崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统 施工图设计文件（四）软件概要设计说明书 (NXPowerLite)

1、.上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统施工图设计文件（四）软件概要设计说明书上海巨一科技发展有限公司上海市政工程设计研究总院同济大学二八年七月*;目 录1前言12系统划分与技术路线12.1软件的总体要求12.2总体应用方式12.3软件系统总体划分12.4总体技术路线12.5各软件总体布局23数据采集管理系统（DAMS）设计23.1基本设计要求23.2功能设计33.3功能框图33.3.1数据采集33.3.2数据存储33.3.3数据传输43.3.4参数配置43.3.5采样控制43.3.6系统自检43.4功能描述43.4.1数据采集43.4.2数据存储53.4.3数据传输63.4.4参数配置

2、63.4.5采样控制63.4.6系统自检63.5数据采集模式73.5.1采集模式一73.5.2采集模式二73.5.3采集模式三83.5.4采集模式汇总表83.6PXI数据采集系统83.6.1运行环境83.6.2程序结构93.7DAU数据通讯接口103.7.1调用框图103.7.2接口设计104数据处理与分析系统设计114.1基本设计要求114.2功能框图114.3功能描述124.3.1结构状态监控子系统124.3.2监测数据查询子系统154.3.3监测信息维护子系统174.3.4健康状态评估子系统174.3.5系统维护子系统174.3.6系统管理子系统184.3.7DPC端数据通讯184.3.

3、8数据处理194.4关键技术设计方案194.4.1数据通讯194.4.2数据显示194.4.3数据处理204.4.4系统自检204.4.5数据组织和管理策略204.4.6在线评估214.5系统部署214.6ER概念模型图224.6.1采样设置模块224.6.2人工检测模块234.6.3数据处理模块234.6.4文档管理模块244.6.5系统管理模块244.6.6系统设置模块（硬件）244.6.7系统设置模块（位置）254.6.8预设方案模块254.6.9在线评估模块254.6.10在线评估报告模块264.7ER概念模型清单264.7.1实体清单264.7.2安装硬件位置表274.7.3安装站点

4、位置表274.7.4部门表274.7.5采集逻辑子系统274.7.6采集逻辑子系统和硬件关系表274.7.7采样制度变动轨迹表274.7.8采样制度明细表274.7.9传感器类别自定义显示表284.7.10代码集表284.7.11代码项目表284.7.12基本采样制度表284.7.13监测检测项目表284.7.14监测细目表284.7.15检测报告表284.7.16检测报告明细表284.7.17角色表284.7.18逻辑组导出量表284.7.19逻辑组导出值的数据表294.7.20逻辑组的评估指标表294.7.21逻辑组推理规则表294.7.22逻辑组主表294.7.23评估报告表294.7.

5、24评估报告明细表294.7.25评估体系表294.7.26评估体系对应的评估结果主表294.7.27评估项目表304.7.28评估项目定义表304.7.29设备逻辑关系表304.7.30数据通道表304.7.31数据通道连接表304.7.32文档附件304.7.33文档类别表304.7.34文档主表304.7.35系统帮助表314.7.36系统参数表314.7.37系统权限表314.7.38系统日志表314.7.39系统序列表314.7.40系统用户表314.7.41型号信息表314.7.42预设方案表314.7.43预设方案细目表314.7.44装载图片信息表314.7.45装载图位置信息

6、324.7.46子位置图片信息325移动维护计算机系统设计325.1硬件环境335.2软件环境33上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统施工图设计文件（四）软件概要设计说明书1 前言本概要设计说明书的目的是进一步细化软件设计阶段得出的软件总体概貌，包括功能分配、模块划分、程序的总体结构、输入输出以及接口设计、运行设计等，为详细设计奠定基础。本文档面向的读者主要是用户和项目委托单位的设计人员、开发人员和维护人员。2 系统划分与技术路线2.1 软件的总体要求l 软件应采用模块化形式。所有自行开发的各个软件模块要达到所要求的功能，具有良好的界面；l 对于受版权保护软件，应严格按照供应商许可协议

7、使用。在使用过程中，应验证其可靠性，以及提供当前使用该软件模块的实际用户数量、软件的使用期限；l 对于自行开发软件，应具有可维修性、可追踪性、编程适应性和扩展可能性等功能，并提供详细的研发文档及用户操作软件；l 应为各个已开发的软件模块和整个系统定义一个软件测试验收计划，以此作为软件质量评估和最终接受的基础；l 软件在应用于现场之前，还须进行全面的测试；l 软件系统应具有完备的安全保障体系，应确定该软件系统崩溃的危险性，并在该系统的设计中采用适当的保护措施；l 长江隧桥结构健康监测系统建成后，软件系统的开发方应提供若干年的系统维护和优化服务。2.2 总体应用方式使用系统的用户有四类：决策者、技

