摘要：文章研究了橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)原則和異常數(shù)據(jù)剔除方法，根據(jù)橋梁特點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)空間分布提出了集中式與分布式相結(jié)合的“一中心多站點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集模式，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)模式的可行性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸；傳感器；預(yù)處理；異常值

中圖分類(lèi)號(hào)：U456.3 A 27 089 3

0 引言

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)智能預(yù)警子系統(tǒng)、用戶(hù)管理子系統(tǒng)等組成部分［1］。數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，為橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)源和遠(yuǎn)程響應(yīng)。橋梁健康監(jiān)測(cè)涉及的傳感器的類(lèi)型繁多、監(jiān)測(cè)方式及通信協(xié)議復(fù)雜，且需要實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的兼容性、數(shù)據(jù)的融合性要求很高。

本文著重從橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行研究，從硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用案例驗(yàn)證橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的性能。

1 硬件系統(tǒng)分析

1.1 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是一種可以自動(dòng)感知被測(cè)物信息，能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和傳輸某一特定信息，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的物理信號(hào)的技術(shù)。傳感器處于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最底層，直接與橋梁結(jié)構(gòu)作用來(lái)獲取監(jiān)測(cè)信號(hào)，其性能好壞直接影響整個(gè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)分析及評(píng)估起著決定性作用。

傳感器按信號(hào)特征可分為模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)兩大類(lèi)。模擬信號(hào)是指在時(shí)域上數(shù)字形式為連續(xù)函數(shù)的信號(hào)［2］，模擬信號(hào)輸出主要有電流、電壓、頻率等信號(hào)。數(shù)字信號(hào)是指離散的時(shí)間信號(hào)的數(shù)字化表示［2］，主要是將各類(lèi)傳感器檢測(cè)信息轉(zhuǎn)換成可以識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)所涉及的傳感器和采集設(shè)備沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式和接口協(xié)議，各類(lèi)傳感器的生產(chǎn)廠家采用的硬件接口和通信協(xié)議也不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集層需要向下兼容不同的接口協(xié)議。橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣，數(shù)據(jù)格式各異，采集頻率不一致，從靜態(tài)數(shù)據(jù)低頻信號(hào)到動(dòng)態(tài)高頻信號(hào)，在系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)期間會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)方法，針對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容確定的傳感器對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力特性、動(dòng)力特性和環(huán)境有較高的靈敏度和分辨力，監(jiān)測(cè)的信息應(yīng)能與結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)

目前主流傳感器輸出信號(hào)普遍為模擬信號(hào)，這些信號(hào)計(jì)算機(jī)無(wú)法直接識(shí)別，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能被識(shí)別。由于各類(lèi)傳感器的感知方式和信號(hào)類(lèi)型各不相同，與之匹配的信號(hào)解析和通信方式也不同。本文采用基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要功能是將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)并進(jìn)行濾波去噪處理，然后通過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）成數(shù)字量，計(jì)算機(jī)可通過(guò)串口或以太網(wǎng)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集設(shè)備根據(jù)采樣頻率的高低分為靜態(tài)類(lèi)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括環(huán)境、作用、結(jié)構(gòu)變化、結(jié)構(gòu)響應(yīng)四大類(lèi)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)靜力特征、動(dòng)力特性和環(huán)境確定的數(shù)據(jù)采集方法及傳感器的響應(yīng)特性選取數(shù)據(jù)采集設(shè)備。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備分為數(shù)字量和模擬量?jī)深?lèi)，主要用于采樣頻率低的傳感器，如振弦式應(yīng)變計(jì)、壓力變送器、溫濕度儀、傾角儀、磁通量傳感器等。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要用于高采樣頻率的傳感器，如振動(dòng)加速度計(jì)、索力計(jì)、位移計(jì)、風(fēng)速儀等。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上需根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)類(lèi)型、橋梁跨度、傳感器數(shù)量、傳感器空間分布等特點(diǎn)，從適用性、經(jīng)濟(jì)性、易維護(hù)性等原則進(jìn)行采集設(shè)備選型，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的布設(shè)可分為集中式、分布式。集中式數(shù)據(jù)采集將橋梁監(jiān)測(cè)的所有傳感器匯集到一個(gè)監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)、控制。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于控制、實(shí)時(shí)同步性好、采集設(shè)備需求少；缺點(diǎn)是線纜需求量大，橋梁跨度大和空間分布廣時(shí)造價(jià)較高、維護(hù)性差。分布式數(shù)據(jù)采集是根據(jù)傳感器的空間分布設(shè)置多個(gè)采集設(shè)備，形成多中心數(shù)據(jù)采集。優(yōu)點(diǎn)是耦合性低、電纜耗材少、易維護(hù)、易于擴(kuò)展；缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)難控制，測(cè)點(diǎn)分布范圍小時(shí)造價(jià)高，時(shí)鐘同步性較差。

目前建設(shè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁基本上是長(zhǎng)大橋梁，具有橋梁跨度大、測(cè)點(diǎn)空間分布廣、采集方式復(fù)雜、傳感器數(shù)量多等特點(diǎn)，根據(jù)以上特點(diǎn)開(kāi)發(fā)一種結(jié)合集中式和分布式優(yōu)點(diǎn)的“一中心多站點(diǎn)”的采集模式。該采集模式根據(jù)橋梁特點(diǎn)和傳感器空間分布特點(diǎn)布設(shè)多個(gè)數(shù)據(jù)采集站，通過(guò)光纖將各采集站與監(jiān)測(cè)中心連接，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控中心將各站數(shù)據(jù)匯集、集中控制。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸軟件分析

