陳 俊， 陳 峰， 陳 偉

(1.暨南大學(xué)信息技術(shù)研究所，廣東廣州510075;2.廣州工程總承包集團有限公司，廣東廣州510000)

20世紀80年代以來，隨著人們對大型重要橋梁結(jié)構(gòu)安全性、耐久性與正常使用功能的日益關(guān)注，橋梁結(jié)構(gòu)的智能控制和智能監(jiān)測研究成為廣受關(guān)注的研究領(lǐng)域.由于荷載作用、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)、材料老化和突發(fā)事故(撞擊、地震)等內(nèi)部和外部因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞和損傷積累，嚴重的甚至?xí)?dǎo)致突然倒塌.實施橋梁健康監(jiān)測，不但可以及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱患，及時采取措施，有效預(yù)防突發(fā)性災(zāi)難，而且對新設(shè)計、新材料、新工藝進行評估和驗證，改進設(shè)計方案等都具有重要意義［1－2］.

橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為橋梁結(jié)構(gòu)在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)［3－6］.

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需要采集建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的應(yīng)力、應(yīng)變、振動、撓度、溫度、濕度、風(fēng)速等多種參數(shù)，需要建設(shè)龐大和復(fù)雜的傳感系統(tǒng).物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)［1－4］.

本研究提出的橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域中的物聯(lián)網(wǎng)，即將傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)綜合運用到橋梁健康監(jiān)測中，通過在監(jiān)測領(lǐng)域搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)采集橋梁關(guān)鍵位置的安全信息，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)接收端完成數(shù)據(jù)的接收與處理并具有管理整個系統(tǒng)的功能，從而構(gòu)建一種基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)［4－5］.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

基于3G物聯(lián)的橋梁集群健康實時監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案原理是:在監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)上安裝相關(guān)傳感器，實時感知基建工程的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài);以3G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，構(gòu)成橋梁集群健康監(jiān)測傳感器物聯(lián)網(wǎng)絡(luò);以該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建設(shè)橋梁健康監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對橋梁集群健康狀況的實時監(jiān)測、重大結(jié)構(gòu)安全事故實時預(yù)警、預(yù)報和及時處理.

本系統(tǒng)主要由4大子系統(tǒng)構(gòu)成:傳感器子系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和橋梁集群健康實時監(jiān)測中心子系統(tǒng).各個子系統(tǒng)分別執(zhí)行對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送、數(shù)據(jù)的傳輸、信息的處理，最終完成整個系統(tǒng)的信息可視化、查詢、預(yù)測等功能.本系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［5］.

1.1 傳感器子系統(tǒng)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需要采集建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的應(yīng)力、應(yīng)變、振動、撓度、溫度、濕度、風(fēng)速等多種參數(shù)，因此需要安裝應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、振動傳感器、擾度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等來建設(shè)龐大和復(fù)雜的傳感系統(tǒng).

1.2 嵌入式數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

一般情況以單座橋梁為單位，采用ARM微處理器構(gòu)建嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)，傳感數(shù)據(jù)量巨大的特大型橋梁可建設(shè)多個數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng).主要完成不同種類傳感數(shù)據(jù)的前期采集、濾波處理和無線傳輸工作，多座橋梁的后期健康狀況分析工作由橋梁集群健康實時監(jiān)測中心子系統(tǒng)完成.

1.3 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System frame

利用移動3G無線網(wǎng)絡(luò)，基于TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)多個嵌入式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)集群安全監(jiān)測中心之間的數(shù)據(jù)實時傳輸.

1.4 橋梁集群健康實時監(jiān)測中心子系統(tǒng)

基于TCP/IP協(xié)議，采用SOCKET服務(wù)器模式，實現(xiàn)對散布在較大區(qū)域內(nèi)的多個橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的接收.在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)模型及專家經(jīng)驗，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對采集海量數(shù)據(jù)進行分析，分別計算得出橋梁健康狀態(tài)，并給出相應(yīng)的維護和養(yǎng)護對策.用戶可通過手機等網(wǎng)絡(luò)終端及時瀏覽橋梁的安全狀態(tài)，當(dāng)橋梁健康安全出現(xiàn)一定的內(nèi)部損傷時，可通過手機短信、彩信等方式及時預(yù)警.