8、术管理人员、专家、系统管理员，用户及其主要使用目的如下表所述。编号用户角色名称使用目的描述R01决策者主要查看一些直观的、结论性的页面，审核确定是否启动离线评估R02技术管理人员为系统主要使用者，主要工作为日常监测信息的监控，发出启动离线评估的申请，在线评估报告编制，传感器各类参数的管理R03专家主要使用结构健康监测系统的各类数据辅助进行离线的数据分析和评估功能R04系统管理员负责系统的日常工作状态监控、维护、系统参数设置系统的主要用户为技术管理人员，由其监视日常结构健康监测的原始数据、处理后数据和在线评估的结果数据，也尤其管理和维护系统运行必须的各种参数，其使用的功能基本上为DPC全部的业务

9、功能。在应用时，技术管理人员的在线评估要求是由计算机根据采集的数据自动运算，并提供判断和计算的结果供其手工编制在线评估月报。2.3 软件系统总体划分长江隧桥健康监测系统是一个基于传感器采集数据的应用系统，根据传感器及其数据采集设备的物理分布、功能要求和系统的总体应用方式，整个软件系统也分为如下表所示的四部分。编号软件名称实现业务功能S1数据采集管理系统（DAMS）位于DAU中，实现DAU中的全部业务功能S2结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）位于DPC中，实现DPC的全部业务功能。位于WEB中，实现DPC的信息门户功能。S3数据库管理系统（DBMS）位于DBServer中，实现数据库存储及

10、管理功能S4移动维护系统（SMS）位于SMC中，实现移动维护系统的功能参照用户角色的划分，各类用户角色使用的系统的对应关系如下表所示。编号用户角色名称使用的软件系统R01决策者结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）R02技术管理人员结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）R03专家结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）R04系统管理员数据采集管理系统（DAMS）结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）数据库管理系统（DBMS）移动维护系统（SMS）2.4 总体技术路线长江隧桥结构健康监测系统是一个横跨结构、工业传感器、工业自动控制、网络传输、信息实时采集、结构状态分析、信息发布显示、软件集

11、成领域的一个系统集成项目，因此在整个系统的技术实现手段的选择上必须遵循以下原则：l 采用的技术实现手段必须保证其可靠性、实时性要求。l 选择成熟的专业软件、并在此基础上进行定制开发。l 采用的技术实现手段必须有一定的扩展性和移植能力。根据上文对系统总体框架和数据流程的描述，长江隧桥结构健康监测系统的总体技术路线为：传感器数据采集和传感器状态信息显示尽可能采用业界成熟的虚拟仪器开发平台LABVIEW结合实时操作系统进行定制开发，其他部分独立传感器采集系统通过COM软件接口集成到本系统中，数据传输采用TCP网络协议，整个后台应用系统（基于DPC的应用系统）基于J2EE平台进行开发，采用专用软件进行

12、离线评估。按照软件系统划分，可以如下描述。l 数据采集管理系统（DAMS）根据传感器的工作原理和接入方式不同，数据采集方式可以分为两大类：ü 基于PXI-RT类传感器数据采集系统传感器类型：加速度计、风速仪、疲劳计、索力计、GPS等。数据采集管理系统采用与其硬件设备（PXI数据采集工作站）相配套的LABVIEW软件定制开发实现，系统平台采用工业实时操作系统，能够保证整个数据采集系统的可靠性、实时性、稳定性。主要功能包括数据采集、数据存储、数据传输、在线数据处理、初级采集策略控制及自检程序等。ü 独立传感器数据采集系统传感器类型：静力水准仪、光纤传感器、隧道用传感器（土压力计

13、、阳极梯、钢筋计、三向位移计）等。对这些独立的传感器采集系统，通过COM接口软件集成的方式，将其纳入到本系统中，实现采集数据的缓存，传输，控制等功能。l 结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）结构健康监测信息管理系统针对的是数据处理服务器上的数据通讯、数据处理、数据显示、在线评估功能。本系统的实现基于J2EE运行平台，采用WEB服务器/应用程序服务器/数据库服务器的三层体系结构实现。l 数据库管理系统（DBMS）根据系统运行数据的规模和系统功能要求，数据库管理系统采用大型关系型数据库软件Oracle10g，作为结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）数据存储及共享平台。l 移动维护系统（SM

14、S）移动维护系统针对SS系统的监控、调试采用专用的传感器调试工具或软件实现。而对DAS的系统的监控、调试、以及数据传输采用定制开发应用程序实现。笔记本电脑与DAU通过网络接口直连，通讯协议为TCP/IP。2.5 各软件总体布局综上所述，长江隧桥结构健康监测系统的软件系统由各物理设备上的应用软件组成，这些应用软件有采购和开发两种获取途径，下表详细列出了软件系统的组成汇总。物理位置名称系统软件应用软件开发工具数据采集工作站（DAU）RealTime OSWindows数据采集管理系统（DAMS）Labview Realtime Engine其他通过COM接口集成的采集软件Labview RealT

