东莞某水道特大桥健康监测系统研究设计.doc

东莞某水道特大桥健康监测及诊断系统研究设计陈烁钊摘要：桥梁是重要的道路交通设施，也较容易产生安全隐患，一旦发生安全事故必将造成巨大人员伤亡和财产损失。根据城市桥梁养护技术规范（CJJ992003）要求，为防患于未然，东莞市某水道特大桥计划实施健康监测及诊断系统。由于可资参考项目不多，成熟经验较少，本文所介绍的系统基本思路和构成，对桥梁安全管理具有一定的现实指导意义。关键字：城市桥梁 健康监测及诊断系统 研究设计引言：近年来，国内外桥梁频发安全事故，特别是大型桥梁，如美国明尼苏达州一座跨越密西西比河的大桥坍塌事故、我省九江大桥撞击事故、重庆綦江彩虹桥垮塌事故、湖南沱江凤凰城大桥事故等，都给广大人民群众造成巨大人员伤亡和财产损失。根据美国桥梁管理和养护协会提供的不完全统计资料，桥梁的破坏呈早期与后期高危险的“盆”式曲线。我国自上世纪八十年代以来，由于经济的高速发展，在短短二十年的时间内，一大批结构新颖、造型优美的超大、特大型现代化桥梁以极快的速度出现在各条国、省道干线公路和城市主干路跨越江、河、湖、海湾的咽喉控制部位。相继建设完成世界上最大跨径的钢管拱桥（卢浦大桥、主跨550米）、世界上最大跨径斜拉桥（苏通大桥，主跨1088米）、世界上第二大跨径悬索桥（西堠门大桥、主跨1650米）等等世界顶级桥梁。目前，中国桥梁设计和建设水平已跻身世界强国之列。相对大桥的设计和建设水平，国内大型桥梁管理方式仍比较落后，诸多桥梁仍处于只建不养或养护管理不到位的现状，以致不少桥梁长期带病工作，甚至出现突发性破坏事故，造成了巨大的损失。根据近年来我们所完成的桥梁检测工作，经分析研究，危及我市城市桥梁安全的病害及其成因主要有以下8类。1、砌体结构开裂；2、梁板整体性差，单梁板受力现象突出；3、钢筋混凝土双曲拱、刚架拱、肋拱刚度偏小；4、大跨度连续箱梁、T构跨中下挠、梁体开裂；5、地基基础软弱，桩基下沉；6、道路升级改造加大既有桥梁荷载；7、河道污水腐蚀桥梁下部结构；8、附属设施缺失，桥梁伸缩缝状况较差。因此加强桥梁运营期间管理，对于重要的桥梁实施安全监控，及时掌握桥梁的安全状态，对保障道路通行安全具有十分重要的意义。一、项目概况东莞市大汾北水道特大桥位于市区环城路，跨越大汾北水道三叉交汇口，主桥桥型为单孔128m下承式钢管混凝土系杆拱桥。每幅桥设2片拱肋，全桥拱肋共46对92根吊杆。桥面系由横梁、加劲纵梁和型车行道板及桥面后浇层组成。下部结构主墩墩身及承台设为两个分离式钢筋砼结构，主墩基础每墩8根180的钻孔灌注桩，墩身采用空心闭合箱型截面。桥面按双向八车道外加人行道设计。横桥向分为左右两幅完全独立且对称的桥，每幅桥面宽24m，具体组成为：3.75m（人行道）+0.5m（防撞护栏）+15.5m（车行道）+ 0.5m（防撞护栏）+ 3.75m（过桥水管和检修道）。桥梁整体布置图见下图。设计荷载：汽车超20，挂车120。人群荷载3.5KN/m2（按人行道净宽2.85m布载）。该桥2005年4月28日建成通车，目前车流量约每天约10万车次。由于车流量密集，重型车辆多，一旦发生事故，后果将非常严重。为及时掌握桥梁运行状况，防患于未然，根据城市桥梁养护技术规范（CJJ992003）要求计划在该桥实施安全监控系统。 大汾北水道特大桥主桥平立面布置图（单位：cm）二、系统需求及设计原则影响桥梁安全运行有各种各样因素，其中危害最大的主要是结构内力状态改变、结构损伤及两种因素综合作用。由于桥梁所处环境各异，在分析产生以上因素时，必须充分考虑周围环境及交通荷载等动态状况的影响。（一）本系统具体包括如下几个方面内容：1、对交通荷载状况进行监测，确定桥梁实际运营荷载水平及其对今后可能增长的交通荷载的承受适应能力，控制超限运输对桥梁结构造成的不利影响；2、对桥梁运营状态下应力、变形以及变位等响应进行监测，掌握桥梁的实际受力状态和使用工作状况，评估不同应力和变形变位水准下结构的安全可靠度，并通过疲劳分析等理论确定构件或结构的使用寿命，预报可能存在的隐患或质量衰退；3、对桥梁的振动响应进行监测分析，掌握其动力性能，判断是否有对大桥有害的振动，并为损伤识别、抗风抗震性能评估提供依据；4、纪录大桥可能经历的重大荷载及事故历程，如地震、超重交通荷载以及被车、船等撞击情况下的状况，并判断大桥是否因此而损伤；5、对大桥所处环境及关键部位长期变化进行监测，通过时间序列分析，及时查明大桥关键部位的变化趋势与变化规律，进而判断大桥可能存在的质量隐患、可能发展态势及其对结构安全运营造成的潜在威胁，为大桥评估、养护以及维修加固提供科学依据；6、设定大桥安全预警值，提供等级预警信息。大桥在运营中若某种响应超过预警值，会及时给出警报，提示出现非正常荷载或大桥某部位性能退化，以便加强大桥检查或加固维修。