用于通信的光纤以来，光纤在通信领 域便得到飞快地发展。近些年，随着科学技术的不断进步，人们对系统传输信 息量的要求越来越大，于是光纤新技术不断涌现，用以提高光纤的应用能力。 同时，光纤通信的应用范围也不断得到扩大，如工程监测、电力、军事、生物 医学等，具有容量大、衰减小、抗干扰性强，适宜远距离传输等优点【3 6 1 。光纤 传输技术在桥梁健康监测系统中的应用主要涉及以下两方面的内容。 ( 1 ) 光纤通信系统 光纤传输的作用是将信息从信道的一端传送到另一端，是信息的传输媒介。 通常情况下，光纤通信系统包括光发射机、光纤和光接收机，若传输距离较远 的话，还应在光纤传输的过程中进行光信号的放大，需要添加光中继器，如图 1 2 所示。 信 息 光发射机光纤 光纤 光接收机 i l 协 复用 调制 光检解调解复 - _ 呻 # ： 器器 测器器用器 i 信 息 图1 2 光纤通信系统的基本组成 光发射机的作用是经过一定的处理( 包括复用和调制) 将电信号转换为光 信号，以便其在光纤中进行信号传输；光中继器主要用于对传输中衰减的信号 进行放大，以适应远距离传输的需要；光接收机用于把光纤传输后的光信号转 换为电信号，并进行相关处理以获取原始信号【3 7 】。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 光的波分复用技术 利用光的波分复用技术，将多个光信号在一根光纤中传输，可以减少传感 器的布线，为全桥布设的光纤传感器构建一个分布式网络，同时，减少了硬件 资源的投入，这样给光纤光栅解调仪的每个通道配置尽可能多的传感器，就可 以避免资源浪费，减少不必要的资金投入。 光的波分复用技术，是指将两种或多种波长不同的光信号，在一根光纤上 进行传输的一项技术。该技术的基本原理是将波长不等的光信号在发送端经复 用器汇合，然后耦合在同一根光纤中进行传输；在接收端再经解复用将各波长 信号分离开来，然后由光接收机做进一步处理并恢复原信号，送入不同终端【3 引。 具体原理如图1 3 所示。 信号1 。光发射机 ( 波长1 )一1 光滤波器l 罔光接收机i 信号2 。光发射机i 一光滤波器2 料光接收机i( 波长2 ) i - -轷景败匦斟 l 光纤线路一 信号n 。光发射机 一光滤波器n 削光接收机i ( 波长n ) 图1 3 波分复用系统原理 发射端n 个发射机发射波长不同的光信号，其波长分别为1 - n 。将n 个光 信号汇聚并耦合在一根光纤中。如果传输线路较长，可加光放大器对较弱的光 信号进行信号的放大。在接收端放置n 个滤波器，对波长具有选择作用，即进 行信号的解复用操作。光接收机对分离开来的光信号可还原出原始信号。 1 4 2 虚拟仪器技术 随着电子科学技术的不断发展，电子行业常用的基本器件测量仪器， 先后依次经历了模拟仪器、分立元仪器、数字化仪器和智能仪器四个阶段。随 着测试技术与计算机技术的飞速发展，传统测量仪器在应用方面的局限性，使 其越来越不能满足信息时代的要求，这样8 0 年代末期就出现了一种全新的仪器 结构概念，为新一代仪器虚拟仪器提供了很好的发展空间。近年来，虚拟 仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称“v i ) 充分利用计算机资源，并以其硬件结构模 块化、程序开发周期短、适应性强的特点，得到越来越多工程界的认n - i t 3 9 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器以计算机软、硬件为基础，主要由计算机、硬件模块和相关软件 组成，将硬件模块化并与计算机一起集成硬件系统，并采用相关应用软件将二 者融合在一起，可以充分利用计算机资源和硬件模块的特有功能。