15、imeWindows平台开发工具数据处理服务器（DPC）信息门户（WEB）UnixWindows2003Resin3.0.8结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）LabviewJava数据库服务器（DBServer）Unix LinuxOracle 10g 企业版PL/SQL Developer系统维护计算机（SMC）WindowsXP Windows2000移动维护系统（SMS）各类设备调试专用软件JavaDelphi从上表可知，需要开发的软件主要为数据采集管理系统（DAMS）、结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）和移动维护系统（SMS），以下按照软件系统的划分逐个描述其软件设计和实现

16、方法。3 数据采集管理系统（DAMS）设计3.1 基本设计要求l 对所有传感器信号按照相应的采集制度和采样频率进行实时数据采集和预处理；l 连续传输来自传感器系统、工作站、数据处理和控制系统服务器和数据评估服务器之间的实时监测数据、状态和警告信息，以便进行必要的显示、报警和存储；l 所有来自不同传感器的时间序列数据保持同步，标记的时间与GPS基准站时钟的最小精度达到±0.01秒；l 数据传输更新速度满足实时显示要求，最大延时不超过2秒的要求；l 报警和状态信息的更新速度满足显示、确认和存储的实时性要求，时间间隔不超过2秒的要求；l 对于每个传感器，根据它们相应的工程单位和传感器读数设

17、置适当的满度值；l 所有连续记录的数据以小时为单位进行保存，采用二进制压缩文件格式；l 按照相同的文件结构、单一的每小时文件名和不同采样频率，自动集成原始和导出的时间序列数据以及每小时文件；l 序列数据的文件头应具有详细的采集信息及事件信息，如：数据速度、通道号、数据时段、数据读数开始时间和事件信息等；l 系统动态数据库环形缓冲存储最多可保持45天的原始数据缓冲时间长度可由系统管理员调整；l 所有系统操作和警告信息记入按时间顺序的可追溯事件日记。报警的出现和恢复监测要提供交互式的显示。l 对于特殊传感器的独立数据采集系统，通过COM接口的方式对其进行软件集成，COM接口完成各种数据的交换，并尽

18、可能对原采集软件的正常工作影响最小。根据前文的描述和软件的要求，DAU的信号调理与转换主要由传感器及数据采集设备的硬件实现，而DAU上数据采样、数据存储、数据传输、参数配置，采样控制、系统自检等功能需要自编程序实现，组成数据采集管理系统（DAMS）。而基于PXI-RT的数据采集系统，整个DAMS需要自行开发实现，程序主要运行于数据采集设备PXI中。主要功能是为数据采集和传输服务，一般情况下正常运行时无相应的用户界面，但可以根据调试的需要，可以设计开发调试界面。根据业务功能的要求及数据采集设备的情况，此类DAMS的全部功能使用LABVIEW定制开发，并且运行在实时操作系统平台之上。独立传感器数据

19、采集系统由各个厂家提供实现，但必须满足前述的DAU的基本功能，最终通过COM接口的方式集成到本系统中，下面对此类系统的实现不作进一步的描述。以下将对DAMS系统的主要功能实现进行描述。3.2 功能设计3.3 功能框图3.3.1 数据采集3.3.2 数据存储3.3.3 数据传输3.3.4 参数配置3.3.5 采样控制3.3.6 系统自检3.4 功能描述3.4.1 数据采集DAU的数据采集包括对常见电压、电阻式传感器、正弦式传感器、光纤传感器的数据采集。针对不同感应方式的传感器采用不同的采集方案。序号传感器类型数据采集方式1加速度计、疲劳计利用NI公司PXI采集设备上的调理模块和采集卡进行采集2风

20、速仪、索力计利用传感器的供应厂商提供的专用采集设备进行采集，然后通过串口收集数据3GPS、振弦式钢筋计、土压力计、阳极梯、三向位移计、光纤传感器利用传感器的供应厂商提供的专用采集设备进行采集，然后通过其提供的专用采集软件进行集成。由于实时性和可靠性是该模块实现中必须满足，因此：l 整套采集方案无论是否采用传感器供应商提供的专用采集设备与软件，数据采集过程必须可靠稳定。l 考虑到数据采集对整个系统的重要性，数据采集和数据存储、数据传输会采用单独的、互不影响的线程加以实现。并且数据采集的优先级最高。l 有关传感器数据同步采集问题的技术实现手段见下表。同步问题要求实现手段同一采集卡上的不同通道之间的

21、同步微秒级通过选择支持同步功能的PXI数据采集卡实现同一DAU上的不同数据采集卡之间的同步微秒级通过DAU中PXI背板同步功能实现不同DAU之间的同步微秒级通过GPS提供的时钟信息，利用PXI 6652模块+PXI6602模块进行多DAU同步PCI架构光纤分析仪的时间同步微秒级通过GPS提供的时钟信息，通过PCI同步卡进行同步其他系统之间的时间同步10毫秒级通过GPS提供的时钟信息，通过时间服务器进行同步3.4.2 数据存储DAU需要处理及存储的数据可以分为两类：序号数据类型数据特点及存储对策1传感器采集的实时原始数据该类数据的特点是数据量大，可靠性要求高，并且必须保持一段时间。因此在存储上必