（二）根据以上需求，确定东莞市大汾北水道特大桥安全监控系统的设计原则：1、根据桥梁的结构特点，把握影响结构安全的主要因素，建立一套功能齐备、性能完善、经济合理的健康监测及诊断系统；2、采用技术成熟的系统配套产品，保证系统的准确性、稳定性；3、采用模块化设计，保证系统的可替换性、经济性；4、采用开放式系统设计，保证系统具有良好的升级、远程数据共享及监控功能；5、设置适度冗余的传感器及相关设备，保证系统的可靠性，并满足系统改进、扩展和完善的需求；6、采用日常监测和定期监测相结合的办法，减少数据采集量和后处理难度；7、设计强大、合理、易用的前、后处理模块，以有效处理、分析和管理采集的数据。（三）根据以上原则，监控系统要达到如下目标要求：1、 为大桥运营期科学有序的监测巡检养护运营管理提供一个平台；2、尽早发现桥梁结构自身及行车所面临的危险状况，能够在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警； 3、有效的掌控运营期大桥的结构使用状态，在结构安全及行车安全受到威胁的情况下采取适当的措施实现主动安全控制，切实提高结构的全寿命安全度；4、制定合理的预防性养护措施，有效降低大桥运营成本，为桥梁结构的科学养护维修提供依据；5、建立损伤及内力状态管理机制，追踪其演变过程，推测其预期的发展，并为制定相应的大桥管养对策提供技术支持； 6、为桥梁管理者提供桥梁的巡检养护手册以指导并规范其养护行为，有效提高和保障桥梁运营的检测、养护和管理水平；7、辅助大桥管养者制定高效、经济、合理的运营管养措施，最大限度延长桥梁的安全使用年限。三、系统设计总体框架桥梁结构健康监测及诊断系统是一个系统工程，其核心任务是获得环境荷载以及结构的响应、局部损伤等信息，在对监测信息进行综合评估的基础上获得行车和结构的双重安全状态信息。为了更好地完成上述目标要求，系统主要包括以下内容：1、传感器监测子系统。用于信号监测，主要将各类监测信号转换为电（光）信号作为监测评估的依据，为结构安全、高效、经济运营提供技术支持。2、电子化人工巡检养护管理子系统。用于制订桥梁的巡检体制以及巡检养护手册，并要求运营期根据手册设定的结构巡检任务，安排人员设备进行定时、定量、程序化的系统巡检，完成巡检的管理、记录、归档、分析和评估等工作；3、数据采集与远程传输子系统。采集准确、可靠、具有代表性、如实反映结构状态的各种特征信息，并通过网络传输到数据处理中心直接关系到桥梁健康监测系统能否对桥梁结构的健康状态作出正确的评估，能否为验证设计和桥梁管养提供科学的依据。4、数据处理与控制子系统。对数据采集系统收集到的数据进行筛选与挖掘，将有效数据通过远程传输到远程监控中心数据处理与控制服务器。5、综合安全评估子系统。根据监测数据进行结构状态与损伤识别，并综合识别的结果以及人工巡检结果对桥梁结构的安全使用状况进行评估。包括结构评估识别子系统和结构安全控制辅助决策子系统。6、中心数据库子系统。各子系统数据的支撑系统，完成数据的归档、查询、存储等工作。7、用户界面子系统。将各种数据向用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入。各子系统之间运行时的相互关系见下图。桥梁结构健康监测及诊断系统总体框架系统安全的信息来源于两个主要途径，一是利用自动传感测试系统获得力学指标的监测结果，二是利用人工巡检获得损伤的直接监测结果。对于损伤信息，系统可以直接进行记录与简单的分析；对于力学监测指标则通过状态识别、损伤识别及无模型预警获得相关的信息。最后利用综合评估模块对以上损伤及状态信息进行综合评估从而获得直观、简洁、易懂、对养护管理具有现实指导意义的桥梁结构综合评估报告，具体框图如下。结构健康监测及安全监控预警系统总体结构四、传感器监测子系统传感器模块的核心任务是获得环境荷载以及结构的响应、局部损伤等信息，主要将各类监测信号转换为电（光）信号作为监测评估的依据，为结构安全、高效、经济运营提供技术支持。（一）监测内容及测点布置桥梁的工作环境包括风力风向、环境温度湿度、车辆荷载等多方面的因素，这些因素对结构的影响都是直接且重要的。根据东莞大汾北水道特大桥的具体情况，主要监测内容包括：环境风、温度、湿度监测；结构几何状态，包括主拱肋线形监测、主梁线形监测及基础沉降监测；结构响应与损伤，包括应力监测及吊杆索力监测；动态特性与振动响应，包括结构的频率、振型和阻尼特性，振动响应监测；交通荷载源，包括超重、超限、超速车辆特征、运营车辆荷载的统计特性等。具体测点及监测项目详见下表。大汾北水道特大桥监测项目及测点布置（单幅）序号监测项目测点数测试方法测点位置1风力风向2通过风速仪进行自动监控主梁跨中、拱顶2结构温度8数字温度传感器拱脚，拱肋1/4、拱顶断面位置的钢管及管内混凝土各1个，主梁底跨中及1/4处各1个。3环境温湿度3通过温湿度仪进行自动监控主梁跨中和1/4处4拱肋变形6全站仪主跨拱顶、1/4、3/4处5主梁桥面线型10精密水准仪主跨1/4、跨中、3/4处6吊杆、系杆索力14磁通量传感器长、短吊索和系杆7动力特性16加速度传感器拱肋4分点、拱顶主梁4分点、跨中8应变测试40光纤光栅应变传感器监测拱脚，拱肋1/4、拱顶断面，主跨主梁1/4、跨中、3/4处9车辆监测3车流量监测仪(3车道)桥面（二）设备选型设备选型直接影响到系统运行的可靠度、维护及工程造价。无疑设备选型是系统建设的重要环节。本系统设备选型遵循如下原则。