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由ARM微處理器、AD采集模塊、3G無線模塊、外部實時時鐘、多個模擬數(shù)字接口、電源、LCD液晶顯示器和數(shù)據(jù)存儲單元等組成.考慮到開發(fā)周期、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，ARM微處理器采用三星S3C6410ARM11微處理器芯片，3G無線模塊采用華為 EM560、EM200、EM770W 模塊系列，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議無線通信模塊，該無線模塊系列的3種產(chǎn)品，分別支持 TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA3G無線通信技術(shù)，通過簡單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網(wǎng)絡(luò).系統(tǒng)支持AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2.考慮到準確計時和批量保存數(shù)據(jù)的需要，擴展了I2C總線的外部時鐘芯片1337和采用備用電池供電的外部靜態(tài)ROM存儲單元CY62157ESL.

圖2 基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of embedded data acquisition and processing system based on ARM

2.2 基于3G的無線通信方式

3G(3rd generation)是第3代移動通信技術(shù)，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù).3G服務(wù)能夠同時傳送聲音和數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上.目前，3G存在4種標準:CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WMAX.3G 系統(tǒng)致力于為用戶提供更好的語音、文本和數(shù)據(jù)服務(wù).與現(xiàn)有的技術(shù)相比較而言，3G技術(shù)的主要優(yōu)點是能極大地增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率.此外，利用在不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游技術(shù)，可將無線通信系統(tǒng)和Internet連接起來，從而可對移動終端用戶提供更多更高級的服務(wù).并且還具有快速登錄、永遠在線、按流量收費等優(yōu)點.圖3為3G(以TD-SCDMA為例)通信結(jié)構(gòu)框圖［1］.

圖3 3G通信結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structural block diagram of 3G communication

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要包括3G無線通信軟件和橋梁集群健康實時監(jiān)測中心軟件兩部分.

3.1 3G無線通信軟件設(shè)計

基于ARM的3G無線通信軟件系統(tǒng)主要圍繞穩(wěn)定可靠的3G無線通信和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)校驗兩方面展開.通過在三星S3C6410微處理器芯片中植入μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)程序的穩(wěn)定性.其中，3G無線通信程序主要參考國際通用的AT指令集，實現(xiàn)模塊與微處理器的信息交換.軟件流程如圖4所示.

首先啟動μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，建立主任務(wù)，進行串口等的初始化，然后通過串口信號線驅(qū)動Modem，AT指令集進行一系列Modem參數(shù)設(shè)置，并撥號到GGSN，新建PPP任務(wù)進行數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)商，得到IP，完成上網(wǎng)過程.此時可以建立發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)，作為客戶端向網(wǎng)絡(luò)主機發(fā)送建立TCP連接請求，經(jīng)過2次握手成功后，雙方TCP連接狀態(tài)都到達ESTABLISH(建立連接)狀態(tài)，此時便可以將采集到的數(shù)據(jù)通過SOCKET套接字傳輸回網(wǎng)絡(luò)主機，完成傳輸任務(wù).接下來可以結(jié)束任務(wù)或等待下一次采集數(shù)據(jù)時間到，再次進行傳輸.

圖4 3G無線通信軟件流程圖Fig.4 3G wireless communication software flow chart

系統(tǒng)數(shù)據(jù)校驗采用32位CRC校驗(循環(huán)冗余校驗)方式:在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的r位監(jiān)督碼(CRC碼)，附在原始信息后邊，構(gòu)成一個新的二進制碼序列數(shù)共k+r位，然后發(fā)送出去.在接收端，根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯.該種校驗方法檢錯能力強，占用系統(tǒng)資源少，用來檢測或校驗數(shù)據(jù)傳輸或者保存后可能出現(xiàn)的錯誤，是進行數(shù)據(jù)傳輸差錯檢測的一種很好手段.