22、须特殊考虑2其他数据，该类数据如DAU配置参数、各种策略信息、DAU工作状态信息等，特点是该类数据量小，主要是一些控制信息，存储上可不作特殊考虑1）实时原始数据基本存储策略为防止系统网络的局部故障影响到全局数据的安全，自动存储的原始数据经过数据采集设备本身的缓存后，会首先存储在DAU硬盘中；每小时，每个通道的数据存储成一个文件，每天整点时刻，通过FTP把所有数据文件上传到控制中心。每个DAU配置40GB的硬盘，保证动态存储的时间可以满足存储策略要求。基于PXI采集系统的数据存储过程通过Labview定制开发实现，其他专用软件可通过接口软件实现该功能。l 数据存储模式为系统自动保存l 保留全部原

23、始数据l 原始采样数据以二进制文件存储，文件名中包含DAU编号、传感器、采样频率等信息。公开文件格式，为用户在分析工作站上扩展自定义分析、转换和存储工具提供方便l DAU滚动存储的周期可以根据DAU参数进行调整l 在异常情况下，可以派人到现场用移动计算机把DAU上的数据直接转移存储2）文件命名规则描述文件命名规则如下：CCCCCCCCCCCCC#YYYYMMDDHHmmssSSS#T#D#P说明如下：CCCCCCCCCCCCC：通道编码，13到15位，由10位设备编码加上2到4位通道类型编码组成，设备编码和通道类型编码之间用-分隔。如：通道编码5WS1L01B01-DS由5WS1L01B01设

24、备编码和DS通道类型编码组成。YYYYMMDDHHmmssSSS：第一个数据的时间戳，精确到毫秒。T：Y或N 数据文件中十否含有每个采集数据的时间戳，还是按采样周期压缩存储。D：D或S 数据通道（D）还是状态通道（S）P：采样周期，格式为n单位缩写，支持的单位有MS毫秒，S秒， M分钟，H小时，D天，NA无。文件名示例：5WS1L01B01-DS#20061108090000000#Y#D#1S表示通道5WS1L01B01-DS在2006年11月8日09点开始采集的一个数据文件，数据文件内容中包含时间戳（未压缩），采样周期为1秒。一般情况下，数据存储以单个传感器的一个通道的一个小时监测原始数据

25、编为一个数据文件，原始数据文件存储的采样保存起始时间以正点为基准，遇到第一个正点开始保存第一个文件，以后，每个正点保存一个文件。 3）文件的数据格式传感器原始数据根据传感器的采样频率的高低采用两种不同的数据格式：包含时间戳的数据格式和不包含时间戳的数据格式。包含时间戳的数据格式是将数据产生时间戳作为数据的第一部分，采集到的物理量作为数据的第二部分。不包含时间戳的数据格式只包含采集到的物理量。包含时间戳的数据格式适用于采样频率较低的传感器，如风速仪；不包含时间戳的数据格式适用于采样频率较高的传感器，如加速度仪。ü 包含时间戳的数据格式一个数据包含一个8个字节的长整形时间戳和一个4字节单

26、精度浮点数。格式如下所示：数据1数据2数据3数据n某一组原始数据的组成数据的组成为：时间戳（8字节）物理量（4字节）单个原始数据的组成，时间戳：包含年月日时分秒毫秒在内的全时间形式, 存储方式用长整形（long）存储，占8个字节。物理量：浮点数，存储方式用单精度浮点（float），占4个字节ü 不包含时间戳的数据格式；一个数据只包含一个4字节单精度浮点数不包含时间戳的数据如下所示物理量1物理量2物理量3物理量n物理量：浮点数,存储方式用单精度浮点（float），占4个字节4）文件的组织方式数据目录组织结构采用设备类别/设备/数据通道/年月目录/数据文件 的目类结构，如下所示：|-设备

27、类别码 |-设备代码 |-数据通道代码|-年月 |-数据文件采用这种结构方便日后的数据检索、备份、转储。注：文件格式和命名规则可根据专家要求和设计细化进行相关调整。3.4.3 数据传输DAU通过数据传输系统与中心管理机房的DPC系统交换数据，交换的数据主要有三类：类别号传输数据类型数据特点及传输要求1传感器实时采集的原始数据传输实时性要求高2传感器实时采集的历史数据即正点保存的历史数据，该类数据的传输要求可靠性高3其他数据如DAU配置参数、各种策略信息、控制信息、自检信息，该类数据的传输实时性要求高DAU与中心管理机房的DPC的通讯网络物理平台选择光纤千兆以太网。可以满足不同应用的数据交互。针