1、传感器测试元件以及监测仪表的好坏从根本上决定了整个系统中自动化测试数据采集传输是否有效。由于国内外生产、销售可用于土木工程结构监测、监测设备很多，各厂家生产的传感器性能及价格千差万别，即便是同一类型的传感器，不同型号技术性能和价格亦不尽相同，因此在进行系统监测仪器的选择上宜以可靠、精确、耐久、简便、经济实用、自动化程度及可更换性等为原则。具体如下： （1）选择合适的传感器精度，根据桥型及环境状况选择合适的传感器布设位置；（2）传感器应能保证长期稳定工作，须选用国内外知名品牌以满足长期健康监测服务的需要，寿命要至少在10年以上；（3）传感器应具有较适合的频响范围以满足指定时间的实时监测的需要，应能够较容易满足组网使用的要求，主要传感器尽量选用相同类型；（4） 采用高质量数据传输线，以保障使用寿命及数据可靠性。2、索力测试设备对于桥梁索结构的索力监测，目前国内外尚无经过长期工程实践传感器，业界基本采用直接测力法、振动频率法和磁通量法。（1）直接测力法，主要是指通过监测应变方式或采用油压方式直接获得索力，如直接安装在拉索锚头端的压力环式整体索力计、直接在拉索中布设光纤光栅传感器等，采用此方法测试精度高，但其仍处于研发阶段，其使用性能、耐久性和可靠性均没有得到工程的长期考验，而且其安装复杂，不可更换，因直接参与受力，对结构的安全性影响有待于长时间考证，尽管在大桥结构的监测系统中部分已使用，但是仍需慎重考虑。（2）振动频率法，振动测试法是通过安装在斜拉索、吊索、主缆缆索上的速度传感器获得索自振频率，再利用索频率与索力的对应关系来计算索力。该设备容易受风及主梁自身振动的影响，分析算法和软件也不是很成熟，难以实现索力自动转换，无法编程做到频率法测试索力的实时性，仍需要人工寻找测试峰值，再利用结构计算频率与索力的对应关系。（3）磁通量法，磁通量传感器的基本原理是：索结构是一种铁磁性材料，当它受外荷载其内应力发生变化时，引起其磁导率发生变化，通过测定磁导率变化来反映应力变化，进而测出索力，主要由磁通量传感器和磁弹仪两部分组成，磁弹仪可直接显示索力。该传感器具有精度高，分辨率高，温度补偿精确，长期稳定性好，坚固耐用，寿命长，可更换等优点，但造价较高。传感器的实物见下图。图6.3 磁通量传感器实物图（4）索力测试设备对比，应该说各种监测方法均在桥梁的监测中能够具有一席之地，但考虑到本项目是长期实时监测，应着重于采集设备的耐久性，所以对于索结构的测试设备宜采用磁通量传感器进行监测。五、电子化人工巡检养护管理子系统为弥补传感器监测子系统的不足，确保大桥安全、健康运营，同时节省工程造价，系统辅助定期电子化人工测量、检查。内容包括：桥面系、吊杆的防护、锚头、伸缩缝等局部构件，也包括主拱及桥面线型等。人工检测数据输入“数据分析和处理系统”，通过自动监测与人工巡检数据对比，对桥梁结构状况进行综合评估。（一）桥面系构造的检查。1桥面铺装层纵、横坡是否顺适，有无严重的裂缝（龟裂、纵横裂缝）、坑槽、波浪、桥头跳车、防水层漏水。2伸缩缝是否有异常、破损、脱落、漏水，是否造成明显的跳车。3人行道构件、栏杆、护栏有无撞坏、断裂、错位、缺件、剥落、锈蚀等。4桥面排水是否顺畅，泄水管是否完好、畅通，桥头排水沟功能是否完好，锥坡有无冲蚀、塌陷。（二）钢管混凝土拱肋的检查。1构件（特别是受压构件）是否扭曲变形、局部损伤。2焊缝边缘（热影响区）有无裂纹或脱开。3油漆层有无裂纹、起皮、脱落，构件有无锈蚀。4钢管与混凝土是否脱空，脱空的范围、长度如何，能否满足钢管与混凝土协同工作的要求等。（三）系杆吊杆系统的检查。1检查系杆吊杆的空间位置，注意是否有异常变位。2检测吊杆振动频率、索力有无异常变化，索体振动频率观测应在多种典型气候下进行。3系杆吊杆索体的表面封闭、防护是否完好，有无破损老化，垫圈是否破损老化，减振装置是否损坏失效。4逐个检查系杆吊杆的锚具，锚具是否渗水、锈蚀或损坏，是否有锈水流出的痕迹，周围混凝土是否开裂。必要时可打开锚具后盖抽查锚杯内是否积水、潮湿、防锈油是否结块、乳化失效，锚杯是否锈蚀。（四）支座的检查。1支座组件是否完好、清洁，有无断裂、错位、脱空。2活动支座是否灵活，实际位移量是否正常，固定支座的锚销是否完好。3支承垫石是否有裂缝。（五）墩台与基础的检查。1墩台及基础有无滑动、倾斜、下沉或冻拔。2台背填土有无沉降或挤压隆起。3混凝土墩台及帽梁有无冻胀、风化、开裂、剥落、露筋等。4墩台顶面是否清洁，伸缩缝处是否漏水。5基础下是否发生不许可的冲刷或淘空现象，扩大基础的地基有无侵蚀。桩基顶段在水位涨落、干湿交替变化处有无冲刷磨损、颈缩，有无环状冻裂，是否受到污水、咸水或生物的腐蚀。（六）拱肋、桥墩三维坐标定期监测1设立永久性观测点，定期进行控制检测。永久性观测点的编号、位置均应在竣工图上标明，桥梁主体结构维修、加固或改建前后，必须进行控制测量，以保持观测资料的连续性，若控制点有变动，应及时检测，建立基准数据。2桥梁永久性观测点的设置要牢固可靠，当永久控制测点与国家大地测量网联络有困难时，可建立相对独立的基准测量系统。