3.2 橋梁集群健康實時監(jiān)測中心軟件設(shè)計

在橋梁集群健康實時監(jiān)測中心的上位PC機要具有數(shù)據(jù)的存儲與處理、數(shù)據(jù)的可視化、物聯(lián)網(wǎng)的管理功能.以 Microsoft VC++6.0，sql server 2000 數(shù)據(jù)庫為開發(fā)工具.整個系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，普通用戶可以進行數(shù)據(jù)的查詢與可視化，權(quán)限用戶可以進行傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理.軟件架構(gòu)如圖5所示.

圖5 橋梁集群健康監(jiān)測中心軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture of the bridge cluster health monitoring center

監(jiān)測中心與客戶端的通訊流程如圖6所示.

圖6 監(jiān)測中心與客戶端通訊流程圖Fig.6 Monitoring center and client communication diagram

4 系統(tǒng)的實驗測試

為了有效驗證系統(tǒng)成果的實用性，選取天河立交橋作為實驗對象.由于實驗條件有限，僅對其作振動加速度的測量，采用專門研制的低頻寬帶振動測試系統(tǒng)進行測試，將采集的數(shù)據(jù)通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳到實驗室的監(jiān)測中心.

4.1 測試儀器

本實驗用到的測試儀器有:

(1)高靈敏度超低頻壓電加速度傳感器4只，電壓靈敏度為0.3 V·S2/m，頻率范圍0.125～80 Hz;

(2)991B型振動測試分析儀1臺;

(3)3G無線傳輸測控終端1臺;

(4)941型放大器(6線);

(5)導(dǎo)線若干條.

4.2 測試結(jié)果

經(jīng)測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定.

監(jiān)測中心軟件實時數(shù)據(jù)接收與控制界面和參數(shù)分析界面分別如圖7和圖8所示.

圖7 實時數(shù)據(jù)接收與控制界面Fig.7 Real-time data reception and control interface

圖8 參數(shù)分析界面Fig.8 Parameter analysis interface

5 結(jié)論

本系統(tǒng)通過3G物聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)橋梁集群健康的智能監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)可視化，達到動態(tài)監(jiān)測結(jié)構(gòu)安全的功能，通過改變傳感器的類型可實現(xiàn)功能全面的監(jiān)測.與傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測方法相比，本設(shè)計具有良好的性能價格比:

(1)系統(tǒng)采用3G物聯(lián)傳輸，具有無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?、靈活性.一方面，有效降低了綜合布線和建設(shè)多個監(jiān)測中心的成本，節(jié)省了大量人力物力;另一方面，將多座橋梁進行集中監(jiān)測，實現(xiàn)了多座橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享與信息交互，也提高了區(qū)域內(nèi)橋梁集群監(jiān)測系統(tǒng)的反應(yīng)速度.

(2)在將橋梁集群健康監(jiān)測納入統(tǒng)一平臺集中管理后，用戶不需要投資建設(shè)監(jiān)控中心，無需專業(yè)設(shè)備和專業(yè)人員對監(jiān)控中心進行管理，只需要定期接收由監(jiān)測中心發(fā)布的健康狀況報告，可為用戶節(jié)約大批建設(shè)資金和維護資金.

系統(tǒng)具有可靠性高、適應(yīng)性強等優(yōu)點，具有一定的推廣價值.項目產(chǎn)品可作為移動公司的3G增值應(yīng)用產(chǎn)品，在橋梁結(jié)構(gòu)、高層建筑等傳統(tǒng)安全監(jiān)測領(lǐng)域推廣，在替代傳統(tǒng)產(chǎn)品的同時，實現(xiàn)3G數(shù)據(jù)的增值應(yīng)用.

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