胡 笳，李 晗，楊暉柱，張其林

（1.同濟大學 土木工程學院，上海200092；2.上海同磊土木工程技術(shù)有限公司，上海200433）

在土木工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)最早被應(yīng)用在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測中，主要用于監(jiān)測環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)振動和局部應(yīng)力，以控制施工質(zhì)量、驗證設(shè)計假定和評定結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)［1-2］.近20年來，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用逐步拓展到高層建筑中.其中，1995年，新加坡在一幢66層辦公樓中安裝了應(yīng)變計、加速計和GPS（global positioning system）用以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性［3］；世界最高建筑“迪拜塔”中設(shè)置了加速度、位移和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用以觀測結(jié)構(gòu)在風或地震作用下的動力響應(yīng)［4］；廣州電視新塔是國內(nèi)首個設(shè)置了較完備健康監(jiān)測系統(tǒng)的超高層結(jié)構(gòu)［5］.

目前國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究主要集中在傳感器系統(tǒng)布置優(yōu)化、監(jiān)測結(jié)果分析和安全評估方法上［6］.在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)方面，前人從理論層面上對系統(tǒng)的設(shè)計原則和功能目標做了定義［7-8］，也討論了工程應(yīng)用中的技術(shù)創(chuàng)新和實踐效果［3-5］.然而，之前的研究往往將各部分功能作為獨立的子系統(tǒng)，較少討論模塊間的配合與協(xié)同.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是涉及傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、圖形技術(shù)等多領(lǐng)域技術(shù)的復(fù)雜集成系統(tǒng)，其中計算機軟件系統(tǒng)承擔了包括采集控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)布和分析評估等在內(nèi)的多項重要功能，對整個系統(tǒng)自動化協(xié)同工作起到關(guān)鍵作用.本文從系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，討論了上海中心大廈結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測軟件系統(tǒng)設(shè)計，并以如何保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全存儲、實時發(fā)布和應(yīng)用為集成目標論述了軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù).

1 監(jiān)測對象與監(jiān)測方案

上海中心大廈建筑高度為632m，結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置核心筒，外圍為型鋼外包混凝土巨型柱，并結(jié)合機電層區(qū)布置了6道2層高外伸臂桁架和8道箱型空間環(huán)帶桁架，由環(huán)帶桁架和巨柱形成外圍巨型框架，從而組成“巨型框架-核心筒-外伸臂”結(jié)構(gòu)體系.由于上海中心大廈結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重要性，對結(jié)構(gòu)實施了從施工階段到運營階段的長期監(jiān)測，以建立全面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，為結(jié)構(gòu)的施工指導、設(shè)計驗證和性能評估提供支持.

為了全面掌握上海中心大廈施工及運營期間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)，對包括荷載及荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的10個分項實施了監(jiān)測，分別是：結(jié)構(gòu)頂部風速及風向、外幕墻風壓、外幕墻風振響應(yīng)、位移、加速度、構(gòu)件內(nèi)力、溫度、構(gòu)件裂縫、標高和地震作用.

圖1顯示了大廈結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的布置方案和傳感器分布情況，其中標高監(jiān)測為手動測量，鋼筋腐蝕監(jiān)測為定期檢測，其他項目均由傳感器在采集系統(tǒng)控制下統(tǒng)一自動采集.從采集頻度出發(fā)，監(jiān)測內(nèi)容可分為動態(tài)實時監(jiān)測、靜態(tài)實時監(jiān)測和條件觸發(fā)監(jiān)測3類.對于監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化頻率高的監(jiān)測項目如風環(huán)境、結(jié)構(gòu)水平位移及豎向傾角等采用動態(tài)實時監(jiān)測；對于構(gòu)件的應(yīng)變和開裂等隨時間變化相對緩慢的結(jié)構(gòu)特性采用靜態(tài)實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集周期以天為單位；另外，對于地震及風振監(jiān)測，只對在強震或強風下的荷載時程及結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)時程進行記錄.

由于系統(tǒng)傳感器數(shù)量眾多，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘枏姸群托?，設(shè)置了7個采集子站和1個數(shù)據(jù)采集總站.子站將各類傳感器信號統(tǒng)一調(diào)制為數(shù)字信號，并通過控制器和路由器將數(shù)據(jù)集中發(fā)送到總站采集服務(wù)器.