2.1 數(shù)據(jù)采集軟件

橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)確定后，下一步就是數(shù)據(jù)采集軟件的開(kāi)發(fā)。軟件的開(kāi)發(fā)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，軟件系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性直接決定了系統(tǒng)可行性。本系統(tǒng)采用C#基于WinForm的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)采集軟件通過(guò)兩種方式與硬件系統(tǒng)通信和進(jìn)行傳感器的自動(dòng)化檢測(cè)和控制：（1）使用SerialPort控件通過(guò)串口通信協(xié)議與硬件系統(tǒng)通信；（2）使用Socket API通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與硬件系統(tǒng)通信。

考慮到不同類(lèi)型采集設(shè)備的接口協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和采樣頻率各異，采集軟件集成了不同類(lèi)型傳感器、采集設(shè)備的接口協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，可以靈活地根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容自定義選擇不同廠家、不同類(lèi)型的儀器設(shè)備進(jìn)行組態(tài)化開(kāi)發(fā)。采集軟件無(wú)須一橋一開(kāi)發(fā)，可以有效地降低項(xiàng)目成本，縮短建設(shè)周期。

2.2 采集數(shù)據(jù)預(yù)處理

雖然采集設(shè)備對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行了濾波處理，但是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中還有極少的異常值［3］，其主要是突變數(shù)據(jù)和失效數(shù)據(jù)。對(duì)于連續(xù)的異常數(shù)據(jù)，軟件基本無(wú)法判別，而本文針對(duì)離散的單點(diǎn)異常數(shù)據(jù)采用平均值剔除方法進(jìn)行處理，對(duì)當(dāng)前連續(xù)時(shí)間序列的100個(gè)測(cè)值進(jìn)行移動(dòng)平均值K計(jì)算。將當(dāng)前測(cè)值F與平均值K進(jìn)行對(duì)比，若測(cè)值F/Kgt;1.5則初判當(dāng)前測(cè)值為異常值。程序自動(dòng)對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采集，此時(shí)測(cè)值G再次與平均值K進(jìn)行對(duì)比，若G/Klt;1.5則判斷為異常值；剔除該測(cè)值F；若G/Kgt;1.5則判斷該測(cè)值為離群值，進(jìn)行異常預(yù)警。

上述異常值剔除方法可有效地剔除傳感器異常、采集設(shè)備異常和環(huán)境干擾等橋梁監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)［3］。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸軟件

數(shù)據(jù)傳輸軟件主要功能有自動(dòng)存儲(chǔ)、離線備份、自動(dòng)傳輸和遠(yuǎn)程召喚等。數(shù)據(jù)傳輸軟件與數(shù)據(jù)服務(wù)器通信基于MQTT通信協(xié)議進(jìn)行開(kāi)發(fā)，MQTT協(xié)議是面向物聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議，其利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集和傳輸數(shù)據(jù)。該軟件基于JSON數(shù)據(jù)格式與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，JSON是輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化強(qiáng)且易于程序讀寫(xiě)，可以在不同軟件平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換［4］。

數(shù)據(jù)傳輸軟件采用輕量化的傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)交換格式可有效地減輕網(wǎng)絡(luò)壓力，同時(shí)滿(mǎn)足大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

西牛大橋位于G78汕昆高速公路（陽(yáng)朔至鹿寨高速公路），建成于2019年。橋梁分左、右兩幅，全長(zhǎng)均為 690 m。主橋跨徑組合為（70+2×125+70）m。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。橋梁荷載設(shè)計(jì)等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。為了更好地研究該橋在運(yùn)營(yíng)期的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，2020年在該橋的主橋部分實(shí)施了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)在該橋布設(shè)了環(huán)境溫濕度儀、振弦式應(yīng)變計(jì)、壓力變送器、傾角計(jì)、振動(dòng)加速度計(jì)、位移計(jì)6類(lèi)共96個(gè)傳感器，進(jìn)行了環(huán)境、作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等內(nèi)容的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)對(duì)該橋采用靜態(tài)采集設(shè)備進(jìn)行溫濕度儀、振弦式應(yīng)變計(jì)、壓力變送器、傾角計(jì)4類(lèi)靜態(tài)信號(hào)的采集；采用動(dòng)態(tài)采集設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)加速度計(jì)、位移計(jì)2類(lèi)動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集；采用RJ-485和以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸軟件可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)至橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器，并能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程召喚功能。該軟件可以將原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)存儲(chǔ)，當(dāng)遇到網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后自動(dòng)進(jìn)行備份數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本文研究了橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)橋梁特點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)空間分布提出了集中式與分布式相結(jié)合的“一中心多站點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集模式。

（2）本文提出的平均值剔除方法可簡(jiǎn)單有效地對(duì)采集的單點(diǎn)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

（3）本文開(kāi)發(fā)的橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)在實(shí)際工程案例中經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)用，表明該系統(tǒng)可以滿(mǎn)足健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-11-29