鐘　東

（南京長江隧道有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211800）

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橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入分析

鐘東

（南京長江隧道有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211800）

摘要：為充分利用已有資源，在新建橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的同時，需要將已有監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)接入健康監(jiān)測系統(tǒng)。文章在已有氣象監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，從硬件和軟件方面進行設(shè)計，將氣象系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入到橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于南京夾江大橋，實現(xiàn)了對該橋氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)；氣象監(jiān)測系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸

橋梁是交通的關(guān)鍵樞紐，承載著大量的交通運輸任務(wù)，一旦橋梁損壞，將會嚴重制約交通運輸經(jīng)濟的發(fā)展，甚至?xí)乐赝{到人民的生命及財產(chǎn)安全。為了對橋梁的功能性、耐久性及安全性進行評估，橋梁健康監(jiān)測應(yīng)運而生，并成為時下關(guān)注的熱點。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可對橋梁的應(yīng)力、變形、環(huán)境因素等數(shù)據(jù)進行采集，全面評估橋梁特性從而保證橋梁安全及使用者的安全［1］。

環(huán)境監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，由于部分橋梁已經(jīng)應(yīng)用了氣象監(jiān)測系統(tǒng)，對影響橋梁狀況的環(huán)境因素數(shù)據(jù)（風(fēng)速風(fēng)向、空氣溫濕度等）進行了采集和分析，為避免重復(fù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，需要將氣象監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫陆蛄航】当O(jiān)測系統(tǒng)，并保證數(shù)據(jù)正常使用。本文結(jié)合南京夾江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立，從硬件和軟件兩個方面進行設(shè)計，驗證系統(tǒng)的可行性。

1　健康監(jiān)測系統(tǒng)中氣象系統(tǒng)的接入設(shè)計與實現(xiàn)

為了將氣象站的相關(guān)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，關(guān)鍵是解決數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)共享的問題［2］。氣象站監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器分布在橋梁的不同位置，需在硬件方面制定相同的通信傳輸協(xié)議以局部無線、全局有線的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸，將數(shù)據(jù)存儲到結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與已有的大橋氣象站監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)格式并不相同，需通過軟件設(shè)計制定相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲格式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.1硬件實現(xiàn)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與氣象監(jiān)測系統(tǒng)在硬件方面主要通過無線與有線相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，并制定安全策略保證數(shù)據(jù)的安全。

1.1.1無線與有線傳輸

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是基于已存在的交通工程三大系統(tǒng)，采用有線的方式進行傳輸，而氣象監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器是分布在橋梁的不同位置，部分傳感器的安裝位置是現(xiàn)有線纜達不到的。因此，基于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，制定相同的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，采取局部無線、全局有線的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將采集的數(shù)據(jù)上傳到本地服務(wù)器，然后再上傳至數(shù)據(jù)中心，其網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

圖1　無線與有線傳輸網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

1.1.2數(shù)據(jù)傳輸安全

由上一節(jié)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖可知，出于安全性考慮橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）內(nèi)完成的，不能和外網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)相通。遠程客戶端只能通過互聯(lián)網(wǎng)（Internet）訪問，不能隨意地對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行訪問，其網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。將氣象站監(jiān)測的數(shù)據(jù)接入橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的同時，必須確保內(nèi)網(wǎng)的絕對安全，又必須將內(nèi)網(wǎng)中服務(wù)器的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到外網(wǎng)，這是網(wǎng)絡(luò)傳輸安全的技術(shù)關(guān)鍵［3］。基于此，對數(shù)據(jù)傳輸安全做了如下需求分析，并通過技術(shù)分析給出解決方案。

圖2　網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)圖

（1）需求分析

①內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器需要將數(shù)據(jù)傳送（備份/鏡像）到一臺具備Internet連接的服務(wù)器上