圖1 傳感器及子站布置Fig.1 Distribution of sensors and sub-stations

針對上海中心大廈結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測動態(tài)采集的特殊要求，采集系統(tǒng)在以下方面進行了特殊設(shè)計：

（1）對于動態(tài)實時采集，時鐘同步是采集控制中的重要問題.為解決這一問題，采集單元中配置了晶振時鐘芯片，由采集中心服務(wù)器通過系統(tǒng)廣播實現(xiàn)定時的時間校對，以消除各采集器間的時間差異，使同步采集的時間誤差控制在毫秒級別.

（2）由于動態(tài)實時采集頻率高、數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)傳輸需要兼顧實時性和傳輸容量.采集器具有128 kB數(shù)據(jù)存儲功能，實時采集先形成數(shù)據(jù)包緩存在采集器中，再由控制系統(tǒng)以時分復(fù)用方式循環(huán)讀取，從而降低了數(shù)據(jù)寫入頻率和系統(tǒng)開銷.

（3）通過軟件設(shè)置采集閥值，并通過嵌入式編程實現(xiàn)采集器閥值判斷，控制閥值采集；通過軟件設(shè)置預(yù)警閥值，并由軟件程序進行閥值判斷實現(xiàn)異常報警.

（4）作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的直接來源，采集控制系統(tǒng)將各項監(jiān)測數(shù)據(jù)以測點為單位存儲到數(shù)據(jù)庫中，保證了數(shù)據(jù)存儲的統(tǒng)一.

上述方案和措施在硬件上保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的正常采集和傳輸，進一步，硬件系統(tǒng)的驅(qū)動以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、發(fā)布、處理等工作均由軟件系統(tǒng)完成.

2 軟件集成系統(tǒng)框架設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用了由數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)發(fā)布端與數(shù)據(jù)應(yīng)用端構(gòu)成的集成框架，包括4個相輔相成的子模塊，分別是采集控制軟件、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、遠程監(jiān)測網(wǎng)站和模態(tài)識別分析評估軟件，如圖2所示.其中，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由原始數(shù)據(jù)庫、發(fā)布數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)備份接口組成，是集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和橋梁；數(shù)據(jù)采集端由采集控制系統(tǒng)與原始數(shù)據(jù)庫組成，是集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入端；數(shù)據(jù)發(fā)布端由發(fā)布數(shù)據(jù)庫與遠程監(jiān)測網(wǎng)站組成，構(gòu)成面向廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)布端；數(shù)據(jù)應(yīng)用端是基于數(shù)據(jù)發(fā)布接口的本地離線分析軟件，模態(tài)分析評估系統(tǒng)是該框架下的一個應(yīng)用實例.以下詳細闡述各模塊的功能職責和相互協(xié)作方式.

圖2 軟件系統(tǒng)集成框架Fig.2 Integration framework of software system

作為集成軟件系統(tǒng)的一部分，采集控制系統(tǒng)負責設(shè)置采集方案，集中控制采集硬件設(shè)備，讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)并以指定的格式產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出.采集控制軟件一般由采集設(shè)備供應(yīng)商配套提供，其數(shù)據(jù)輸出方式根據(jù)軟件不同而有差異，但一般均提供文本文件、Excel表格和數(shù)據(jù)庫輸出3種方式.作為數(shù)據(jù)來源，采集控制軟件的數(shù)據(jù)輸出和存儲方式須經(jīng)過恰當?shù)倪x擇.考慮到上海中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)量巨大，直接選用數(shù)據(jù)庫保存原始監(jiān)測數(shù)據(jù)更安全可靠.本項目設(shè)備供應(yīng)商提供的采集控制軟件統(tǒng)一以每測點一表的方式進行數(shù)據(jù)庫存儲.這種存儲方式簡單、通用性強，但數(shù)據(jù)量冗余大且不利于查詢.因此根據(jù)采集數(shù)據(jù)特點和需求重新設(shè)計了發(fā)布數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫間的備份.

