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摘 要： 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)能有效地保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了滿(mǎn)足橋梁結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需要，實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)在美國(guó)橋梁診斷公司（BDI）的橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)與之結(jié)合在一起，并以L(fǎng)abVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)研究并設(shè)計(jì)了一套無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸解析存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)了橋梁傳感器數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸與存儲(chǔ)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，為中小型跨徑橋梁的監(jiān)測(cè)提供可行的解決方案。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 橋梁監(jiān)測(cè)； 無(wú)線(xiàn)傳輸； BDI

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）20?0169?04

Abstract： The bridge structure monitoring technology can ensure the safe operation of bridge， and protect life and property safety of the masses. To meet the need of remote data monitoring for the bridge structure and realize the cyberization of bridge monitoring， the system is improved on the basis of the bridge structure testing system of Bridge Diagnostics Inc. （BDI）， and a set of wireless data transmission， analysis and memory module is studied and designed， in which the LabVIEW is regarded as the development platform， and the wireless network technology， virtual instrument technology and bridge structure monitoring technology are combined. The module can realize the wireless transmission and storage of bridge sensor date. The system has strong adaptability and high stability， and provides a feasible solution for the monitoring of small?and medium?size bridge.

Keywords： LabVIEW； bridge monitoring； wireless transmission； BDI

0 引 言

近年我國(guó)橋梁安全事故頻發(fā)，所引起的損失慘重，已經(jīng)引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。其主要原因是橋梁在其設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中存在缺陷，以及在服役過(guò)程中不可避免地受到設(shè)計(jì)載荷、環(huán)境腐蝕、材料老化等問(wèn)題，同時(shí)一些突發(fā)事件（臺(tái)風(fēng)、地震、撞擊等）也會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)損傷，因此有必要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和在線(xiàn)安全監(jiān)測(cè)已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的熱點(diǎn)問(wèn)題[1?2]?，F(xiàn)有的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用有線(xiàn)監(jiān)測(cè)方式，一般采用有線(xiàn)電纜實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸。有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍存在著安裝造價(jià)高、環(huán)境對(duì)傳輸信號(hào)的影響較大等缺點(diǎn)。而無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安裝方便快捷，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可有效地克服有線(xiàn)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)[3]。美國(guó)橋梁診斷公司（BDI）的橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的無(wú)線(xiàn)結(jié)構(gòu)測(cè)試與評(píng)估設(shè)備，它通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸采集到的數(shù)據(jù)，有較好的便攜性和穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于中小型跨徑橋梁的監(jiān)測(cè)與評(píng)定。BDI軟件系統(tǒng)是采用LabVIEW開(kāi)發(fā)的，LabVIEW是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集 、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)程序語(yǔ)言不同，LabVIEW采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言編程，編程簡(jiǎn)單方便，界面直觀(guān)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)[4?6]。但BDI軟件系統(tǒng)較為封閉，無(wú)法直接獲得其實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)。因此本系統(tǒng)利用BDI橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，并針對(duì)BDI軟件系統(tǒng)的缺陷，開(kāi)發(fā)了一套基于BDI軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)模塊用于完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ)，以方便本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)用，為橋梁無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)提出了切實(shí)可行的方案。

1 基于BDI的無(wú)線(xiàn)橋梁測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)采集測(cè)試系統(tǒng)具有低成本、低能耗、高度靈活性、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)省去了在測(cè)試橋梁時(shí)布線(xiàn)的困難，因此在中小型跨徑橋梁的監(jiān)測(cè)與評(píng)定過(guò)程中使用廣泛。BDI橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)利用雙通道無(wú)線(xiàn)電基站，構(gòu)建了一個(gè)基于IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的STS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。雙通道無(wú)線(xiàn)電基站可以同時(shí)工作在2.4 GHz和5 GHz兩個(gè)頻段。2.4 GHz頻段用于所有傳感器節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器端的通信；5.0 GHz頻段用于多個(gè)基站之間無(wú)線(xiàn)通信，支持長(zhǎng)距離通信定向天線(xiàn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)STS?Node將采集的信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)STS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紹DI服務(wù)器端核心模塊（Core）組件。Core將信號(hào)解碼后，由其專(zhuān)用軟件STS?Live顯示，其中核心組件Core和顯示模塊STS?Live均采用LabVIEW編寫(xiě)，如圖1所示。傳感器采集控制和信號(hào)解碼都集成在核心模塊Core中，為了提供BDI系統(tǒng)與其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兼容性，BDI提供了核心模塊Core的二次開(kāi)發(fā)接口，方便其他系統(tǒng)無(wú)縫接入BDI監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

因此本系統(tǒng)充分利用Core的開(kāi)發(fā)接口，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展與改進(jìn)，在服務(wù)端設(shè)置數(shù)據(jù)分析采集軟件模塊實(shí)時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，其框圖如圖2所示。