永久性观测点和检测项目如下表：检测项目观测点1墩顶及桥面高程沿行车道两边，按边跨支点、跨中，主跨跨中、L/4、3L/4等，共16个点高程监测点2拱肋空间位置每根拱肋设3个观测点，跨中、L/4、3L/4，共12个点三维拱肋坐标监测点3伸缩缝相对变位沿行车道两边布置观测点六、数据采集及远程传输子系统数据采集及远程传输是整个监测系统的基础。传输网络将数据完整地传送到数据中心处理。桥梁健康监测系统能否对桥梁结构的健康状态作出正确的评估，能否为验证设计和桥梁管养提供科学的依据，取决于数据采集系统能否采集到准确、可靠、有代表性、如实反映结构状态的各种特征信息。基本原理如下：1布置在桥梁各测点的传感器采集桥梁结构的整体位移(使用GPS系统)、应力(动态采集使用电阻应变片及光纤应变传感器。静态采集使用振弦式应变计)、振动(使用加速度传感器)和环境参数(使用风速风向仪和温度计)等信号，并产生相应的电信号或光信号，通过导线传输至就近的外站。2各种信号调理器或读数仪将相应的传感器信号进行滤波、放大，调制成规范的信号(模拟或数字)送入外站工控机，即数据采集服务器(如是模拟信号需要进行AD转换)。外站工控机数据采集软件实时采集这些传感器的监测数据，并保存在本地工作站。3通过TCP/IP网络将各外站的监测数据送人数据中心的计算机服务器。在中心监测系统计算机中进行分类预处理，并存入服务器数据库中。如有报警信息，将及时进行报警。4桥梁健康监测系统的监测与评估软件将存储在计算机服务器数据库中的数据，进行综合处理，使用直观的图形与动画显示，统计、分析与评估桥梁的结构参数，保证大桥的安全营运。（一）数据采集数据采集与传感器的输出信号和监测变量的特征有关，需要考虑的内容涉及：传感器输出信号特征、传感器输出信息量和传感器的空间分布。该子系统实现对多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并进行必要的分解、变换，然后传输到远程分析中心子系统。采用一个高性能32位嵌入式处理器Philips LPC2200来驱动AD完成模数转换、控制采样频率、配置采集通道、接收采集到的数据并将数据存入缓冲区。采用集成了8019以太网控制器和TCPIP协议栈的RCM3000来接收用户采集命令，通过以太网发送采集数据。1信号调理器本系统采用了多种类型的传感器，这些传感器输出信号的种类也多种多样，从而大大增加了数据采集系统架构的难度和复杂性。本系统利用针对桥梁结构特点所研发的信号调理器能够很好地解决这个问题，采用输出一致的以太网信号调理器将各种不同的模拟或数字I/O信号调理成为统一的标准以太网信号。所研发的信号调理器共四类：应变信号调理器、加速度信号调理器、通用信号调理器、温度信号调理器。该四类信号调理器具有以下主要特点：（1）调理器统一输出以太网信号，支持标准MODBUS TCP协议，UDP，TCP/IP，内置WEB Server，便于调试、管理、维护和升级；信号调理器采用16位高精度A/D转换器，对桥路和单端输入接入不同的电压基准，使调理器误差控制在0.1%以内；（2）调理器内置高速缓存，可以存储多次采集的数据一次发送，从而解决网络延时情况下的采集同步性的问题。调理器中存储传感器标签数据，保存各个传感器的所有采样参数、标定参数及固定编号等信息；（3）调理器接受POE网络供电，作为PD端的同时还可向传感器供电，符合IEEE 802.3af；MCU内置硬件看门狗，外接有效复位芯片，保证系统可靠运行；（4）调理器内置光电隔离芯片，确保良好的抗强电冲击性能；可以通过在线编程接口对调理器进行软件升级、维护；（5）信号调理器可在接受传感器模拟信号的同时接入数字温度传感器；可在桥梁恶劣环境下（工作温度范围：-2075；工作湿度：595%无凝结；海洋盐雾环境等）高效、高可靠性地工作，内含防雷模块，能够有效抵御感应雷及电气浪涌的冲击。（6）内嵌实时时钟，测量数据带时间标签，具备强大的模块间时钟同步功能，同步精度为微妙级，甚至亚微妙级，处于国际领先水平。主要性能指标详见下表。 加速度信号调理器的性能指标类型性能指标加速度信号调理器有效分辨率16位通道数1路单端输入输入类型单端电压输入范围5V采样速率100采样点/秒零漂移 10 uV /满量程漂移 20ppm/精度误差 0.1%动态信号处理动态范围为96dB以上，带通滤波等功能（截止频率范围为0.01Hz50Hz）CMR 50/60Hz100dBNMR 50/60Hz100dB输出激励12V14V通用信号调理器的性能指标类型性能指标通用信号调理器有效分辨率16位通道数8路单端电压或者电流信号（每个通道可单独进行设置输入类型），1路单总线输入（DS18B20数字温度传感器）输入类型电流、电压输入范围5V，10V，4-20mA采样速率每路25采样点/秒零漂移 5 uV /满量程漂移 10ppm/精度误差 0.04%CMR 50/60Hz100dBNMR 50/60Hz100dB输出激励+12V +24V 12V14V 应变信号调理器的性能指标类型性能指标应变信号调理器有效分辨率16位采样速率25采样点/秒精度误差 0.05%CMR 50/60Hz100dBNMR 50/60Hz100dB输出激励+5V，精度：0.05% FS；漂移：+10ppm/；驱动电流：30mA；隔离电压：3000V温度信号调理器的性能指标类型性能指标温度信号调理器有效分辨率16位通道数4路RTD温度传感器；1路单总线输入，DS18B20数字温度传感器输入类型RTD；单总线数字信号测量范围-20-85采样速率每路10采样点/秒精度0.5CMR 50/60Hz100dBNMR 50/60Hz100dB2数据采集的同步方案对于结构动态响应信号或需要做严格相关性分析的信号，各个测点之间数据采集的同步性是极其重要的。