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)負責原始數(shù)據(jù)庫與發(fā)布數(shù)據(jù)庫的管理維護.如前所述，發(fā)布數(shù)據(jù)庫與原始數(shù)據(jù)庫的職責不同，原始數(shù)據(jù)庫直接接收采集控制系統(tǒng)傳來的全部數(shù)據(jù)，要為數(shù)據(jù)不間斷采集提供保證，其設(shè)計重點是保證足夠的存儲空間；發(fā)布數(shù)據(jù)庫的職責是數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)發(fā)布，其設(shè)計重點是優(yōu)化結(jié)構(gòu)以減少冗余并提高查詢效率.原始數(shù)據(jù)庫通過實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲接口將數(shù)據(jù)定時拷貝到發(fā)布數(shù)據(jù)庫中，其本身只保存最近3個月的數(shù)據(jù)，更長時間的數(shù)據(jù)存儲于發(fā)布數(shù)據(jù)庫.

選擇基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)站查詢主要由于考慮以下幾方面：瀏覽器客戶端具有通用性，系統(tǒng)更新在服務(wù)器端進行，易于升級維護；網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)多種形式的交互查詢和數(shù)據(jù)顯示；能夠在服務(wù)器端完成大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理操作，只返回處理結(jié)果，減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高訪問效率；功能靈活，易于集成，通過訂制數(shù)據(jù)下載功能可作為其他離線監(jiān)測分析軟件的數(shù)據(jù)獲取接口.

模態(tài)分析評估軟件是利用上述數(shù)據(jù)接口開發(fā)的模態(tài)識別及分析軟件，該系統(tǒng)整合了同濟大學開發(fā)的3D3S鋼結(jié)構(gòu)/空間結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)動力特性的有限元計算與模態(tài)識別2種方法的集成分析和相互對比.

軟件框架中各模塊通過以上功能架構(gòu)方式既能夠相互配合以達到整個健康監(jiān)測系統(tǒng)自動化采集、傳輸、存儲、發(fā)布、處理數(shù)據(jù)的集成效果，又實現(xiàn)了模塊間的松散耦合，使功能模塊易于替換、擴展和重構(gòu).以下詳細討論各模塊設(shè)計及實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù).

3 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 監(jiān)測信息集成策略

監(jiān)測數(shù)據(jù)集成主要通過由原始數(shù)據(jù)庫與發(fā)布數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的2層數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)實現(xiàn).采集控制系統(tǒng)將從傳感器得到的原始測量值直接保存到原始數(shù)據(jù)庫，再由實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲接口將原始數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)備份到發(fā)布數(shù)據(jù)庫，最后通過監(jiān)測網(wǎng)站訪問發(fā)布數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程獲取，從而實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)從采集到獲取的自動化集成.

因此，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)承擔著數(shù)據(jù)存儲、管理、備份、查詢的任務(wù)，是實現(xiàn)系統(tǒng)信息集成的關(guān)鍵.考慮到數(shù)據(jù)對象本身并不復(fù)雜，但數(shù)據(jù)存儲量較大，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)選用SQL Server 2005以提供并發(fā)控制、備份還原等數(shù)據(jù)庫服務(wù).

原始數(shù)據(jù)庫采用每測點一表的方式進行存儲，沒有充分利用測點布置的規(guī)律，存在大量的冗余數(shù)據(jù).因此僅將原始數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)的臨時存儲處，只保存最近3個月的數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)進行定期清理，以保證連續(xù)采集所需的存儲容量.

發(fā)布數(shù)據(jù)庫保存了全部的歷史數(shù)據(jù)和最新數(shù)據(jù)，為了壓縮數(shù)據(jù)量節(jié)省存儲空間，同時也為了更好地提供數(shù)據(jù)查詢，發(fā)布數(shù)據(jù)庫采取了一系列面向查詢的設(shè)計和優(yōu)化策略.

（1）動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)優(yōu)化.將傳感器數(shù)目較多的動態(tài)監(jiān)測項目進行多表合并，減少對時間標簽的重復(fù)存儲.以加速度傳感器為例，若同一測點沿X，Y，Z三向布置了加速度計，原始數(shù)據(jù)庫將存儲3個表，表內(nèi)每一行數(shù)據(jù)都保存“時間標簽”和“數(shù)值”2個數(shù)據(jù)項.實際上，同一測點的多個加速度計是由同一個采集器控制采集的，因此一次采集中X，Y，Z三向加速度數(shù)值應(yīng)具有相同的時間標簽，根據(jù)這一特點對數(shù)據(jù)表進行合并.經(jīng)過優(yōu)化，加速度數(shù)據(jù)所占存儲空間可減少約1/3.