系統(tǒng)從邏輯結(jié)構(gòu)上分為三層（見(jiàn)圖1）。

（1） 傳感器數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)層。主要完成傳感器數(shù)據(jù)采集，將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)端的Core程序。

（2） 中心服務(wù)系統(tǒng)層。在Core獲取到傳感器數(shù)據(jù)后，通過(guò)它的數(shù)據(jù)傳輸接口，將數(shù)據(jù)傳輸給STS?CLIENT，STS?CLIENT在接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)解碼獲取有效數(shù)據(jù)，通過(guò)LabVIEW的波形圖表控件顯示數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)[7?9]。

（3） 用戶(hù)服務(wù)層。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)中心數(shù)據(jù)庫(kù)獲取相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)，使用Web技術(shù)，完成歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。

2 無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 BDI數(shù)據(jù)傳輸接口與BDI的通信信息系統(tǒng)

BDI服務(wù)器組件Core是系統(tǒng)的控制采集和信號(hào)解碼的核心模塊，可以通過(guò)相關(guān)指令來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)采集器硬件的控制。客戶(hù)端程序可以通過(guò)TCP/IP協(xié)議接入Core組件，對(duì)Core組件發(fā)送指令，將傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)重定向到客戶(hù)端，從而達(dá)到控制無(wú)線(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的目的[10]。Core與客戶(hù)端程序之間的數(shù)據(jù)傳輸是建立在BDI專(zhuān)用的信息編碼格式上的，每一包數(shù)據(jù)打包方式由BDI通信信息系統(tǒng)規(guī)定，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息要按照隊(duì)列元素（Queue Element）的規(guī)則打包。當(dāng)數(shù)據(jù)在TCP/IP上傳輸時(shí)，隊(duì)列元素會(huì)被重新打包為T(mén)CP/IP通信的數(shù)據(jù)幀格式。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1.1 隊(duì)列元素?cái)?shù)據(jù)的打包方式

隊(duì)列元素是一個(gè)由Object，Task，Caller，Call back task與data組成的結(jié)構(gòu)體，其結(jié)構(gòu)如圖3中有效數(shù)據(jù)字段所示。為了在網(wǎng)絡(luò)傳輸中傳送隊(duì)列元素這種結(jié)構(gòu)體，數(shù)據(jù)就必須平化為字節(jié)數(shù)組。在LabVIEW中，將數(shù)據(jù)從其內(nèi)存格式轉(zhuǎn)換為一種更適于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母袷?。這種更適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母袷椒Q(chēng)為平化的字符串?dāng)?shù)據(jù)（Flattened Data）。例如字符串“Task”平化后變?yōu)?000 0004 5461 736B（轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制顯示）。

在STS?CLIENT接收到一包數(shù)據(jù)時(shí)要通過(guò)一定規(guī)則解析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的平化字符串格式并不對(duì)該數(shù)據(jù)的類(lèi)型編碼，LabVIEW將數(shù)據(jù)類(lèi)型信息保存在類(lèi)型描述符中?！皬淖址€原”函數(shù)要求將數(shù)據(jù)類(lèi)型作為一個(gè)輸入端接入，以使函數(shù)對(duì)該字符串正確解碼。

2.1.2 傳感器的數(shù)據(jù)屬性

傳感器數(shù)據(jù)屬性包括：Sensor，傳感器編號(hào)； DataPointer，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；Data，傳感器數(shù)據(jù)；Group，傳感器所在節(jié)點(diǎn)；SampleRate，采樣頻率。系統(tǒng)將這些屬性轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)據(jù)簇格式，以便用于儲(chǔ)存和傳輸。平化字符串?dāng)?shù)據(jù)解碼的LabVIEW代碼如圖4所示。

2.1.3 TCP/IP數(shù)據(jù)包格式

在BDI通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度由傳感器采樣頻率決定，每一個(gè)數(shù)據(jù)包中包含0.5 s的傳感器數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)量為采樣頻率的[12]。由于不同的采樣頻率下數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不統(tǒng)一，會(huì)導(dǎo)致讀取TCP/IP數(shù)據(jù)包時(shí)讀取字節(jié)數(shù)是變化的，同時(shí)讀取TCP/IP數(shù)據(jù)包可能會(huì)存在滯后的問(wèn)題。如果數(shù)據(jù)包沒(méi)有被及時(shí)處理，未處理的數(shù)據(jù)包會(huì)存儲(chǔ)在緩存中，也就會(huì)造成讀取緩存中的數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)度不確定的問(wèn)題。未知數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度時(shí)無(wú)法正確讀取一包數(shù)據(jù)。因此為了解決這一問(wèn)題，在每一個(gè)TCP/IP數(shù)據(jù)包的首部插入一段定長(zhǎng)的16進(jìn)制數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息編碼。TCP/IP數(shù)據(jù)包首部編碼方式結(jié)構(gòu)如圖3中的數(shù)據(jù)編碼字段，其編碼數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8 B，第1 B為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的CRC?8 MAX校驗(yàn)位，后3 B為數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，最后4 B為保留位為以后系統(tǒng)擴(kuò)展備用。讀取TCP/IP數(shù)據(jù)代碼如圖5所示，首先讀取8 B，獲取數(shù)據(jù)包的頭編碼，再取4 B將其中第1個(gè)字節(jié)以CRC?8 MAX算法解碼比較得到的數(shù)值與后3 B的數(shù)值是否一致，若不一致丟棄此數(shù)據(jù)包，若一致讀取相應(yīng)字節(jié)長(zhǎng)度的TCP/IP數(shù)據(jù)。