如果不能保证较高精度的时间同步性，那么后期的数据处理和结构分析必定不会得到满意的结果，甚至使我们陷入误区得出错误的判断和分析。本系统采用基于LXI总线的数据同步采集技术。LXI是以LAN为基础，建立在 IEEE8023(以太网)和 IEEE 1588(TriggerBus)之上，为高效能的仪器提供一个自动测试系统的LAN模块化平台。它是成熟的以太网技术在测试自动化领域应用的扩展，其具体思想是将成熟的以太网技术应用到自动测试系统中，以代替传统的测试总线技术，如 VXI、PXI、GPIB等。LXI总线时钟同步的原理如下所述。主时钟向所有从时钟发出一个同步信息包（简称SyncMessage 信息），而且这个信息包中包含有信息发出的精确时间，假设主时钟发出信息包的精确时间为T1。从时钟接收同步信息包，假设从时钟接收到信息包的时间为T2。T2=T1-offsetdelay1，delay1为网络延时。然后，从时钟在T3时刻发出延时请求信息包（简称DelayMessage），主时钟在T4时刻收到这个信息包。T3=T4-offsetdelay2。delay2为网络延时。主时钟最后给从时钟发送一个延时响应信息包（简称DelayResp）这个信息包中含有T4这个时间。这样，从时钟就已知了T1、T2、T3和T4这四个变量，假设主、从时钟之间的网络延时是对等的，可以用下面的公式计算出从时钟与主时钟之间的偏差，从而每个从时钟校准自己的时间。LXI总线时钟同步精度可轻松实现微秒级，甚至亚微秒级。基于LXI总线的时钟同步原理图基于LXI总线的时钟同步系统架构（二）数据传输系统包括传输网络、数据中心服务器、系统平台拓扑图及网络架构平台设计。1传输网络为了保证数据传输的稳定性与可靠性，数据传输协议使用最广泛的以太网协议和TCPIP协议。各传感器按不同的频率要求采集数据送往设置在桥梁上就近地点的数据采集点，各数据采集点内的计算机和数据中心计算机联成网络，通过网络数据中心的计算机软件将这些采集值进行处理，根据结构安全监测系统的不同要求进行显示与存储。桥梁健康监测系统的组网技术主要有两种：TCPIP技术和LONWORKS技术。TCPIP技术是受用户认可的、完全公开的网络通信技术。经过不断改进、提升，应用越来越广、市场占有率越来越大、成本也越来越低，速度也越来快。目前已从办公自动化逐渐向现场监控通信网络方面发展。东莞市大汾北水道特大桥梁结构健康状况监控及诊断系统的通信网络有如下特点：(1)传感器数量多，采集频率高，信息量非常大。传感器信号需要滤波、调制、放大及模数转换等一系列调理过程，过程复杂且精度要求高。(2)经各种信号调理器或读数仪调制后的输出信号的通信协议不同：有的输出是电压信号或电流信号直接进入计算机进行模拟数字转换；有的输出是RS232通信协议和计算机相连；有的输出则直接是TCPIP通信协议和计算机网口相连。(3)计算机网络庞大、距离远，对传输距离、运行速度及运行的可靠性有严格的要求。根据系统的要求及特点，本系统使用了TCPIP协议，采用了先进的星型网作为系统计算机网络，以提高系统的传输距离、运行速度及运行的可靠性。2数据中心服务器数据库服务器与应用服务器的选型是本项目设计的关键，从桥梁健康状况监控及诊断系统本身需求并结合曙光服务器的性能，我们认为核心数据库服务器首选曙光中高端服务器。从三层架构的应用体系来看，应用服务器消耗的资源不亚于数据库服务器消耗的资源，有的甚至更高。同时从应用服务器的高可靠性出发，建议应用服务器和数据库服务器配置一样。本系统采用典型双机设备架构，数据库服务器与应用服务器均采用曙光A650(R)-F中高端服务器各1台。另外，数据库服务器与应用服务器通过中间心跳线形成高可靠性HA系统，互为备份。2台服务器无论那一台因故障而瘫痪，另一台服务器都会接替瘫痪服务器的功能，不会造成整个监控平台的瘫痪，增加了整个系统平台的稳定性。磁盘阵列选择1台曙光DS6310FE，分别接入数据库服务器与应用服务器。本系统中所采用存储架构将在服务器与存储系统之间形成多条冗余的数据传输链路。存储资源的扩充与主机、服务器资源无关，不影响已有系统的运行，具备动态扩充能力。主机与存储设备之间通过光纤设备连接，不仅使应用可获得更多的带宽资源，同时也使得存储资源在不同主机之间的切换。3系统平台拓扑图针对东莞市大汾北水道特大桥健康监测系统要求，我们提出以下两种网络搭建方案：方式1：视频摄像头与各类传感器的数据通过VPN来传送到监控平台数据中心 方式2：视频摄像头和各类传感器的数据通过电信公网链接来传送到监控平台数据中心4网络架构平台设计根据应用分析，特定的应用必须要有特定的技术来实现，才能得到预期的应用效果。