（2）靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)優(yōu)化.以應(yīng)變數(shù)據(jù)的存儲為例，發(fā)布數(shù)據(jù)庫以樓層為單位設(shè)置數(shù)據(jù)表，主鍵為采集時間，監(jiān)測數(shù)值按列存儲，列名為測點編號.這樣設(shè)計便于按測點編號和時間查詢，而且同一樓層測點的數(shù)據(jù)存儲在一張表中，便于多測點數(shù)據(jù)查詢和比較.

（3）動態(tài)數(shù)據(jù)分區(qū)存儲策略.對大表采取分區(qū)存儲是優(yōu)化查詢速度的常用手段［9］，動態(tài)數(shù)據(jù)表隨時間增長快，表增長最大可達840萬行·d-1，采用按時間分區(qū)的存儲策略，將大表分割成以天為單位的小表，避免每次掃描整張大表提取數(shù)據(jù)，同時也符合數(shù)據(jù)按天查詢的特點.

原始數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲接口完成到發(fā)布數(shù)據(jù)庫的定向備份，備份程序根據(jù)兩數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)規(guī)則，讀取原始數(shù)據(jù)庫表最新添加的數(shù)據(jù)行，寫入到發(fā)布數(shù)據(jù)庫相應(yīng)數(shù)據(jù)表中，完成數(shù)據(jù)過渡.

數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)通過上述雙層數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)的短期存儲和考慮查詢需求的長期存儲進行職能分割，又通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲接口實現(xiàn)2個數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)過渡，為系統(tǒng)集成提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

3.2 基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)實現(xiàn)

遠程數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)由發(fā)布數(shù)據(jù)庫和遠程監(jiān)測網(wǎng)站構(gòu)成，主要作用是通過互聯(lián)網(wǎng)實時發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的在線瀏覽和下載，為進一步的處理分析提供數(shù)據(jù)接口.

遠程監(jiān)測網(wǎng)站在ASP.NET平臺上開發(fā)，通過ADO.NET實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問，數(shù)據(jù)加工處理采用C＃與C++語言混合編程實現(xiàn).網(wǎng)站按采集項目分類設(shè)計了加速度、風荷載、應(yīng)變、位移、溫度、標高及傾斜度監(jiān)測的數(shù)據(jù)查詢，程序具有以下功能特點：

（1）數(shù)據(jù)圖表動態(tài)加工處理.根據(jù)查詢請求，對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行動態(tài)處理，主要包括數(shù)值統(tǒng)計和物理量換算，并根據(jù)物理量常見圖形表達將處理結(jié)果繪制成圖，例如加速度時程圖、應(yīng)變時程圖、位移軌跡圖等.數(shù)據(jù)查詢的業(yè)務(wù)流程如圖3所示，用戶通過網(wǎng)頁提交查詢條件，網(wǎng)站服務(wù)器根據(jù)請求將查詢轉(zhuǎn)換為SQL（structared query language）語句，并建立數(shù)據(jù)庫連接提交查詢事務(wù)；數(shù)據(jù)庫執(zhí)行SQL查詢并將結(jié)果返回給服務(wù)器；服務(wù)器得到查詢結(jié)果后進行處理計算，并生成用于繪圖的參數(shù)和數(shù)據(jù)，并調(diào)用繪圖模塊進行繪圖；繪圖模塊基于C++語言獨立開發(fā)，實現(xiàn)了上述二維圖表的參數(shù)化繪制，調(diào)用時須定義繪圖類型，如折線圖、散點圖或時程圖，并填充系列數(shù)、縱橫坐標和數(shù)值等繪圖控制參數(shù)完成圖形生成和圖片輸出；服務(wù)器將數(shù)據(jù)查詢和處理結(jié)果加載到頁面，返回給用戶.

圖3 數(shù)據(jù)查詢處理流程Fig.3 Data-query processing flow

（2）利用結(jié)構(gòu)三維模型表達測點布置.為了更直觀地表現(xiàn)測點空間位置，對上海中心大廈建筑信息模型（Building Information Models，BIM）附加傳感器模型，得到傳感器空間位置圖形.