因此，虚拟 仪器的出现，使系统硬件资源的投入大大降低，并使系统具有很好的扩展性； 软件设计给予用户更多的主动性，可以实现数据的采集、分析和显示等功能。 与传统仪器相比，通过硬件模块的配置和软件系统的设计，使用户的使用 具有更多的能动性，开发满足需求的专有仪器系统，且功能灵活，开发周期短， 有很强的扩展性。与传统仪器间的对比如表1 2 所示。 表1 2 虚拟仪器和传统仪器的比较 ( 2 ) 虚拟仪器的构成 虚拟仪器具有模块化的硬件结构，其开发过程以软件为主，具有很强的可 操作性和适应性。它的硬件系统组成如图l - 4 所示。 一信号调理卜- 一数据采集卡卜 - l 图形采集仪器l ， 测- 叫g p i b 接口仪器及g p i b 接口卡h 计算机工 控 l l 一h 1 。 作站( 各类 对 7 i 甲1 丁l j 仪葡i 7 软件) 象- i 并行口仪器i j 廿i 山：n 控r - 1i 。 r l 具他以禽恢ui 7 图1 4 虚拟仪器的硬件系统组成 7 武汉理工大学硕士学位论文 现场被测对象经过仪器模块( 如串行口模块、g p i b 接口仪器、p c i 数据采 集卡等) 的处理后，接入计算机，辅以应用软件，即可完成现场数据的获取、 分析和显示等操作。可见，该类仪器是基于计算机平台的，较传统仪器而言其 处理速度更快。 虚拟仪器测控方案的设计其实是将仪器硬件模块软件化的过程，美国n i 也 因此提出了“软件就是仪器 的观点，可见可灵活定制的软件在其设计过程当 中占有举足轻重的地位，是测试系统设计的关键。通常情况下，基于虚拟仪器 的测试系统构成方案如图1 5 所示，其中软件系统可以分为4 层，分别为f o 接 口层、仪器驱动层、测控程序层和系统管理层。 系统管理 测控程序 仪器驱动 i o 接口 仪器硬件 图1 5 基于虚拟仪器的测试系统构成方案 ( 3 ) 虚拟仪器在桥梁健康监测中的应用现状 就目前虚拟仪器的应用范围而言，它已经非常成功地应用在：电子测量、 工程实践、医疗、航空军事及教育科研等领域。另外，近几年虚拟仪器在土木 工程结构健康监测系统中的应用也有了非常成功的应用案例，如：上海市的东 海大桥、山东省的滨州黄河公路大桥的智能监测系统和加州大学圣迭戈分校 ( u c s d ) 鲍威尔实验室的智能桥梁试验床。另外，奥运场馆“鸟巢”和“水 立方”的结构健康监测系统也应用了基于虚拟仪器的数据采集软件技术。 8 武汉理工大学硕士学位论文 目前，虚拟仪器采用的软件开发平台，主要是由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ，简称“n i ) 推出的2 款软件，分别为l a bw i n d o w s c v i 和l a b v i e w 。 二者均提供了基本的函数库和附加开发工具包，如控制开发工具包、信号处理 模块、数据库开发工具包等，因此现有的函数库和模块化的工具包可以使项目 的开发周期大大缩短，更可以设计个性化的虚拟仪器面板。 本文也将采用虚拟仪器技术，开发桥梁健康监测系统的采集软件，以缩短 开发周期，提高系统的整体性能。系统中的传感器网络包括光纤传感器网络和 电致传感网络两类。对于光纤传感网络的数据采集本文以l a b v i e w 作为开发平 台，后者则将软件开发环境选为l a bw i n d o 、v s c v i 。 