分析网络的应用，属于集中式应用（客户机/数据中心）。网络的数据流量有大约80%集中于网络的主干，所以网络的主干应该是高性能的交换式结构，而且具有较高的系统扩展能力（如端口数量）和新技术应用能力（如千兆以太网）。考虑到使用单位在今后的业务增长量，网络的主干设备必须在拓展性上作充足的考虑。另外，系统的安全高效运行需要系统内的各个设备具有独立的高性能和协同的高性能，为使网络结构尽量简单，应采用星型拓扑结构，建议中心节点与二级节点间为1000M以太网，二级节点与边缘节点间为100M以太网，服务器以1000M接入中心交换机。作为一个先进的实时监控平台网络，需要完成包括将各类传感器的信号、模拟视频图像以特定的编码格式进行数字化压缩处理，生成IP数据包，通过TCP/IP网络媒介传输。网络所延伸到的任何地方的终端用户通过普通电脑就可以对传感信号进行处理，对远程图像进行实时的监控、录像、管理 。监控平台网络在性能上应该考虑以下几个要求：数据处理；网络运行安全性；系统扩充；主干网对数据库软件持续；系统开放性；局域网远程用户的拨号接入；具有很强的分布式数据处理能力等。实时监控平台网络的核心层，主干交换机必须有足够的交换能力、背板带宽和吞吐量，以确保网内的所有终端都能无阻塞交换，并确定监控网络建成后，能在网络内部提供各种的应用，包括运行的数据库服务器、多个应用系统和其他应用的功能服务器等等；同时在将来能完成数据/语音/图像的有效传输，如传感信号无阻碍传输、数据的安全共享，远程实时监控等。千兆网能提供更大的网络带宽和更快的交换速度，可以满足网络上的数据量和信息量的爆炸性增长。千兆交换机比百兆交换机具有更高的背板带宽、更强的处理能力和更快的交换速度，可以加快网络主干的交换速度，从而提高整个网络的速度，为网络的扩展能力提供可靠的保证。（1）网络设备选型，设备的选型是网络当中非常关键的部分，以达到最佳的效果，即系统相对独立，升级简便，组网方式灵活，以保护现有投资和未来的发展。根据以上的特性，在网络设备选用银河风云网络产品，它是国内领先的网络互联厂商，其产品通过智能、安全及可靠的网络将信息设备连为一体，具有很好的可靠性和稳定性。银河风云系统的高性能、功能全面的千兆网络产品解决方案，利用千兆以太网技术建网。首先作为技术定位，千兆以太网的优势表现在：低价位的高带宽，可与Ethernet、Fast Ethernet平滑相连； 利用Ethernet知识即可管理、监视和维护Gigabit Ethernet； Gigabit Ethernet是组建核心骨干网的技术； 基于IEEE802.1Q/p标准实现CoS，从而提供不同的服务等级； 根据以上的银可风云产品性能，结合实际情况，网络方案中的交换机设备选用以下系列产品，接入路由器：选用银河风云多业务路由器Galaxywind Tritium C1705 ；核心交换机：选用银河风云全模块化交换机Galaxywind Tritium S5324TS；接入层交换机： 选用银河风云高级网管千兆交换机Galaxywind Tritium S3026A。（2）网络解决方案，银河风云公司的千兆网络产品功能非常全面，其主要使用的3个以下技术包括：带宽聚合技术：在两台交换机间提供链路的聚合，提供并行带宽，将多条Gigabit Ethernet Interface组成一条逻辑通路（Channel）。主要功能包括成倍增加带宽和为线路冗余提供可靠性，实现核心网络连接的线路冗余和平衡负载；在spanning tree标准中用到tritium的802.1D、802.1W等技术：实现在环型线路连接中，当一条发生故障，迅速恢复网络的连通性，恢复过程只有2-3秒钟的延时。，如果没有802.1w技术那么spanning tree的恢复过程需要45秒钟的延时。支持VLAN的划分，基于端口VLAN和支持跨交换机802.1Q 的VLAN，增强网络的灵活性，提高网络安全，控制广播风暴。建设完成后的桥梁监控与健康监测网络具有以下特点：a.高可靠性设计，Tritium S5324TS支持成树协议802.1d、802.1w、802.1s，在网络拓扑发生改变时，让您的用户完全感觉不到网络的重组时延，完全保证快速收敛的同时也提高了网络的容错能力，加上路由的负载均衡技术，使您的网络固若金汤, Tritium S5324TS交换机支持冗余备份，支持STP/RSTP/MSTP、VRRP等二、三层冗余协议；支持VRRP虚拟路由冗余协议，能与其他三层交换机构建VRRP备份组；支持扩展的ECMP,在满足路由备份的前提，下可实现按需带宽规划。 b.高性能，全线速交换，Tritium S5324TS具有192Gbps背板带宽，为所有的端口提供非阻塞性能。强大的处理能力是构建可靠、稳定、高速的数据交换处理平台的重要保障。千兆以太网为网络的骨干，以100M快速以太网到桌面的方式,也是目前最先进的局域网建设模式，这一点也满足了网络高带宽、高性能的建设需求，因此我们在方案设计中采用了骨干千兆以太网交换，信息点与接入交换机之间采用百兆以太网交换的方式，针对不同数据行为对端口依赖性的不同而采用各自不同的处理方式来最大限度地提升整机处理能力。