多點分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)
基于軟總線平臺的多點分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，包括多個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)、軟總線平臺和具有數(shù)據(jù)處理單元的監(jiān)測中心計算機，如圖2所示。橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)包括安裝在橋梁上的傳感器、采集儀、智能控制單元以及與智能控制單元相連的本地控制計算機。軟總線平臺包括安裝和運行在本地控制計算機和監(jiān)測中心計算機上的軟總線單元。采集儀采集傳感器的數(shù)據(jù)，智能控制單元接收采集儀采集的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到本地控制計算機，本地控制計算機安裝并運行軟總線單元，將接收到的數(shù)據(jù)通過軟總線單元轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測中心計算機，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行具體的數(shù)據(jù)處理操作。監(jiān)測中心計算機是通過軟總線平臺與智能控制單元通信的，軟總線平臺上本地控制計算機和監(jiān)測中心計算機的各個軟總線單元是通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Internet、移動網(wǎng)絡(luò)等）相通信的，所以監(jiān)測中心計算機不必固定，多個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)也可以分布在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)遍及的地方，只要橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的本地控制計算機與監(jiān)測中心計算機能夠相互通信，即可在本地控制計算機和監(jiān)測中心計算機上布設(shè)軟總線平臺，整個監(jiān)測系統(tǒng)就能在軟總線平臺上實現(xiàn)通信。
系統(tǒng)的主要特點如下：
(1)基于軟總線平臺的
(2)已建的、在建的各種類型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)都可以通過軟總線平臺納入到整個監(jiān)測系統(tǒng)，組建大型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)一個城市或區(qū)域橋梁設(shè)施的松耦合分布式遠程監(jiān)測。
(3)在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中引入軟通信平臺，突破了傳統(tǒng)的單一專用橋梁監(jiān)測系統(tǒng)和目前基于標準網(wǎng)絡(luò)接口的遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，可節(jié)約監(jiān)控成本，提高監(jiān)控效率和性能，實現(xiàn)一個城市或區(qū)域多座路橋設(shè)施的分布式一體化集中監(jiān)控。
4 建立實驗測試系統(tǒng)
采用LabMap軟總線[5]建立具有兩個橋梁監(jiān)測子系統(tǒng)的實驗測試模型，如圖3所示。
LabMap是一種工業(yè)控制軟總線，具有兩個層次的抽象接口：應(yīng)用軟件接口和硬件驅(qū)動接口。LabMap軟總線支持網(wǎng)絡(luò)功能，它將整個網(wǎng)絡(luò)功能抽象成一個高度優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)接口[6]。
實驗測試系統(tǒng)中兩個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的設(shè)備，主要有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)和各類振弦式傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DataTaker DT80g智能采集系統(tǒng)，現(xiàn)場總線采用Wago現(xiàn)場采集總線系統(tǒng)，傳感器主要采用北京基康的振弦式橋梁監(jiān)測傳感器。
實驗系統(tǒng)的硬件設(shè)備還包括聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和控制PC(運行軟總線LabMap及HMI)，各硬件系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)方式如圖3所示。
(1)交換機、本地控制PC1、Wago現(xiàn)場總線采集系統(tǒng)和各種橋梁監(jiān)測傳感器聯(lián)網(wǎng)組成橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)1。該子系統(tǒng)采用10.10.10.0/24網(wǎng)段。本地控制PC和Wago現(xiàn)場總線采集系統(tǒng)之間基于標準的Modbus/TCP通信，通信接口為標準的以太網(wǎng)口。
(2)DT80g智能型數(shù)據(jù)采集器、本地控制PC2和各種橋梁監(jiān)測傳感器組成橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)2。該子系統(tǒng)采用20.20.20.0/24網(wǎng)段。DT80g通過RS485串行口連接控制PC，通信方式為串行通信。
(3)兩個橋梁監(jiān)測子系統(tǒng)和遠端控制PC通過路由器實現(xiàn)互聯(lián)，各端口配置不同網(wǎng)段，組成分布式網(wǎng)絡(luò)，以模擬實際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境。
本實驗系統(tǒng)不僅可對各個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)的應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、位移、傾斜等物理特性進行本地實時監(jiān)測，也可從遠程監(jiān)控終端實現(xiàn)對兩個橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)的分布式監(jiān)測及基于Internet的數(shù)據(jù)共享和對比分析。
如在遠端PC對子系統(tǒng)1的應(yīng)變進行監(jiān)測，采用GK-4200型應(yīng)變計。其采集值和工程應(yīng)變量的轉(zhuǎn)換的理論和修正公式如式(1)和式(2)，修正考慮了弦初始狀態(tài)和溫度的影響。
其中，R0為初始測量值，R1為當(dāng)前測量值，Gf為理論系數(shù)3.304，CF1為用于振弦儀器的鋼材溫度膨脹系數(shù)12.2 uε/℃。測試結(jié)果略。
橋梁在運行期間由于會受到氣候、氧化、腐蝕或老化等因素,及長期在恒載或活載的作用下遭受損壞，其強度和剛度會隨時間的增加而降低，這不僅影響了安全行車，更會使該橋的使用壽命縮短。因此對橋梁的健康狀況進行實時監(jiān)測和長期統(tǒng)計分析具有重要的意義。
為了減少城市或區(qū)域內(nèi)多座橋梁設(shè)施的監(jiān)控維護成本，提高監(jiān)控能力，對多座橋梁實施松耦合分布式遠程監(jiān)控是一個可行的途徑。但目前已建立的單一橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)采用了不同的監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，直接通過某種硬件設(shè)備適配實現(xiàn)互聯(lián)，難度高，代價大。在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中引入軟通信平臺，利用軟通信平臺提供現(xiàn)有各種橋梁監(jiān)測現(xiàn)場系統(tǒng)的不同技術(shù)接口和統(tǒng)一的通信平臺，可實現(xiàn)各種不同橋梁監(jiān)測現(xiàn)場子系統(tǒng)的分布式接入和集中監(jiān)控。通過實驗網(wǎng)絡(luò)測試證明，基于軟總線LabMap的多點分布式遠程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)是一種可行的實現(xiàn)方案。
