一種新型多點(diǎn)分布式遠程橋梁監測系統研究

現有的橋梁監測系統采用的監測方法主要包括利用移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò )建立連接的橋梁監測方式和利用光纜建立連接的橋梁監測方式[1]。這兩種方式都是采用專(zhuān)用的傳輸通道，實(shí)施點(diǎn)對點(diǎn)的采集和控制。因此，按照這兩種監測方式建立的橋梁監測系統都是單一的專(zhuān)用系統，即某監測系統只對某一特定橋梁進(jìn)行監測，無(wú)法組建大型的監控網(wǎng)絡(luò )。近年來(lái)，工程理論上又提出了一些新的橋梁監測方法，如基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的橋梁監測系統[2-3]，基于多點(diǎn)輪詢(xún)的零散狀態(tài)橋梁監測系統[4]等，這些方法適用于采用同種技術(shù)構建零散狀態(tài)下的大型監測系統，但對于不同的橋梁監測技術(shù)或與現有橋梁監測系統的兼容性仍有很大問(wèn)題，可操作性較弱。另外，現有的橋梁監測系統基本上都采用了不同的組網(wǎng)設備、監控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )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，對監測情況的統計分析和經(jīng)驗交流也非常不利。實(shí)現整個(gè)城市或區域多個(gè)橋梁的分布式遠程監控有利于降低成本，提高監控效率和能力，因此對其進(jìn)行研究是十分必要的。但基于現有各種橋梁監測系統的不同技術(shù)接口，直接互聯(lián)或采用某種硬件設備實(shí)現互聯(lián)，難度高，代價(jià)大，從軟層面實(shí)現各種不同橋梁監測現場(chǎng)系統的松耦合分布式遠程監控是一種可行的解決方法。
1 現有的橋梁監測技術(shù)
現有的橋梁監測系統采用的監測方法除最傳統的人工進(jìn)行數據的測量、記錄和處理外，主要包括以下兩種方式：利用移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò )建立連接的橋梁監測方式和利用光纜建立連接的橋梁監測方式。采用GSM連接的橋梁監測方式是利用GSM的話(huà)音信道建立點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸通道，通過(guò)監測中心計算機分別控制橋上各采集儀采集數據。此種方法，數據中心同一套設備在同一時(shí)間只能采集一座橋梁或一個(gè)采集儀連接的傳感器數據。而且對總線(xiàn)上的設備控制也是點(diǎn)對點(diǎn)的控制方式，故數據采集的速度慢，操作繁瑣。數據傳輸的方法基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的專(zhuān)用信道，費用高，使用不方便。利用光纜建立連接的橋梁監測方式，實(shí)際上是采用專(zhuān)用光纜或租用電信公用光纜代替了第1種方式中的移動(dòng)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(diǎn)對點(diǎn)的采集和控制方式，另外采用光網(wǎng)絡(luò )設備成本高，維護難度大，監測中心相對固定，組建大型監控網(wǎng)絡(luò )比較困難。
　 由此可知，按照上述兩種監測方式建立的橋梁監測系統都是單一的專(zhuān)用系統，即某監測系統只對某一特定橋梁進(jìn)行監測，無(wú)法組建大型的監控網(wǎng)絡(luò )。
　 近年來(lái)，在工程理論上又提出了一種新的橋梁監測方法，這種方法的核心思想是：每個(gè)監測點(diǎn)的智能控制單元通過(guò)數據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(guò)路由器連接監測中心計算機[4]。通過(guò)這種網(wǎng)絡(luò )連接方式，監測中心計算機可異步地同時(shí)與多個(gè)監測點(diǎn)建立數據傳輸連接，實(shí)現多點(diǎn)監測和控制。同時(shí)監測中心計算機的數據處理單元采用多線(xiàn)程的方式，實(shí)現多任務(wù)數據采集和數據處理。在橋梁零散分布情況下，采用這種新的監測方法，若多座橋梁采用相同的組網(wǎng)設備和技術(shù)可組建新的大型監控網(wǎng)，實(shí)現多座橋梁的監測，否則只能在理論上是可行的，原因是：采用這種新的監測方法組建零散分布下多座橋梁的大型監測系統，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，則要求數據傳輸單元下行具備不同的物理接口和通信協(xié)議，而數據傳輸單元的上行都是統一的接入GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò )的接口和通信協(xié)議。實(shí)際應用中，需要各種數據傳輸單元是非常困難的，因此這種情況下這種方式是無(wú)法實(shí)施的。
2 軟層面的設計思路
　 從軟層面實(shí)現多個(gè)不同橋梁監測現場(chǎng)子系統之間的數據轉換、傳輸和通信，典型的方法是在公用通信網(wǎng)絡(luò )上架設軟通信平臺，由軟通信平臺提供各種子系統的適配接口、協(xié)議轉換和遠程數據傳輸功能。這種軟通信平臺又稱(chēng)軟總線(xiàn)平臺，圖1顯示了橋梁監測中軟總線(xiàn)平臺的一種可行系統架構。

　 軟總線(xiàn)平臺包括硬件接口單元、軟總線(xiàn)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(dòng)程序，將從外部硬件接收的數據發(fā)送到所述軟總線(xiàn)內核單元，并將從所述軟總線(xiàn)內核單元接收的操作命令發(fā)送到外部硬件。軟總線(xiàn)內核包括多線(xiàn)程任務(wù)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據發(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測人機操作界面對所述軟總線(xiàn)單元的訪(fǎng)問(wèn)接口，將從軟總線(xiàn)內核接收的數據發(fā)送到外部橋梁監測人機操作界面，并將從外部橋梁監測人機操作界面接收的操作命令發(fā)送到軟總線(xiàn)內核。
　 為了實(shí)現分布式遠程控制，軟總線(xiàn)平臺應具有標準的TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò )功能模塊,該模塊提供標準的網(wǎng)絡(luò )應用API接口和網(wǎng)絡(luò )接口硬件驅動(dòng)，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(shí)現多個(gè)不同技術(shù)的橋梁監測現場(chǎng)系統的接入，軟總線(xiàn)平臺具有支持各種橋梁監測現場(chǎng)系統接入的硬件驅動(dòng)和適配接口；另外，為了使新的橋梁監測技術(shù)能簡(jiǎn)便地集成到本系統，軟總線(xiàn)平臺具有支持各種外部硬件系統無(wú)縫集成和外部橋梁監測軟件二次開(kāi)發(fā)的標準API接口。進(jìn)一步地，可在軟總線(xiàn)平臺設計分布式數據存儲接口，實(shí)現大型橋梁監測系統監測數據的本地存儲和分布式處理。