②所有具備Internet連接的主機均不允許訪問內(nèi)網(wǎng)；

③內(nèi)網(wǎng)到Internet僅允許條件①中所述的數(shù)據(jù)傳送，其他訪問一律拒絕。

（2）技術(shù)解決方案

①采用Cisco ASA 5500系列自適應(yīng)安全設(shè)備將服務(wù)器A和服務(wù)器B連通，其中服務(wù)器A連接在內(nèi)網(wǎng)（局域網(wǎng)）區(qū)域，服務(wù)器B連接在互聯(lián)網(wǎng)（Internet）區(qū)域。

②默認情況下，ASA 5500會阻斷所有從互聯(lián)網(wǎng)（Internet）區(qū)域發(fā)往內(nèi)網(wǎng)（局域網(wǎng)）區(qū)域的連接。

③內(nèi)網(wǎng)（局域網(wǎng)）區(qū)域發(fā)往互聯(lián)網(wǎng)（Internet）區(qū)域的連接僅開通服務(wù)器A到服務(wù)器B數(shù)據(jù)傳送端口的連接。

④ASA 5500具備入侵檢測、病毒檢測、準入控制的擴展能力，網(wǎng)絡(luò)的安全性可以得到進一步提升。

1.2軟件實現(xiàn)

氣象自動監(jiān)測站采集的數(shù)據(jù)存儲方式，與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)存儲方式并不一致，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)并不能使用氣象自動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，因此需通過軟件實現(xiàn)（開發(fā)工具VC6.0，Labview）。軟件規(guī)定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲格式，即將采集的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的格式存儲到文本文件中，來實時地獲取氣象監(jiān)測站的數(shù)據(jù)。

1.2.1數(shù)據(jù)存儲格式

氣象自動監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲采用字符格式，數(shù)據(jù)文件采用文本格式，與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲格式保持一致。所有站點下的傳感器同一時次數(shù)據(jù)均寫在一個文本文件中。文件采用指示碼+時間命名方式：其中時間均取兩位數(shù)字，不足前面補0，“秒”的取值為“00”，如2015-09-16T08∶02的數(shù)據(jù)文件應(yīng)命名為ST150916080200.txt。其數(shù)據(jù)存儲格式如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)儲存格式

1.2.2數(shù)據(jù)存儲時間要求

數(shù)據(jù)文件每2 min存儲一次，即每小時30個文件。每小時起始時刻為00分00秒，結(jié)束時刻為59分59秒。數(shù)據(jù)存儲要求如下：（1)提供能夠自動定時下載的客戶端程序，下載客戶端能夠設(shè)定自動下載的時間間隔（以分鐘為單位），默認設(shè)置為每2 min下載1次；（2)為保證數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)文件應(yīng)定時按日期打包存儲，長期保存。及時清理分鐘數(shù)據(jù)文件，正常情況下保留2天的列表文件。

2　工程應(yīng)用

夾江大橋全長665.5 m，主跨248 m，為獨塔自錨式懸索橋，主塔高107 m；雙向6車道，主橋兩側(cè)設(shè)有人行道，供行人步行過江［4］。為了更好地為橋梁管養(yǎng)服務(wù)，大橋安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括下列3個子系統(tǒng)：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)。

夾江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)劃分為環(huán)境監(jiān)測、結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測以及動態(tài)稱重三大部分，其中環(huán)境監(jiān)測利用已有的氣象站數(shù)據(jù)，主要包括風(fēng)速風(fēng)向、大氣溫濕度、路面溫度及結(jié)構(gòu)溫度數(shù)據(jù)［5］。橋梁傳感器的布置如圖3所示。

圖3　夾江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)測點總體布置圖（單位：cm）

2.1風(fēng)速檢測

風(fēng)速、風(fēng)向傳感器安裝在主塔塔頂處，圖4為2015-03夾江大橋主塔塔頂處的風(fēng)速情況。夾江大橋主塔塔頂位置平均風(fēng)速為3.92 m/s，實測風(fēng)速最大值為19.35 m/s，2 min平均風(fēng)速最大值為13.42 m/s，相當(dāng)于6級風(fēng)（10.7 m/s~13.8 m/s），10 min平均風(fēng)速最大值為12.13 m/s。