28、对第一类和第三类的传输数据，考虑到数据传输的实时性，采用TCP/IP方式进行实时传输，即采用Labview定制开发TCP/IP通信程序实现，确保传输的实时和可靠性。数据采集和数据传输分成两个线程单独运行。数据采集线程把采集到的数据源源不断的放到一个队列当中之后，继续自己的采集过程，而不考虑数据传输的问题。数据传输线程会定期到队列中取数据，当队列中的数据到达某个数量的时候，数据传输线程把数据传输到控制中心DPC。针对第二类的传输数据，由于数据传输的实时性要求不高，但要求数据传输稳定可靠。采用FTP的方式传输。即采用Labview定制开发FTP客户端实现。因为历史数据使以文件的形式存在，所以采用F

29、TP的方式传输非常可靠。在DPC安装FTP Server，DAU利用Labview的FTP客户端，每个小时把历史数据传送到控制中心的FTP Server，由于文件命名有特殊的规定，所以控制中心可以根据文件名称进行数据提取。对于非PXI平台上的数据传输通过集成DAU传输COM组件实现。3.4.4 参数配置通过Labview定制开发，读取或存储工作站参数文件，并将这些参数应用到系统中。其他非Labview采集的设备将通过配置文件的方式实现。3.4.5 采样控制采用控制是指当采集得到的数据和预制的预警策略冲突，DAU自动加大采样频率（频率增加范围由预警策略决定），获取更多的数据，对预警的异常数据进行

30、复核，同时记录该事件。该部分功能的实现有前端实现和后端实现两种办法。前端实现是指在数据采集端进行处理，后端实现是指在DPC端进行数据处理。由于本项目涉及的传感器种类繁多，电气原理也不同，在采集前端实现有一定难度，并影响系统的扩展性，因此我们推荐采用后端实现的办法。对于采样控制，还有以下要求。1）采样制度在时间上是变化的。在设计时，按最大容量设计采样控制制度；在桥梁运行的初期（前23年），需要7080%的满负荷采样，甚至100%；但在桥梁运行的后期则不需要高负荷采样。2）采样控制制度对不同控制对象是不同的。对加速度采样控制，因其主要是为桥梁的模态识别服务，所以应格外重视采样的频度、时段、持续时间

31、。而且，采样频度、时段和持续时间并不是一成不变的，应随桥梁龄期的不同和模态抽取方法的不同而调整其例行的采样控制制度。此外，还应该实现人工干预采样，以便为特殊的模态识别应用服务。对于其它控制对象，其采样控制制度也应有类似的变化。3）对于突发事件的采样控制，应以实现自触发功能，自触发功能有硬件实现和软件实现两种方式，软件实现时应注意：Ø 突发事件阀值的制定要合理；Ø 对监测信息与阀值的比对要高度实时，以记录应记录的数据；Ø 发生超越阀值事件的时刻之前一段数据也需记录；Ø 发生超越阀值事件的时刻之后，应记录多长一段数据，也需要自动判断。3.4.6 系统自检DA

32、U中的系统自检包括：l 传感器系统（SS）的自检传感器系统（SS）的自检通过与之相连的数据采集工作站（DAU）来实现。如：可以通过数据采集卡的工作连线状态判断与之相连的传感器是否连线正常。l 数据采集系统（DAS）的自检数据采集系统（DAS）的自检主要是针对数据采集工作站（DAU）的运行状态。需监控的主要信息有CPU、内存、硬盘、网络、数据采集卡、数据发送程序的工作状态。DAU上的系统自检程序在对SS的自检信息和DAU的自检信息进行统一分析、处理、定级，形成DAU系统的健康状态信息，并通过数据传输程序发送到DPC上进行归档。并提供现场维护的笔记本电脑的输出接口。当DAU系统的健康状态异常（如超

33、出设定的级别），将输出信息到外部硬件看门狗系统，由看门狗系统对系统进行应急处理措施（如挂起，重起等）。并将该事件记录到系统异常日志中，并发送到DPC进行归档。硬件看门狗系统由一系列的自控设施组成，可监测及控制DAU所处工作房中的各个设备。以上功能均通过Labview定制开发实现。对于非PXI设备的状态信息采集开发相应的采集程序，以达到相同的目的。3.5 数据采集模式数据采集的三种采集模式如下：3.5.1 采集模式一在此种模式下，采集计算机需使用PXI体系的设备，且必须使用实时操作系统平台，即RealTime Operation System，以保证数据运算的准确性和数据传输的实时性。除静力水准