（3）數(shù)據(jù)查詢設(shè)計結(jié)合監(jiān)測采集方案.對測點數(shù)量大的項目，將傳感器分類，如應(yīng)變數(shù)據(jù)可按應(yīng)變計布置位置分為核心筒墻體、核心筒暗柱、桁架、巨柱四大類；對數(shù)據(jù)量大的項目，查詢設(shè)計考慮按時間分割，如加速度數(shù)據(jù)可按監(jiān)測日期查詢.

（4）通過提供監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢下載為進一步的監(jiān)測分析及結(jié)構(gòu)評估提供數(shù)據(jù)接口.每個數(shù)據(jù)文件包含文件頭和數(shù)據(jù)2節(jié)，文件頭包含所查詢數(shù)據(jù)的測點編號、起止時間、監(jiān)測頻率、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)條數(shù)等總體信息，這些信息用于解析緊隨其后的數(shù)據(jù)段.

以B/S方式實現(xiàn)遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢網(wǎng)站既能夠滿足一般的數(shù)據(jù)瀏覽查詢需求，又便于向其他系統(tǒng)集成，不論是大廈的運維系統(tǒng)還是其他離線分析客戶端都可以通過內(nèi)置瀏覽器控件集成網(wǎng)站功能，幾乎不需要進行任何額外的程序開發(fā)就能實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布的集成.

3.3 集成化結(jié)構(gòu)模態(tài)識別分析軟件實現(xiàn)

模態(tài)識別是結(jié)構(gòu)性能評估分析的一項重要內(nèi)容，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體模態(tài)識別具有相當?shù)碾y度，不但依賴于傳感器的合理布置，也依賴于分析手段的全面深入.為了提高模態(tài)識別的效率和可靠性，同濟大學和上海同磊土木工程技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)了結(jié)構(gòu)監(jiān)測/分析/評估軟件（Structural Monitor/Analysis/Evaluation software system，SMAE），軟件能夠完成在線監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取和模態(tài)識別，并提供了有限元動力特性計算與模態(tài)識別結(jié)果的對比分析.

SMAE軟件主要功能模塊包括：4個界面交互模塊，即遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取模塊、結(jié)構(gòu)有限元分析模塊、模態(tài)識別模塊與對比評估模塊；3個功能性模塊，即數(shù)值計算模塊、三維繪圖模塊和圖表生成模塊；2個獨立模塊，即監(jiān)測網(wǎng)站和3D3S軟件結(jié)構(gòu)分析程序.模塊間相互調(diào)用關(guān)系如圖4所示.程序界面和主要功能使用C++語言基于MFC（Microsoft Foundation Classes）應(yīng)用程序框架開發(fā)，三維圖形顯示基于OpenGL圖形庫編程，數(shù)值計算使用C++與Fortran語言混合編程基于IMSL數(shù)學函數(shù)庫（International Mathematics and Statistics Library）實現(xiàn).

圖4 SMAE功能模塊調(diào)用關(guān)系Fig.4 Function modules call graph

程序功能流程如圖5所示，分為以下4個主要步驟：

（1）遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取.利用瀏覽器控件將遠程監(jiān)測網(wǎng)站內(nèi)置于程序界面中，通過網(wǎng)站獲取模態(tài)識別所需的加速度時程數(shù)據(jù)，從網(wǎng)站將數(shù)據(jù)文件下載到本地后進行解析，得到計算參數(shù)和數(shù)據(jù).

（2）結(jié)構(gòu)動力特性有限元計算.整合了3D3S軟件，通過調(diào)用3D3S軟件讀取或新建結(jié)構(gòu)分析模型，進行動力特性分析，并在3D3S軟件中增加了定義測點功能，計算完畢后返回結(jié)構(gòu)頻率和振型信息，用于在SMAE中顯示動力特性數(shù)值和結(jié)構(gòu)三維振型動畫.

（3）模態(tài)識別.使用頻域峰值法和時域隨機子空間法對實測加速度時程數(shù)據(jù)進行分析［10］，識別結(jié)構(gòu)頻率和振型，并利用3D3S軟件將識別得到的測點振型位移值作為結(jié)構(gòu)強迫位移，經(jīng)過反算得到整體振型，顯示振型動畫.