圖4　2015-03夾江大橋主塔塔頂實時風(fēng)速變化圖

2.2大氣溫度、濕度監(jiān)測

溫濕度傳感器位于主跨跨中下游側(cè)箱梁內(nèi)和主跨跨中橋面連系梁，圖5及圖6分別為空氣溫度與濕度的變化趨勢。由圖5可知，2015-03主跨跨中下游側(cè)箱梁內(nèi)及主跨跨中橋面連系梁上兩處大氣溫度變化規(guī)律較為一致，符合實際環(huán)境的變化情況。由圖6可知，主跨跨中下游側(cè)箱梁內(nèi)及主跨跨中橋面連系梁上兩處大氣相對濕度變化規(guī)律略有不同，其主要原因在于主跨跨中橋面連系梁的濕度傳感器暴露于大氣環(huán)境之中，受環(huán)境影響較大。

2.3路面溫度監(jiān)測

路面溫度傳感器位于主跨跨中下游橋面，圖7為路面溫度的變化趨勢。路面溫度的平均值為9.3 ℃，最大值出現(xiàn)在03-26，為27.8 ℃；最小值出現(xiàn)在01-01，為-5.9 ℃，溫度最大差值為29.9 ℃，屬正常范圍之內(nèi)。

圖5　2015-03夾江大橋空氣溫度波動趨勢

圖7　2015-03路面溫度波動趨勢

2.4結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測

夾江大橋溫度監(jiān)測分為主跨結(jié)構(gòu)

溫度監(jiān)測、邊跨結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測。圖8為2015-03主跨7/8截面上游側(cè)溫度變化趨勢，最高溫度為40.2 ℃，最低溫度為-3.5 ℃。由圖8可以看出，隨著氣溫的上升，主跨結(jié)構(gòu)溫度差整體上呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，主跨結(jié)構(gòu)溫度狀況變化屬正常范圍。圖9為2015-03邊跨主塔主梁處截面溫度變化趨勢，由圖9可以看出，混凝土結(jié)構(gòu)溫度整體變化趨勢較為一致，且上下游溫差變化較為平穩(wěn)，因而該季度橋梁混凝土結(jié)構(gòu)溫度傳感器運行良好，橋梁狀況良好，無異常。

圖8　2015-03主跨7/8截面溫度波動趨勢圖

3　結(jié)語

通過硬件和軟件設(shè)計，制定規(guī)范統(tǒng)一的協(xié)議，本文所設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)成功地將原有氣象站自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)接入到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對風(fēng)速風(fēng)向、大氣溫濕度、路面溫度及結(jié)構(gòu)溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸和分析。目前該系統(tǒng)已在南京夾江大橋上得到應(yīng)用，其設(shè)計與實現(xiàn)可供類似工程參考。

圖9　2015-03主塔主梁處截面結(jié)構(gòu)溫度波動趨勢圖

參考文獻

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Analysis of Meteorological Monitoring Data Access in Bridge Structural Health Monitoring System

Zhong Dong
（Nanjing Yangtze River Tunnel Co.， Ltd.， Nanjing 211800， China）

Abstract:To take full uses of existing resources， the monitoring data of the existing monitoring system need to be accessed with the new bridge structural health monitoring system. Based on the existing meteorological monitoring system， bridge health monitoring system is designed from hardware and software and applied in Nanjing Jiajiang bridge， thus the existing meteorological data can be used and analyzed.

Key words:bridge engineering； structural health monitoring system； meteorological monitoring system； data transmission

中圖分類號：U446.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672–9889（2016）03–027–03

收稿日期：（2016-03-28）

作者簡介：鐘東（1971-），男，江蘇南京人，高級工程師，主要從事交通工程建設(shè)管理工作。