一種新型多點(diǎn)分布式遠(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：
(1)基于軟總線平臺(tái)的分布式遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，采用軟總線提供的開放式軟件架構(gòu)，通過總線核分離上層監(jiān)測(cè)軟件和底層現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議，支持新的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的無縫集成,支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?；谲浛偩€的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口(如Ethernet)，將高層橋梁監(jiān)測(cè)軟件和底層各種類型的橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，通信基于TCP/IP協(xié)議棧，從而實(shí)現(xiàn)多座橋梁設(shè)施的松耦合分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
(2)已建的、在建的各種類型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都可以通過軟總線平臺(tái)納入到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，組建大型監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)城市或區(qū)域橋梁設(shè)施的松耦合分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
(3)在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入軟通信平臺(tái)，突破了傳統(tǒng)的單一專用橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和目前基于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口的遠(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可節(jié)約監(jiān)控成本，提高監(jiān)控效率和性能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)城市或區(qū)域多座路橋設(shè)施的分布式一體化集中監(jiān)控。
4 建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)
　 采用LabMap軟總線[5]建立具有兩個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試模型，如圖3所示。

　 LabMap是一種工業(yè)控制軟總線，具有兩個(gè)層次的抽象接口：應(yīng)用軟件接口和硬件驅(qū)動(dòng)接口。LabMap軟總線支持網(wǎng)絡(luò)功能，它將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能抽象成一個(gè)高度優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)接口[6]。
　 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中兩個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)備，主要有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和各類振弦式傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DataTaker DT80g智能采集系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線采用Wago現(xiàn)場(chǎng)采集總線系統(tǒng)，傳感器主要采用北京基康的振弦式橋梁監(jiān)測(cè)傳感器。
　 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)備還包括聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和控制PC(運(yùn)行軟總線LabMap及HMI)，各硬件系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)方式如圖3所示。
(1)交換機(jī)、本地控制PC1、Wago現(xiàn)場(chǎng)總線采集系統(tǒng)和各種橋梁監(jiān)測(cè)傳感器聯(lián)網(wǎng)組成橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)1。該子系統(tǒng)采用10.10.10.0/24網(wǎng)段。本地控制PC和Wago現(xiàn)場(chǎng)總線采集系統(tǒng)之間基于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus/TCP通信，通信接口為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口。
(2)DT80g智能型數(shù)據(jù)采集器、本地控制PC2和各種橋梁監(jiān)測(cè)傳感器組成橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)2。該子系統(tǒng)采用20.20.20.0/24網(wǎng)段。DT80g通過RS485串行口連接控制PC，通信方式為串行通信。
(3)兩個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)端控制PC通過路由器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，各端口配置不同網(wǎng)段，組成分布式網(wǎng)絡(luò)，以模擬實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境。
　 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可對(duì)各個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)的應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、位移、傾斜等物理特性進(jìn)行本地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可從遠(yuǎn)程監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)的分布式監(jiān)測(cè)及基于Internet的數(shù)據(jù)共享和對(duì)比分析。
如在遠(yuǎn)端PC對(duì)子系統(tǒng)1的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用GK-4200型應(yīng)變計(jì)。其采集值和工程應(yīng)變量的轉(zhuǎn)換的理論和修正公式如式(1)和式(2)，修正考慮了弦初始狀態(tài)和溫度的影響。

其中，R₀為初始測(cè)量值，R₁為當(dāng)前測(cè)量值，G_f為理論系數(shù)3.304，C_F1為用于振弦儀器的鋼材溫度膨脹系數(shù)12.2 uε/℃。測(cè)試結(jié)果略。
橋梁在運(yùn)行期間由于會(huì)受到氣候、氧化、腐蝕或老化等因素,及長(zhǎng)期在恒載或活載的作用下遭受損壞，其強(qiáng)度和剛度會(huì)隨時(shí)間的增加而降低，這不僅影響了安全行車，更會(huì)使該橋的使用壽命縮短。因此對(duì)橋梁的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分析具有重要的意義。
為了減少城市或區(qū)域內(nèi)多座橋梁設(shè)施的監(jiān)控維護(hù)成本，提高監(jiān)控能力，對(duì)多座橋梁實(shí)施松耦合分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控是一個(gè)可行的途徑。但目前已建立的單一橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了不同的監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，直接通過某種硬件設(shè)備適配實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，難度高，代價(jià)大。在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入軟通信平臺(tái)，利用軟通信平臺(tái)提供現(xiàn)有各種橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的不同技術(shù)接口和統(tǒng)一的通信平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)各種不同橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)的分布式接入和集中監(jiān)控。通過實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試證明，基于軟總線LabMap的多點(diǎn)分布式遠(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種可行的實(shí)現(xiàn)方案。