（4）對比評估模塊提取2種方法得到的結(jié)構(gòu)頻率及振型進行分析對比.圖6顯示了該功能的界面，圖示結(jié)構(gòu)為一個網(wǎng)架屋蓋算例，界面上以三維線框模型表達結(jié)構(gòu)某一頻率的振型位移，從左到右分別為有限元計算結(jié)果、模態(tài)識別結(jié)果以及2種方法的差值；界面中的列表從左到右依次表示2種方法的頻率對比以及某一頻率對應(yīng)的X，Y，Z三向振型對比.

圖5 SMAE功能流程圖Fig.5 SMAE functional flow diagram

圖6 SMAE對比評估模塊程序界面Fig.6 Program interface of comparison and assessment module in SMAE

SMAE軟件通過利用集成框架的數(shù)據(jù)發(fā)布接口在功能上實現(xiàn)了模態(tài)識別與數(shù)據(jù)采集模塊的隔離，同時與有限元計算分析模塊結(jié)合，以便與模態(tài)識別結(jié)果進行對比分析和評估.同時SMAE軟件在程序設(shè)計上考慮了一定的通用性，由于模態(tài)識別和有限元分析都是獨立設(shè)計的功能模塊，只需要修改監(jiān)測網(wǎng)站的地址接口并訂制相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件解析格式就可以方便移植于同類監(jiān)測系統(tǒng).

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

監(jiān)測軟件集成系統(tǒng)由監(jiān)測控制中心的采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器和安裝于本地的瀏覽器客戶端與SMAE客戶端組成.以應(yīng)變、位移和加速度數(shù)據(jù)的查詢處理為例說明系統(tǒng)的應(yīng)用效果.

4.1 應(yīng)變數(shù)據(jù)查詢

應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)通過監(jiān)測網(wǎng)站進行發(fā)布，圖7是應(yīng)變查詢頁面.頁面通過三維模型顯示了傳感器的全局位置和局部放大模型，可以直接選擇圖片上的文字標簽查詢該編號的測點監(jiān)測數(shù)據(jù).圖中顯示了位于第5層核心筒暗柱內(nèi)埋鋼板表面的一個應(yīng)變計監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表列出了應(yīng)變值，折線圖顯示了換算后的應(yīng)力隨時間的變化趨勢，該測點受壓且壓應(yīng)力增量大致呈增加趨勢.

圖7 5層核心筒暗柱內(nèi)埋鋼板表面應(yīng)變測點查詢頁面Fig.7 Query result of stress data on the surface of the steel column embedded in core-tube on the 5th floor

4.2 位移數(shù)據(jù)查詢

網(wǎng)站位移查詢頁面的形式與應(yīng)變查詢頁面相似，查詢條件設(shè)計為按時間查詢.用戶選擇要查詢的日期，服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫獲取當天的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計處理，求出各時段的溫度和位移平均值，最后以數(shù)據(jù)圖表形式輸出.

圖8 位移查詢效果Fig.8 Query results

圖8顯示了2011年10月19日的位移查詢結(jié)果，由圖可知當天大廈表面溫度為18.0～25.5℃，在11：30達到最高溫度25.5℃，同時核心筒施工最高處水平位移最大值出現(xiàn)在11：30，向東偏移13.0 mm，向南偏移26.5mm.監(jiān)測結(jié)果體現(xiàn)了位移值1d內(nèi)的變化趨勢與溫度變化趨勢基本一致.

4.3 利用加速度數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)自振周期

使用SMAE客戶端分析大廈的自振頻率，首先通過客戶端的內(nèi)置瀏覽器登錄遠程監(jiān)測網(wǎng)站，查看加速度數(shù)據(jù)，如圖9所示，并將數(shù)據(jù)文件下載到本地，經(jīng)過解析和復(fù)制后供模態(tài)分析使用.然后進入模態(tài)識別頁面，數(shù)據(jù)采樣頻率、采樣長度和數(shù)據(jù)直接從文件讀入，先用頻域識別方法進行功率譜計算，再使用時域識別方法計算穩(wěn)定圖，然后對比2種方法計算結(jié)果確定頻率.程序提供了交互式的圖形界面，可在功率譜與穩(wěn)定圖的疊加輸出上直接拾取圖譜重合度較高的頻率作為識別結(jié)果.圖10是使用SMAE對2012年4月9日采集的加速度數(shù)據(jù)識別頻率的結(jié)果，當時結(jié)構(gòu)核心筒施工到第56層，外框架施工到第43層，樓板澆筑到第32層，其有限元計算結(jié)果如圖11所示.表1為使用SMAE進行有限元計算得到的結(jié)構(gòu)自振頻率fA和模態(tài)識別計算得到的結(jié)構(gòu)自振頻率fM比較，可以看到2種方法計算得到的前2階頻率基本吻合，第3階頻率模態(tài)識別結(jié)果較有限元結(jié)果小8.9%，其原因主要是施工過程中局部震動對加速度監(jiān)測產(chǎn)生一定干擾，反應(yīng)到模態(tài)識別結(jié)果上，對高頻率的影響較大.

