一種新型多點分布式遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(jìn)行監(jiān)測，無法組建大型的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)絡(luò)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(shù)構(gòu)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(shù)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(wǎng)設(shè)備、監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這不僅需要大量的人力、物力，維護(hù)管理上也有很大的困難，對監(jiān)測情況的統(tǒng)計分析和經(jīng)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(yuǎn)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(jìn)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(shù)接口，直接互聯(lián)或采用某種硬件設(shè)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(yuǎn)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(shù)
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(jìn)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(wǎng)絡(luò)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(jī)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(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，使中間的傳輸網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本高，維護(hù)難度大，監(jiān)測中心相對固定，組建大型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行監(jiān)測，無法組建大型的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
　 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(wǎng)絡(luò)，連接到因特網(wǎng)，再通過路由器連接監(jiān)測中心計算機(jī)[4]。通過這種網(wǎng)絡(luò)連接方式，監(jiān)測中心計算機(jī)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(jī)的數(shù)據(jù)處理單元采用多線程的方式，實現(xiàn)多任務(wù)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(wǎng)設(shè)備和技術(shù)可組建新的大型監(jiān)控網(wǎng)，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(jìn)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(wǎng)絡(luò)的接口和通信協(xié)議。實際應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)換、傳輸和通信，典型的方法是在公用通信網(wǎng)絡(luò)上架設(shè)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(zhuǎn)換和遠(yuǎn)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(gòu)。

　 軟總線平臺包括硬件接口單元、軟總線內(nèi)核和應(yīng)用接口單元。硬件接口單元包括各種硬件接口驅(qū)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(nèi)核單元，并將從所述軟總線內(nèi)核單元接收的操作命令發(fā)送到外部硬件。軟總線內(nèi)核包括多線程任務(wù)調(diào)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(yīng)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(yīng)用接口單元提供了外部橋梁監(jiān)測人機(jī)操作界面對所述軟總線單元的訪問接口，將從軟總線內(nèi)核接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部橋梁監(jiān)測人機(jī)操作界面，并將從外部橋梁監(jiān)測人機(jī)操作界面接收的操作命令發(fā)送到軟總線內(nèi)核。
　 為了實現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程控制，軟總線平臺應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)功能模塊,該模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用API接口和網(wǎng)絡(luò)接口硬件驅(qū)動，用于本地控制計算機(jī)和遠(yuǎn)程控制計算機(jī)之間的通信。為了實現(xiàn)多個不同技術(shù)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(qū)動和適配接口；另外，為了使新的橋梁監(jiān)測技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)API接口。進(jìn)一步地，可在軟總線平臺設(shè)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。