34、仪、振弦式钢筋计、土压力计、阳极梯、三向位移计、及光纤传感器外，其它所有电信号输出和数字信号输出的传感器均需就近接入采集计算机。其中：风速仪四套分别接入ST1、ST2、ST3机柜的PXI系统的8433卡上，每台风速仪占用8433上的一个485口。20套索力计分三组分别接入ST1、ST2、ST3机柜的PXI系统的8433卡上，各占用8433上的一个485口。加速度计共计5组、3组分别接入主通航孔的ST1、ST2、ST3机柜PXI的4472卡上；2组分别接入连续梁桥的ST1和ST2机柜PXI的4472卡上。疲劳计分别接入ST1、ST2、ST3、ST5机柜的PXI系统的8433卡上。阻尼器由于数据采

35、集接口参数待定，暂定分别接入就近机柜的PXI6220卡并根据实际情况调整。3.5.2 采集模式二此种模式仅适用于光纤传感器，经专用调理/采集设备（光纤光栅传感网络分析仪）采集后的数据精度不得低于标书监测要求中提出的数据精度要求。此外，专用采集设备需自带时钟，并能定期与监测系统时钟服务器进行时钟同步，设备自带时钟的累积漂移量<=5秒/天。专用采集设备需实现PXI通用采集计算机相同的数据采集、存储、转发及远程管理、断电后自动重启恢复等功能。专用采集设备（光纤光栅传感网络分析仪）平均无故障时间MTBF >= 100000小时。详请见相关传感器子系统的设计部分（5.2.6光纤传感器），时钟

36、同步问题的解决方案详见.3，采集设备光纤光栅传感网络分析仪的技术指标见.1。3.5.3 采集模式三此种模式仅适用于GPS、静力水准仪及隧道的弦式传感器采集系统，经子系统专用服务器采集后的数据精度不得低于标书监测要求中提出的数据精度要求。此外，子系统专用服务器需自带时钟，并能定期与监测系统时钟服务器进行时钟同步，子系统专用服务器自带时钟的累积漂移量<=5秒/天。子系统专用服务器需实现通用采集计算机相同的数据采集、存储、转发及远程管理、断电后自动重启恢复等功能。子系统专用服务器平均无故障时间MTBF >= 100000小时。GPS总体布置图和系统拓扑图、静力

37、水准子系统总体布置图和系统拓扑图详请见相关施工图的设计部分。隧道弦式传感器部分的采集设备还包括DAU采集设备箱和相应的采集模块，详见6.3。此外，三个子系统在监控中心还需各自增加一台子系统专用服务器，服务器选型如下：子系统专用服务器配置 选用 DELL PowerEdge(TM) 2950服务器 CPU：2*四核Xeon 1.6GHz/1333MHz,/4M*2 内存：2GB (2x1G), DDR-2Memory 硬盘：2*146GB SAS 15K镜像 连接： 2 * 1000/100/10 Ethernet 3.5.4 采集模式汇总表监测区段传感器监测内容数量（个）采集模式上海长江大桥主

38、航主航道桥风速风向单向机械风速仪1采集模式一风速风向三向超声风速仪3采集模式一GPS测量站塔顶及跨中变形及基站13采集模式三钢应变计钢结构应变60采集模式二砼应变计砼结构应变8采集模式二位移计伸缩缝位移4采集模式二单向加速度传感器动力响应32采集模式一双向加速度传感器动力响应4采集模式一三向加速度传感器动力响应2采集模式一钢疲劳计疲劳42采集模式一索力计索力20采集模式一倾斜计倾斜4采集模式二钢温度计钢结构温度16采集模式二砼温度计砼结构温度16采集模式二大气温度计大气温度4采集模式二钢温度计温度补偿24采集模式二小计253叠合梁桥单向加速度传感器动力响应18采集模式二钢应变计钢结构应变24采

39、集模式二钢筋应力计钢筋应力6采集模式二砼应变计砼结构应变8采集模式二大气温度计大气温度1采集模式二钢温度计钢结构温度9采集模式二砼温度计砼结构温度6采集模式二钢疲劳计疲劳3采集模式二静力水准仪差异沉降及跨中挠度21采集模式三钢温度计温度补偿12采集模式二砼温度计温度补偿6采集模式二小计114总计367上海长江隧道监测截面弦式钢筋应力计结构应力322采集模式三钢筋应变片结构应力40采集模式三柔性土压力计土压力12采集模式三三向位移计结构差异变形20采集模式三腐蚀传感器钢筋锈蚀程度4人工定期采集总计3983.6 PXI数据采集系统3.6.1 运行环境l 硬件环境：设备名称NI PXI 1045 1

40、8槽机箱NI PXI 1042 8槽机箱GPS时钟PXI板卡NI PXI8196控制器NI PXI6652定时模块NI PXI6602同步时钟模块NI PXI8433隔离串口模块NI PXI4472B高速同步采集调理模块l 软件环境软件名称NI LabVIEW Real Time & DeviceNI SYNC3.6.2 程序结构整个数据采集系统中，分布着5台数据采集终端PXI。他们的主要任务是采集大桥的环境数据、静/动态响应，并将数据传送到数据处理服务器。但每一台终端的硬件配置都有所不同，所采集的物理信号也各不一样。在设计数据采集系统时，充分考虑到以下几个方面：1. 统一的软件架构统