圖9 SMAE加速度數(shù)據(jù)查詢結(jié)果Fig.9 Screenshot of acceleration query in SAME

圖10 SMAE頻率識別結(jié)果Fig.10 Screenshot of identification of natural frequency using SSI method and Peak method in SMAE

圖11 SMAE頻率振型有限元計算結(jié)果Fig.11 FEA results of natural frequency and vibration mode in SMAE

表1 SMAE有限元計算和模態(tài)分析的頻率結(jié)果Tab.1 Natural frequency results by FEA and modal analysis using SMAE

5 結(jié)論

研究了上海中心大廈結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測軟件系統(tǒng)的集成設(shè)計與實現(xiàn)方法.首先介紹了監(jiān)測內(nèi)容與采集布置方案，然后提出了軟件系統(tǒng)的集成框架并闡述了各模塊的主要功能和協(xié)作流程，之后詳細討論了系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)，并通過實例說明了系統(tǒng)應(yīng)用的效果.主要結(jié)論有：

（1）提出了由數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)發(fā)布端和數(shù)據(jù)應(yīng)用端構(gòu)成的監(jiān)測軟件集成框架，各軟件模塊通過明確的功能劃分實現(xiàn)了模塊間的松散耦合，也易于功能擴展和系統(tǒng)重構(gòu).

（2）監(jiān)測信息集成是實現(xiàn)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵，通過設(shè)置原始數(shù)據(jù)庫與采集控制軟件接駁實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲，同時通過設(shè)置發(fā)布數(shù)據(jù)庫與遠程監(jiān)測網(wǎng)站接駁實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布.原始數(shù)據(jù)庫通過定期清理維護和實時備份保證連續(xù)動態(tài)采集的數(shù)據(jù)存儲安全.發(fā)布數(shù)據(jù)庫通過表結(jié)構(gòu)優(yōu)化和物理設(shè)計優(yōu)化，不但大大減少了數(shù)據(jù)冗余，而且更便于數(shù)據(jù)查詢.兩數(shù)據(jù)庫通過實時轉(zhuǎn)儲接口實現(xiàn)備份.

（3）監(jiān)測網(wǎng)站利用結(jié)構(gòu)BIM模型獲得了良好的傳感器布置可視化效果，并提供了多種數(shù)據(jù)圖表的動態(tài)查詢生成，能滿足一般的監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢和處理.同時數(shù)據(jù)下載功能為進一步的數(shù)據(jù)分析處理提供了接口.

（4）基于此框架開發(fā)了模態(tài)識別分析軟件SMAE，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)動力特性的模態(tài)識別、有限元分析和對比評估，論證了集成框架的可行性.SMAE軟件通過利用集成框架的數(shù)據(jù)發(fā)布接口，在功能上實現(xiàn)了模態(tài)識別與數(shù)據(jù)采集模塊的隔離，同時與有限元計算分析模塊結(jié)合，便于2種分析方法的對比.

（5）系統(tǒng)實現(xiàn)了集成框架和主要功能，通過應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)的查詢實例和施工階段結(jié)構(gòu)自振周期的識別說明了系統(tǒng)應(yīng)用的效果.系統(tǒng)功能能夠滿足目前施工階段結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需求，但隨著工程完工并投入使用階段，系統(tǒng)仍有以下部分需要進一步完善，即使用期結(jié)構(gòu)風作用和地震作用的閥值采集算法的研究；SMAE中模態(tài)識別算法的改進及增加有限元模型修正功能；風、地震作用監(jiān)測的在線報告和離線分析功能集成等.

軟件系統(tǒng)通過上述集成框架實現(xiàn)了從監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)布到分析的自動化集成，并為其他離線分析功能的集成提供了數(shù)據(jù)接口.該軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法可為同類健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建提供參考.

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