一種新型多點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GSM網絡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，按照這兩種監測方式建立的橋梁監測系統都是單一的專用系統，即某監測系統只對某一特定橋梁進行監測，無法組建大型的監控網絡。近年來，工程理論上又提出了一些新的橋梁監測方法，如基于無線傳感網絡的橋梁監測系統[2-3]，基于多點輪詢的零散狀態橋梁監測系統[4]等，這些方法適用于采用同種技術構建零散狀態下的大型監測系統，但對于不同的橋梁監測技術或與現有橋梁監測系統的兼容性仍有很大問題，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設備、監控技術和網絡結構，這不僅需要大量的人力、物力，維護管理上也有很大的困難，對監測情況的統計分析和經驗交流也非常不利。實現整個城市或區域多個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接口，直接互聯或采用某種硬件設備實現互聯，難度高，代價大，從軟層面實現各種不同橋梁監測現場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
現有的橋梁監測系統采用的監測方法除最傳統的人工進行數據的測量、記錄和處理外，主要包括以下兩種方式：利用移動GSM網絡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的話音信道建立點對點的數據傳輸通道，通過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間只能采集一座橋梁或一個采集儀連接的傳感器數據。而且對總線上的設備控制也是點對點的控制方式，故數據采集的速度慢，操作繁瑣。數據傳輸的方法基于移動網絡的專用信道，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，監測中心相對固定，組建大型監控網絡比較困難。
　 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用系統，即某監測系統只對某一特定橋梁進行監測，無法組建大型的監控網絡。
　 近年來，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：每個監測點的智能控制單元通過數據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測中心計算機[4]。通過這種網絡連接方式，監測中心計算機可異步地同時與多個監測點建立數據傳輸連接，實現多點監測和控制。同時監測中心計算機的數據處理單元采用多線程的方式，實現多任務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設備和技術可組建新的大型監控網，實現多座橋梁的監測，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議適配；同樣，智能控制單元的上行物理接口和通信協議不同，則要求數據傳輸單元下行具備不同的物理接口和通信協議，而數據傳輸單元的上行都是統一的接入GPRS或CDMA網絡的接口和通信協議。實際應用中，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法實施的。
2 軟層面的設計思路
　 從軟層面實現多個不同橋梁監測現場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絡上架設軟通信平臺，由軟通信平臺提供各種子系統的適配接口、協議轉換和遠程數據傳輸功能。這種軟通信平臺又稱軟總線平臺，圖1顯示了橋梁監測中軟總線平臺的一種可行系統架構。

　 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據發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據發送到應用接口單元，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單元的訪問接口，將從軟總線內核接收的數據發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送到軟總線內核。
　 為了實現分布式遠程控制，軟總線平臺應具有標準的TCP/IP協議網絡功能模塊,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。為了實現多個不同技術的橋梁監測現場系統的接入，軟總線平臺具有支持各種橋梁監測現場系統接入的硬件驅動和適配接口；另外，為了使新的橋梁監測技術能簡便地集成到本系統，軟總線平臺具有支持各種外部硬件系統無縫集成和外部橋梁監測軟件二次開發的標準API接口。進一步地，可在軟總線平臺設計分布式數據存儲接口，實現大型橋梁監測系統監測數據的本地存儲和分布式處理。