41、一的软件架构一方面使得数据处理服务器能通过一致的接口与数据采集终端交换命令与数据，方便操作员的使用；另一方面可以提高代码的重用性，使所有终端使用同一套代码，减轻开发人员维护代码的负担，减少出错的概率。2. 模块化、可扩展的数据采集功能由于各数据采集终端的的硬件配置多数并不一样，再考虑到将来增加、改变测点，调整系统的可能性，数据采集终端的软件必须是高度模块化，便于开发人员增加新的硬件，测点。3. 便于维护、配置的操作界面由于各个数据采集终端安放的位置比较远，必须具有方便的接口使得开发、操作人员能够及时地改变系统设置。这样，在系统安装调试的初期，需要经常更改参数设置时，能够减少大量的调试时间。基于

42、以上考虑，数据采集系统的程序框架如下图：整个数据采集程序由两大部分组成：1. 通讯; 2. 数据采集。其中通讯部分又可分为控制接口、状态接口和数据接口；而数据采集部分则由数据采集引擎和可配置的数据采集模块组成。在LabVIEW中实现时，这几个部分都应当是独立运行的VI。可以通过动态调用来执行。这样可以利用LabVIEW多线程的特性，避免各个模块之间的相互阻塞干扰。3.7 DAU数据通讯接口3.7.1 调用框图3.7.2 接口设计DAU和DPC之间的数据传输接口为RPC远程过程调用，使用TCP/IP的Socket作为网络通讯协议；Ø 网络层数据结构如下：开始标志+应用层数据结束标志开始

43、标志为：0B，byte值为11结束标志为：0E，byte值为14Ø 应用层数据的结构如下：ID | RpcType|MethodName| Params各部分含义如下：ID：RPC调用的唯一编码。客户端主动调用服务器端时ID从10000开始，服务器端主动调用客户端时ID从20000RpcType：RPC类型，目前分为，请求RpcCall和结果RpcReturn两种类型。MethodName：RPC调用的函数名称，Params：RPC调用的参数列表。Params结构如下：Param(ParamName,ParamType,ParamDataType)=(ParamValue)|Para

44、msParam：特殊标示，表示一个参数ParamName:参数名称ParamType：参数类型，目前类型有：ptIn、ptOut、ptReturn三种ParamDataType：参数数据类型，目前有：pdtInt、pdtDate、pdtString、pdtTime、pdtReal、pdtDatetime几种。ParamValue：参数值。根据现有需要已定义的接口：l 实时数据发送格式的定义如下：public int sendData(String channelId, String dataUnit, long t0, String dt, String data, int dataCount

45、)参数列表:参数：channelId ，数据通道编码参数：dataUnit ，数据单位；如: 摄氏度参数：t0 ，数据开始时间参数：dt ，数据采样周期参数：data ，采集数据；以“/”分割开的数据参数：dataCount ，数据的总数。返回值收到的数据数量l 实时状态发送格式的定义如下int sendStatus(String channelId, long t0, String values, int dataCount)参数列表:参数：channelId ，数据通道编码参数：t0 ，数据开始时间参数：values ，状态值；以“/”分割开的数据参数：dataCount ，数据的总数返回

46、值：收到发送的数据量4 数据处理与分析系统设计4.1 基本设计要求l 提供可选择的数据处理功能处理所有传感器的实时和存储的时间序列数据，以及处理初步分析的结果，如屏幕显示和图形；l 提供友好的交互式图形界面，绘制用户指定传感器或时间段的原始数据图及导出数据图，并能对幅值和时间轴设置适当的尺度。它同样能应用于缓冲系统的数据和从归档媒介恢复的数据；l 屏幕能同时显示至少32个通道，并能根据需要对显示数目进行设置，如每页显示1至4个通道；l 对传感器数据图提供彩色显示和打印；l 传感器信号实时显示的时滞不大于2秒；l 对用户选择通道图形的两个坐标轴提供组同步；l 能打印数据图形、警报和状态信息；l

47、提供适当的数据日期、时间和通道信息识别所有图形和打印资料；l 提供对所选的输出时间序列数据和每小时统计摘要信息转换成ASCII文件格式的功能；l 传感器系统、工作站、数据处理和控制系统现在和过去的操作状态能通过屏幕显示，以掌握它们健康或非正常的状态，并采用可视的警报给操作员以便采取必要的补救措施；l 对于交互式屏幕监测时出现的过时的和明显的错误警报，由操作员进行系统恢复。l 在线评估包括基本的时频统计分析和趋势分析，并与历史数据进行比较评价，发出警报信息；数据处理服务器中的功能涉及大量数据接收与数据处理分析，与各级用户均有交互操作的界面，故DPC上软件是一个结构健康监测信息管理系统（SHMIM