1 4 3 基于a d o 的数据库访问技术 o d b c ( 即o p e nd a t a b r i s ec o n n e c t i v i t y ) 是微软基于关系数据库的一种互联 技术，它提供了一组对数据库访问的标准a p i ，是数据库与应用程序之间的一个 公共接口，用户设计的应用程序可以通过这些a p i 访问任意可以提供o d b c 驱 动程序的数据库类型，如s q ls e r v e r 、a c c e s s 等【4 0 1 。该数据库访问技术执行效 率较高，只能处理关系数据库。 由于直接使用o d b ca p i 非常复杂，于是出现了a d o ( 即a c t i v e xd a t a o b j e c t s ) 技术来简化数据库编程【4 1 1 。它是微软提供的一种基于c o m 数据库访问 技术，可以访问关系和非关系数据库，是专门用于访问o l ed b 的面向对象的 应用程序接口，基于a d o 技术访问数据库的方法如图1 - 6 所示。 图1 - 6 利用a d o 访问数据库的方法 9 武汉理工大学硕士学位论文 o l ed b 是一组可用于数据库访问的a p i ，基于o l ed b 的通信是通过一个 p r o v i d e r ( 类似于数据库的驱动程序) 实现的。应用程序使用a d o 技术，将允 许与任何提供了o l ed bp r o v i d e r 或者o d b cd r i v e r 的数据库建立连接。如果一 个数据库具有o d b c 驱动，那么通过使用“o l e d bp r o v i d e rf o ro d b c 便可实 现从o d b c 到o l ed b 的功能转换，进而实现应用程序和数据库的连接。 1 5 本文的主要研究内容 本文结合桥梁健康监测的现状和现代信息技术，根据系统的监测项目要求， 针对监测模块间缺乏数据共享和有机集成这一问题，以武汉某大桥为研究对象， 设计基于b s 模式的桥梁健康监测系统的集成及相关数据分析。其主要内容包 括：硬件和软件的总体结构设计、光纤传感网络和电致传感网络的硬件集成方 案、数据采集系统的软件设计、数据的相关性和趋势预测分析。全文共分5 章， 各章的主要研究内容如下： 第l 章绪论。结合课题的研究背景及意义，介绍了桥梁健康监测的国内外 发展现状和工程结构健康监测系统集成的发展，并详细介绍了在桥梁健康监测 系统构建中涉及的相关技术。 第2 章桥梁健康监测系统的集成设计。结合桥梁健康监测系统的设计要求， 分析了系统的集成准则和监测内容，设计了系统的软、硬件总体结构，并详细 分析了光纤传感网络和电致传感网络的硬件集成方案。 第3 章桥梁健康监测采集系统的软件设计。结合桥梁健康监测的需要，分 析了采集系统软件的组成及功能，设计了光纤类和电致传感网络的数据采集软 件，并按系统功能要求实现了各类数据的存储。 第4 章桥梁监测信息的数据分析。针对系统采集的数据，分别从相关性和 趋势预测两方面进行分析，用以挖掘不同信号问的相互作用并对信号未来的发 展趋势进行预测，为系统的安全评估提供依据。 第5 章全文总结与展望。总结全文，并结合系统应用过程中可能存在的不 足，提出需要完善的方面。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章桥梁健康监测系统的集成设计 本章首先结合桥梁健康监测系统的设计要求，分析了系统的集成准则和主 要监测内容；接着分别从硬件和软件两方面，研究了系统的总体结构；最后详 细分析了光纤传感网络和电致传感网络的硬件集成方案。 20 1 桥梁健康监测系统的集成准则 结合本文开发的桥梁健康监测系统的设计要求，在桥梁健康监测系统的集 成过程中，坚持以下具体原则： ( 1 ) 长期性原则 短期或者不定时的健康监测，都可能导致特征数据的丢失，影响分析的结 果。