接入层交换机S3026A具有高达13.6Gbps的背板带宽、6.6Mpps的全线速二层包转发率，S3026A还支持先进的端口带宽聚合技术，在业内率先实现堆叠体各成员交换机上联端口的联合捆绑，聚合带宽，有效避免了传统堆叠技术形成的较低上联带宽与堆叠体高背板容量之间的瓶颈问题，真正实现了堆叠体的高速入网，集成完整的安全策略的银河风云S3026A，配合整网安全策略平台，在净化您网络的同时也将您的网络进化。c.丰富的QoS策略，整个网络从核心到接入交换都对QOS做了很的设计，保证了视频数据流的流畅性、可控性，因为设备支持802.1p、WRR、RED、 DiffServ、等优先级处理和调度算法可以对不同优先级业务进行调度及良好的网络拥塞控制策略，支持基于源MAC地址、目的MAC地址、源IP地址、目的IP地址、端口、协议的L2L7复杂流分类，丰富的Qos策略是构建高质量NGN(下一代网络)的基础。支持CAR功能，可以实现基于端口和基于流的速率限制，限制的粒度可以精确至64Kbps，为网络带宽的精细化管理提供了手段。基于交换机时间、物理端口、MAC地址、IP地址、TCP/UDP端口号的应用流分类识别和带宽限速机制，完成了全网端到端的QOS保证，能确保重要业务量不受延迟或丢弃。同时，充分利用现有的带宽以保证网络的高效运行。核心交换机具有超背板带宽和高速路由转发能力，能够满足了所有插槽满配置情况下，所有线卡仍能保持线速传输和高速无阻塞的二/三层包转发速率，为保证全网的QOS，银河风云的全线设备均支持基于第三层的QOS标注DSCP（区分化服务编码点）。尤其是其先进的RSVP（资源预留协议）允许通信双方在建立传输信息之前可按不同应用预留足够的带宽，从而有效地减少传输迟滞和时延抖动，这对于用有限的带宽传送视频和音频以及其它实时多媒体信息非常重要。d.系统安全，保密性高，Tritium S5324基于最长匹配的路由策略。系统采用逐包转发方式，保证了所有报文均获得相同的转发性能，对“红码病毒”和“冲击波病毒”的攻击具有天生的防御能力，有效保证了设备安全。支持802.1x，并且基于数据流的接入控制，使802.1x在三层上能够进行很好实用化应用。支持Web Portal认证，满足多种应用需求。支持多种ACL访问控制策略。提供SSH的加密登陆和管理功能，避免管理信息明文传输引发的潜在威胁，elnet/Web登录的源IP限制功能，避免非法人员对网络设备的管理，SNMPV3提供加密和鉴别功能：确保数据从合法的数据源发出（引擎ID）；确保数据在传输过程中不被篡改（采用MD5和SHA认证协议）；加密报文，确保数据的机密性（采用DES56加密协议）。接入层S3026A 交换机支持硬件识别高层数据信息的能力，在交换机上可以直接配置交换机端口和MAC地址的绑定。这样做，可以简化管理，提高网络安全控制能力。限制端口最大连接主机数量，支持MAC+IP绑定、MAC地址自动学习，支持丰富的ACL控制访问策略，支持IEEE802.1X，提供基于端口的用户认证；支持IGMP源端口检查，可有效控制非法组播源，提高网络安全；IGMP V3支持通告主机希望接收的多播源的地址，避免非法的组播数据流占用网络带宽；通过PVLAN（保护端口）隔离用户之间信息互通，不必占用VLAN资源；端口MAC地址锁和端口MAC地址接入数量功能可以屏蔽非法主机的接入,因为酒店上网用户流动性比较大，没有办法对客户的所有终端进行详细监测系统，如果有一台PC有问题，有可能导致整个网络出现故障，特别是当然流行的一些DOS攻击、DDOS攻击和arp欺骗，如果通过在接入层交机换机进行相关的IP+MAC地址绑定，再限制端口的MAC地址数，可以很好的防范一些内网攻击。七、数据处理及控制子系统数据处理与控制子系统通过对系统采集到的数据进行筛选与挖掘，将有效数据通过远程传输到监控中心，提交给后续子系统使用。控制系统软件运行于远程监控中心服务器，能对数据采集与传输子系统的工作进行设置和控制操作。其总体构成见下图。 数据处理与控制系统构成数据处理与控制子系统由数据采集与控制、数据分类抽取、数据处理与存储、用户界面、监测数据库等组成。数据采集控制部分可以按照给定的采集方案来驱动数据采集与传输子系统采集数据，采集方案包括时间条件及连续观测参数触发条件，比如可以指定在温度达到某个数值时触发采集等。另外采集控制模块还能够接受用户指令来进行数据采集。数据分类与抽取部分主要完成将光纤传输过来的监测数据包进行分解、解析与分类，并且通过简单的数值分析与比较初步判断数据的优劣，并将良好的监测数据抽取出来存入数据库。数据处理与存储部分主要完成数据采集与传输模块传送过来的原始监测数据的初步转换、处理、分析，并将分析完的中间数据送到数据库进行保存。监测数据库属于总体系统的中心数据库的一部分，包括数据库及相应的管理系统。主要完成监测数据的存储，SQL查询等工作。监测数据库中的数据将提供给安全使用、安全评估子系统使用。用户界面模块属于总体系统界面下的一部分，为用户提供监测数据的查询、控制采样等操作，同时通过总体系统界面提供与互联网的连接服务。