48、S），所有用户主要通过这个软件实现与系统的交互操作，达到各用户对系统的操作要求。以下首先描述结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）的软件功能设计，再描述其主要的实现方法。4.2 功能框图根据使用用户角色的操作要求，结构健康监测信息管理系统（SHMIMS）拟划分成六个子系统，分别是：结构状态监控子系统、监测数据查询子系统、监测信息维护子系统、健康状态评估子系统、系统维护子系统和系统管理子系统，SHMIMS使用设在数据库服务器上的数据库存储结构化数据，并将所有非结构化的文件以文件系统的方式存储在DPC上的中心文件库中。SHMIMS的系统划分图如下图所示。图-1 SHMIMS系统划

49、分图结构健康监测信息管理系统各子系统的应用功能如下表所述。编号子系统名称应用功能描述对应的业务功能S1结构状态监控对监测的实时情况进行显示数据显示、数据处理S2监测数据查询查询监测的历时数据和各种资料数据显示S3监测信息维护人工录入监测数据和监测报告的入口数据通讯S4健康状态评估评估模型定义及报告编制在线评估S5系统维护系统工作状态的显示及查询系统维护及自检S6系统管理系统运行所必须的参数、权限等的维护系统维护及自检除了上述子系统外，为数据库和文件库服务的还有后台运行的DPC端数据通讯和数据处理模块，以下分别详细描述各子系统和后台模块的应用功能。注：本系统中功能模块划分和设计是基于结构健康监测

50、的抽象高度，并可通过系统设置和定义来满足不同监测对象（大桥和隧道）数据处理和分析需求，同时也为日后业务扩展打好基础。4.3 功能描述4.3.1 结构状态监控子系统结构状态监控子系统的主要应用功能如下表所示。编号应用功能名称应用功能描述对应的业务功能S1-01原始数据显示显示各监测范围各监测点的当前监测原始数据F205-01F203-02S1-02处理后数据显示显示各监测范围各监测点的当前监测的处理后数据F205-02S1-03变形动态模型显示显示由GPS监测数据为主的，在桥梁模型上动态显示当前变形状况F205-03结构状态监控子系统是用户监视监测信息和结果的主要界面，其界面要求简洁直观，可以用

51、桥梁及其各区段各截面的图形作为显示背景，配合以监测数据的曲线和数字显示。1）原始数据的显示界面按大桥和隧道结构的监测范围层次和评估层次，本子系统的显示范围可以如下表划分。监测范围层次12345评估层次层次名称全线监测区段监测部件监测截面监测点1监测内容2传感器表中表示可以在监控界面中显示的内容，在界面中，可以将传感器和监测内容的监测状态都显示在一起，这些监测状态是通过在线评估计算得到的，可以按预警状态划分若干种显示方式，如不同颜色的指示灯的闪烁等。对于全桥，只按监测内容显示监测状态，而对于监测区段、监测界面和监测点则可以在界面中定制显示多个传感器的监测数值和定长时间段的监测时域曲线，并同时显示

52、各监测内容的总体监测状态是否正常。为此，设计四种监测范围层次的背景图，并合理安排监测数据的显示部位，下面分别列举了各类显示示意界面。图.1-1 全线监测状况显示示意界面上图为全线所有监测内容的监测状况显示，图中的为监测状态的指示灯，黄色表示异常，绿色表示正常，红色表示报警。图.1-2 某监测区段的监测数据显示示意界面上图为某个监测区段的某个监测内容的监测数据显示界面，左上角的监测区段和监测内容可以提供用户下拉框选择，界面正上方显示该监测区段和该监测内容的示意图，图中监测点的图标表示两层含义：一是监测点在监测区段的位置，二是监测点当前监测数据是否正常。界面下方为监

53、测数据显示区，本例为曲线和数字集成显示。图.1-3 某监测截面监测数据显示示意界面（数值曲线显示）上图为某监测区段某个监测截面某个监测内容的监测数据显示示意界面，图.1-4 某监测截面监测数据显示示意界面（数值显示）上图为某监测区段某个监测截面所有监测内容的监测数据显示示意界面，监测数据采用了数据列表的方式显示，没有曲线图辅助显示。图.1-5 某隧道监测断面监测数据显示示意界面（数值显示）上图为某环管片实测数据的显示模式，隧道的数据显示主要以数值显示为主。2）处理后数据显示处理后数据显示采用原始数据显示相类似的方式。3）变形动态模型显示变形动态模型显示是针对GPS和静力水准仪的监测数据采用形象的方法显示桥的变形效果。图.1-5 主桥变形动态显示示意界面上图采用三视图的方式直观显示变形情况，显示的刻度范围可调。上述各种显示界面均可任意组合显示，如可以将屏幕分成若干块，每块显示不同的内容。图.1-6 主监控显示示意界面（可分屏定义显示内容）此外，上述所有显示界面