因此，长期的跟踪监测将为系统做出正确的分析决策提供充足的数据保证。 c 2 ) 统一性原则 桥梁现场数量庞大的传感器或测试系统很可能分别来自不同的开发商，使 用不同的应用软件。因此，系统集成过程中将各测试系统的数据集中汇聚到中 央数据库，由工作站上单一的软件系统统一调度，实现数据的共享。 ( 3 ) 在线性原则 基于网络技术，实现数据的共享，使得系统的访问不受空间的限制，提供 用户操作界面，使系统功能在用户界面上得到及时的在线展示，实现远程异地 在线监测与损伤诊断。 ( 4 ) 易操作性和可扩充性 为了避免因操作复杂导致的困难和误操作，桥梁健康监测系统软件的集成 中应坚持易于管理和操作的原则。另外，设计中对软件系统进行模块化，避免 因设备变更或系统升级影响整个系统的设计，减少软件维护时的工作量。 ( 5 ) 可靠性与容错性 对桥梁结构进行实时与定时检测相结合韵监测方法，保证现场获取参数的 武汉理工大学硕士学位论文 准确性和系统运行的可靠性。当某一设备数据采集发生错误时，将相应错误写 入数据库或文档，而不采用对话框进行报错，保证其他设备数据的正常采集。 2 2 桥梁健康监测系统的监测内容 作为本课题研究背景的桥梁，是我国自行设计建造的斜拉式公铁两用桥， 其南汊主桥为双塔三索面钢桁梁斜拉桥，桥面分上下两层，公路桥位于上层， 铁路桥面在下层；其北汊，公路、铁路以中心位置相距4 0 m 的距离平行布置， 公路桥位于铁路桥的上游，该桥四轨并行，结构载荷为2 万吨。大桥主跨5 0 4 m ， 实现了我国公铁两用斜拉桥主跨3 0 0 m 级到5 0 0 m 级的飞跃。 根据大桥的结构及受力特点，结合桥梁健康监测系统做出正确评价所需的 参数信息，将桥梁结构的应力、荷载和温度监测作为长期的实时监测项目，其 详细监测内容如表2 1 所示。 表2 - 1 桥梁健康监测项目详表 本设计中桥梁结构的荷载监测包括如表2 1 中的风速风向、温度、湿度等气 象载荷和车辆载荷的监测。应力监测包含截面应力监测、关键斜拉索的索力监 测、铁路纵、横梁应力监测等；伸缩缝和线性两个监测项目，均为位移变形监 武汉理工大学硕士学位论文 测，前者用来监测伸缩缝纵向和水平位移，后者则用来反映主梁与主塔轴线的 变化情况；振动加速度则为桥梁结构的动态特性监测，用以获得各种载荷下的 动力响应( 如振动位移和加速度) ，预测桥梁可能的损伤位置。 2 3 桥梁健康监测系统的总体结构设计 通常情况下，构建桥梁健康监测系统的目的是为了实现系统的统一管理和 数据的共享，提高管理的自动化水平。所谓健康监测系统的集成是指在物理、 逻辑和功能上将各系统模块搭建在一起，用以实现健康监测所需的各项功能。 本系统的总体结构共包含两部分的设计：系统的硬件结构设计和软件结构设计。 其中，前者应遵循满足正常使用和性价比高的原则；后者则主要考虑开发的便 利性、良好的运行性能和较好的操作性。 2 3 1 系统的硬件总体结构设计 大桥的公路桥和铁路桥分别安装了桥梁健康监测系统，且系统的软、硬件 集成整体结构大体相同，图2 1 为公路桥健康监测系统的硬件总体结构框图。 图2 - 1 桥梁健康监测系统的硬件总体结构 桥梁监测现场的传感子系统包括光纤传感网络和电致传感网络两部分。本 文主要对两类传感网络进行硬件集成的设计和数据采集软件的设计，以实现数 武汉理工大学硕士学位论文 据的共享和系统的有机集成，同时做一定的数据分析；课题组成员完成基于b s 模式的应用程序设计，用以实现远程访问健康监测系统，其主要功能包括健康 评估、安全报警和巡检信息录入等。 ( 1 ) 光纤传感网络 光纤传感网络布设于现场，获取现场数据信息后，经光纤汇聚后，通过光 纤传输将现场的光信号，引入控制室，通过光纤光栅解调仪解调为数字信号， 即可由工控机l 进行采集与处理。 ( 2 ) 电致传感网络 考虑到桥梁现场与中央控制室相距较远，对电类传感器的数据传输仍选用 光纤。但该类传感器的输出形式为电信号，信号进行传输前需首先通过光电转 换器将电信号转化为光信号的形式，然后信号经光纤传输接入控制室，再通过 光电转换器将信号还原为电信号，最后通过串行物理接口接入工控机2 ，并在该 工控机上完成电致传感网络的数据采集、预处理和存储。 工控机1 、2 在完成本地存储的同时，均将采集的数据，导入数据库服务器。 数据库服务器是整个系统的数据中心，用于存储采集数据、经过数据分析与处 理的数据以及诊断分析结果；w e b 服务器则为其它机器访问数据库服务器提供 中间层服务；认证服务器主要是为i n t e m e t 提供系统接入时的认证服务；远程管 理端浏览器负责通过i n t e r n c t 以图形界面显示相关监测及评估信息并报警。 2 3 2 系统的软件总体结构设计 桥梁健康监测的软件系统充分利用已构建的网络平台和资源，采用3 层架 构，局域网内采用c s ( 即客户机服务器) 模式，以确保数据采集速度和系统 运行的性能；外网用户则采用b s 架构( 即浏览器服务器架构) ，方便桥管人员 在异地使用，随时观察桥梁健康状况，其软件集成如图2 2 所示。 来自桥梁现场传感器的各种信号，经数据采集系统采集到工控机，并做初 步预处理后( 预处理操作包含电类传感器五分钟内的数据取平均值、最大值和 最小值的操作，还包含了光纤类传感器由波长到应力和温度的转换) ，写入中央 数据库。同时，数据分析、模型修正和安全评估模块均以该数据为基础，进行 相关分析并做出科学的决策。软件设计基于b s 模式，这样远程用户可以通过 i n t e m e t ，实现桥梁的远程异地管理与安全状态监测。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 桥梁健康监测系统的软件集成 关于系统中的数据库系统，不仅需要保存和处理大量采集数据，还应包含 各子系统处理后的结果，如模型修正后的数据、报警和历史处理信息等。 桥梁健康监测的数据库管理系统构成分为本地数据库和中央数据库。本地 数据库采用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库，并将其作为部分数据的副本，用以实现数 据在网络故障时的本地存储和连接恢复后的自动恢复，避免造成数据的丢失； 中央数据库采用s q l i t e3 0 嵌入式数据库。通过在数据库中建立触发器、存储过 程和扩展存储过程，将本地s q ls e r v e r2 0 0 0 中的数据导入到中央数据库，为以 后的数据分析提供数据基础。 数据库的设计应包含从数据采集、分析处理和安全评估的全过程数据，因 此，数据库中表的设计应包括：( 1 ) 参数配置及标定数据表；( 2 ) 实时采集数 据表；( 3 ) 模型修正记录表；( 4 ) 检测维护记录表；( 5 ) 报警历史数据表；( 6 ) 荷载试验数据表。 该软件的设计流程包含从数据的采集一直到桥梁健康状况的识别与评估， 整个监测过程就像一位医生，为桥梁的养护、维修和管理提供科学的决策。 2 4 传感网络的集成设计 在健康监测系统中，传感器子系统作为系统的最底层，为之后的数据采集、 信号分析等提供必要的数据资源。通过在桥梁现场布设精确度高、性能优化的 传感器，可以为正确的分析决策提供精确、可靠的数据保证。 武汉理工大学硕士学位论文 由于桥梁的监测信息较多且监测系统对某些变量的数据精度要求较高，本 系统为该类变量的监测选择了精度较高的r