（一）数据筛选与挖掘桥梁健康监测是为了获得结构状态特征参数，结构状态特征参数是指能够反映结构特征的物理量，比如：挠度，应力，索力等；而传感器检测子系统所获得的读数是一般的是电信号。将传感器获得的电信号通过筛选与挖掘，向结构特征参数转换是极其重要的过程。在这个过程中涉及到：传感器电信号向测试物理量的转换、测试物理量向结构特征参数的转换及数据筛选、各种参数有效数据的挖掘等。反映结构状态的特征参数确定及筛选挖掘方案流程如下图所示：我们把传感器读数向物理量的转换过程称为数据预处理过程，后续的处理过程我们称为数据二次处理。结构特征参数的提取过程1、传感器电信号向测试物理量的转换。传感器电信号向测试物理量的转换通常依靠传感器出厂的标定证书，利用标定证书提供的曲线或参数可以完成传感器读数向物理量的转换。但通常任何一种传感器都会发生漂移，漂移分为温度漂移和时间漂移，因此，在系统建立前应对传感器采集系统进行详细的温度漂移分析，对某些产生显著温度漂移的传感器，针对电信号向测试物理量转换的预处理过程中应进行温度补偿。温度补偿通常可以采用电路补偿或进行数字补偿。例如对于电阻应变片的应变测试桥路采用补偿电路的技术，因此这部分温度漂移可以忽略。由于除电阻应变片外其他的传感器罕有提供温度补偿参数，在系统建立前应建立良好的测试机制，对可能产生较大温度漂移的传感器进行温度参数的测定。另外，考虑到传感器安装好以后可能由于安装支架等原因导入新的温度漂移，因此，应在系统建立以后需进行一段时间温度漂移的监测，并对一些产生明显温度漂移的传感器进行数字温度补偿，在这个补偿过程中应注意不要误将结构本身在温度影响下的响应当作温度漂移。另外，在这个过程中还应该注意传感器的时间漂移量，考虑到时间漂移量补偿难度大，应在传感器选型阶段选择时间漂移小的传感器。2、测试物理量向结构特征参数的转换。测试物理量向结构特征参数的转换过程有可能需要其它传感器的配合，也可能需要进行数据的分析处理。这个处理过程不同的传感器将采用不同的策略方式：包括索力、支反力特征参数的获取：这类传感器具有较强的独立性，物理量就是结构特征参数。应变传感器应力特征参数的获取：钢结构上的应变传感器可以直接利用钢结构弹性模量进行应力参数的获取，混凝土结构上的应力参数则需要考虑混凝土的收缩和徐变应变的剔除工作。连通管高程特征参数的获取：连通管通过压力变送器可以获得测点的压力物理量，这个物理量向高程参数转换还需要参照基准点（不动点）的压力参数，并且还需要考虑连通管管路液体的温度对液体密度的影响等因素。振动参数的提取：振动传感器获得的参数一般是加速度或者速度的时程值，为了获得结构特征参数如频率、阻尼比等必须对这类传感器进行FFT、HHT变换等数值处理。3、有效数据的挖掘。考虑到传感器采集子系统自身的采集及传输误码率在整个数据的处理过程中将不可避免面临无效数据。那么如何将无效数据过滤掉就成为数据处理子系统一个重要的任务。通常有效数据的抽取可以对各种传感器参数及获得的物理量以及最终获取的特征参数设定一定的限值，对于超过这些限值的参数均进行剔除，其数值用前一个读数来代替。另外的方法是利用传感器参数变化的斜率限值来进行有效数据的抽取。4、数据筛选。数据采集系统采集的参数通常包括静态数据及动态数据，静态数据主要用于恒载状态的识别及损伤识别，动态数据主要包括振动数据，用于结构振动特性的分析。对于静态数据需要进行活载及风振的过滤，经过过滤后的静态参数将仅包含温度对结构的影响，这种过滤一般可以采用低通滤波的方式，实现的时候也可以采用幅值域分析的方式。对于动态参数则应考虑对所需要测试信号的频率范围进行带通滤波。（二）、数据显示、管理和控制。本系统对数据实行分类管理的方式，采集系统按一定的频率进行实时采集，并在采集中心经过筛选与挖掘后，实时发送数据到显示模块，同时在现场采集计算机上存储实时数据。采集计算机通过网络将系统的所有数据采集站监测数据实时发送到监控中心数据处理与控制服务器，进行分析计算，分析计算结果进行界面显示并存储入库，总体数据按照实时数据显示子集、实时数据、分析计算结果制定不同的管理、显示和备份方案，并通过系统用户界面对各种采集、传输和存储方式进行控制。1实时数据显示。通过基于以太网的传输网络，数据采集与传输系统对数据进行采集并筛选出实时数据显示子集实时传输到管理中心实时处理计算机上，实时处理系统根据结构状态参数进行分析计算、提取特征参数、联合分析并通过显示界面显示各种特征参数的实时曲线，对网络通讯中各个节点出现的通讯异常和数据异常显示报警信息。实时数据显示子集的管理方案见下图。 数据处理与控制系统实时数据显示子集管理方案2数据管理。对于实时数据，初步存储在采集站计算机中，定时进行数据处理与分析，抽取有效数据并根据不同的计算参数和数据特性进行数字滤波处理，将最终计算结果存储入库，处理结果数据库通过数据库备份和归档方案定期备份和刻录光盘归档，重要数据打印输出进行纸张化管理。实时数据管理方案如下。 数据处理与控制系统实时数据管理方案结构分析系统调用实时数据处理结果进行结构分析，分析结果入库并通过用户界面显示，分析结果通过