一種新型多點分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)研究

現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)采用的監(jiān)測方法主要包括利用移動GSM網絡建立連接的橋梁監(jiān)測方式和利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測方式[1]。這兩種方式都是采用專用的傳輸通道，實施點對點的采集和控制。因此，按照這兩種監(jiān)測方式建立的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)都是單一的專用系統(tǒng)，即某監(jiān)測系統(tǒng)只對某一特定橋梁進行監(jiān)測，無法組建大型的監(jiān)控網絡。近年來，工程理論上又提出了一些新的橋梁監(jiān)測方法，如基于無線傳感網絡的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)[2-3]，基于多點輪詢的零散狀態(tài)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)[4]等，這些方法適用于采用同種技術構建零散狀態(tài)下的大型監(jiān)測系統(tǒng)，但對于不同的橋梁監(jiān)測技術或與現(xiàn)有橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性仍有很大問題，可操作性較弱。另外，現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)基本上都采用了不同的組網設備、監(jiān)控技術和網絡結構，這不僅需要大量的人力、物力，維護管理上也有很大的困難，對監(jiān)測情況的統(tǒng)計分析和經驗交流也非常不利。實現(xiàn)整個城市或區(qū)域多個橋梁的分布式遠程監(jiān)控有利于降低成本，提高監(jiān)控效率和能力，因此對其進行研究是十分必要的。但基于現(xiàn)有各種橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的不同技術接口，直接互聯(lián)或采用某種硬件設備實現(xiàn)互聯(lián)，難度高，代價大，從軟層面實現(xiàn)各種不同橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的松耦合分布式遠程監(jiān)控是一種可行的解決方法。
1 現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測技術
現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)采用的監(jiān)測方法除最傳統(tǒng)的人工進行數(shù)據(jù)的測量、記錄和處理外，主要包括以下兩種方式：利用移動GSM網絡建立連接的橋梁監(jiān)測方式和利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測方式。采用GSM連接的橋梁監(jiān)測方式是利用GSM的話音信道建立點對點的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過監(jiān)測中心計算機分別控制橋上各采集儀采集數(shù)據(jù)。此種方法，數(shù)據(jù)中心同一套設備在同一時間只能采集一座橋梁或一個采集儀連接的傳感器數(shù)據(jù)。而且對總線上的設備控制也是點對點的控制方式，故數(shù)據(jù)采集的速度慢，操作繁瑣。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ɑ谝苿泳W絡的專用信道，費用高，使用不方便。利用光纜建立連接的橋梁監(jiān)測方式，實際上是采用專用光纜或租用電信公用光纜代替了第1種方式中的移動GSM網絡，使中間的傳輸網絡更可靠、傳輸速率更高。但其仍是點對點的采集和控制方式，另外采用光網絡設備成本高，維護難度大，監(jiān)測中心相對固定，組建大型監(jiān)控網絡比較困難。
　 由此可知，按照上述兩種監(jiān)測方式建立的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)都是單一的專用系統(tǒng)，即某監(jiān)測系統(tǒng)只對某一特定橋梁進行監(jiān)測，無法組建大型的監(jiān)控網絡。
　 近年來，在工程理論上又提出了一種新的橋梁監(jiān)測方法，這種方法的核心思想是：每個監(jiān)測點的智能控制單元通過數(shù)據(jù)傳輸單元和通信基站接入GPRS或者CDMA網絡，連接到因特網，再通過路由器連接監(jiān)測中心計算機[4]。通過這種網絡連接方式，監(jiān)測中心計算機可異步地同時與多個監(jiān)測點建立數(shù)據(jù)傳輸連接，實現(xiàn)多點監(jiān)測和控制。同時監(jiān)測中心計算機的數(shù)據(jù)處理單元采用多線程的方式，實現(xiàn)多任務數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。在橋梁零散分布情況下，采用這種新的監(jiān)測方法，若多座橋梁采用相同的組網設備和技術可組建新的大型監(jiān)控網，實現(xiàn)多座橋梁的監(jiān)測，否則只能在理論上是可行的，原因是：采用這種新的監(jiān)測方法組建零散分布下多座橋梁的大型監(jiān)測系統(tǒng)，若采用的多種采集儀的上行物理接口或通信協(xié)議不同，則要求采用多種智能控制單元與不同的采集儀進行物理接口適配和通信協(xié)議適配；同樣，智能控制單元的上行物理接口和通信協(xié)議不同，則要求數(shù)據(jù)傳輸單元下行具備不同的物理接口和通信協(xié)議，而數(shù)據(jù)傳輸單元的上行都是統(tǒng)一的接入GPRS或CDMA網絡的接口和通信協(xié)議。實際應用中，需要各種數(shù)據(jù)傳輸單元是非常困難的，因此這種情況下這種方式是無法實施的。
2 軟層面的設計思路
　 從軟層面實現(xiàn)多個不同橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉換、傳輸和通信，典型的方法是在公用通信網絡上架設軟通信平臺，由軟通信平臺提供各種子系統(tǒng)的適配接口、協(xié)議轉換和遠程數(shù)據(jù)傳輸功能。這種軟通信平臺又稱軟總線平臺，圖1顯示了橋梁監(jiān)測中軟總線平臺的一種可行系統(tǒng)架構。

　 軟總線平臺包括硬件接口單元、軟總線內核和應用接口單元。硬件接口單元包括各種硬件接口驅動程序，將從外部硬件接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到所述軟總線內核單元，并將從所述軟總線內核單元接收的操作命令發(fā)送到外部硬件。軟總線內核包括多線程任務調度、消息隊列處理等功能單元，將從硬件接口單元接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到應用接口單元，并將從上層接口單元接收的操作命令發(fā)送到硬件接口單元。應用接口單元提供了外部橋梁監(jiān)測人機操作界面對所述軟總線單元的訪問接口，將從軟總線內核接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部橋梁監(jiān)測人機操作界面，并將從外部橋梁監(jiān)測人機操作界面接收的操作命令發(fā)送到軟總線內核。
　 為了實現(xiàn)分布式遠程控制，軟總線平臺應具有標準的TCP/IP協(xié)議網絡功能模塊,該模塊提供標準的網絡應用API接口和網絡接口硬件驅動，用于本地控制計算機和遠程控制計算機之間的通信。為了實現(xiàn)多個不同技術的橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的接入，軟總線平臺具有支持各種橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)接入的硬件驅動和適配接口；另外，為了使新的橋梁監(jiān)測技術能簡便地集成到本系統(tǒng)，軟總線平臺具有支持各種外部硬件系統(tǒng)無縫集成和外部橋梁監(jiān)測軟件二次開發(fā)的標準API接口。進一步地，可在軟總線平臺設計分布式數(shù)據(jù)存儲接口，實現(xiàn)大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的本地存儲和分布式處理。