2.2 STS?CLIENT設(shè)計(jì)與Core的指令功能

STS?CLIENT代替BDI橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)中的STS?Live，完成數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)與顯示功能，具體設(shè)計(jì)過(guò)程與運(yùn)行步驟如下：

（1） 通過(guò)TCP/IP協(xié)議建立與Core的通信連接，連接建立完成后首先發(fā)送登錄指令其中隊(duì)列元素的Task：CLIENTREGISTER，登錄成功后Core開(kāi)始接收STS?CLIENT發(fā)送的其他命令；

（2） 根據(jù)隊(duì)列元素的結(jié)構(gòu)構(gòu)建指令字符串，首先向Core發(fā)送開(kāi)始測(cè)試指令其中隊(duì)列元素Task：CLIENTCOMMAND，Data：NODE=ALL INITIALIZETEST=LIFELOAD；此指令用于初始化測(cè)試，Core收到此指令后將啟動(dòng)傳感器掃描，并獲取傳感器數(shù)據(jù)。成功獲取數(shù)據(jù)后Core默認(rèn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給STS?Live。

（3） 初始化測(cè)試并成功獲取數(shù)據(jù)后STS?CLIENT發(fā)送改變數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)指令，用于將發(fā)給STS?LIVE的傳感器數(shù)據(jù)改為發(fā)給STS?CLIENT，其隊(duì)列元素的前4項(xiàng)與開(kāi)始測(cè)試指令相同，Data：NODE=ALL；ADDTRACES=Sensors，SensorName#Sensors，SensorName …；SensorName為想要獲取的傳感器的編碼，以“#”隔開(kāi)。

（4） 解析接受到的傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)獲取到的TCP/IP數(shù)據(jù)包要經(jīng)過(guò)TCP/IP的數(shù)據(jù)解碼（解碼方法見(jiàn)2.1.3節(jié)）后才能獲得有效數(shù)據(jù)的平化字符串格式，平化字符串?dāng)?shù)據(jù)格式解碼（解碼方法見(jiàn)2.1.1節(jié)與2.1.2節(jié)）后獲取傳感器屬性數(shù)據(jù)，將最終解析后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在波形圖表控件上，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方案與數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)為SQL Server 2008R2。在LabVIEW平臺(tái)下利用LabSQL 工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)。LabSQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫(kù)、跨平臺(tái)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)工具包，支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于OBDC的數(shù)據(jù)庫(kù)，將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL Vis。同時(shí)LabSQL是源代碼開(kāi)放的，用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的程序修改來(lái)滿(mǎn)足需求。

采集與轉(zhuǎn)發(fā)模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如表1所示。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中，將每一包數(shù)據(jù)（1包數(shù)據(jù)的時(shí)間為0.5 s）中的所有數(shù)據(jù)組合為一個(gè)長(zhǎng)字符串存入數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣存儲(chǔ)1個(gè)傳感器1 s的數(shù)據(jù)只需調(diào)用2次數(shù)據(jù)庫(kù)，且調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的次數(shù)與采樣頻率無(wú)關(guān)，很好地解決了系統(tǒng)多次調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的缺陷。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果驗(yàn)證

服務(wù)端STS?CLIENT測(cè)試界面如圖6所示，系統(tǒng)能夠成功獲取到相應(yīng)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖像，并能對(duì)傳感器狀態(tài)的變化做出及時(shí)的反應(yīng)。在啟動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)后數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

移動(dòng)端APP界面如圖7所示，可以通過(guò)Web服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像顯示。測(cè)試表明通過(guò)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)模塊，可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并為其他監(jiān)測(cè)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)橋梁無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，在BDI橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)功能，以L(fǎng)abVIEW為軟件平臺(tái)為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)模塊，完成橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由傳感器到數(shù)據(jù)庫(kù)的傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果表明該系統(tǒng)操作方便簡(jiǎn)潔，有較高的精確度和較好的穩(wěn)定性，能準(zhǔn)確獲取傳感器數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)后續(xù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，適合在中小型橋梁無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)中使用。

注：本文通訊作者為李富年。

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