文獻標識碼： A
現有的橋梁監測系統采用的監測方法主要包括利用移動GSM網絡建立連接的橋梁監測方式和利用光纜建立連接的橋梁監測方式[1]。這兩種方式都是采用專用的傳輸通道，實施點對點的采集和控制。因此，按照這兩種監測方式建立的橋梁監測系統都是單一的專用系統，即某監測系統只對某一特定橋梁進行監測，無法組建大型的監控網絡。近年來，工程理論上又提出了一些新的橋梁監測方法，如基于無線傳感網絡的橋梁監測系統[2-3]，基于多點輪詢的零散狀態橋梁監測系統[4]等，這些方法適用于采用同種技術構建零散狀態下的大型監測系統，但對于不同的橋梁監測技術或與現有橋梁監測系統的兼容性仍有很大問題，可操作性較弱。另外，現有的橋梁監測系統基本上都采用了不同的組網設備、監控技術和網絡結構，這不僅需要大量的人力、物力，維護管理上也有很大的困難，對監測情況的統計分析和經驗交流也非常不利。實現整個城市或區域多個橋梁的分布式遠程監控有利于降低成本，提高監控效率和能力，因此對其進行研究是十分必要的。但基于現有各種橋梁監測系統的不同技術接口，直接互聯或采用某種硬件設備實現互聯，難度高，代價大，從軟層面實現各種不同橋梁監測現場系統的松耦合分布式遠程監控是一種可行的解決方法。
1 現有的橋梁監測技術
現有的橋梁監測系統采用的監測方法除最傳統的人工進行數據的測量、記錄和處理外，主要包括以下兩種方式：利用移動GSM網絡建立連接的橋梁監測方式和利用光纜建立連接的橋梁監測方式。采用GSM連接的橋梁監測方式是利用GSM的話音信道建立點對點的數據傳輸通道，通過監測中心計算機分別控制橋上各采集儀采集數據。此種方法，數據中心同一套設備在同一時間只能采集一座橋梁或一個采集儀連接的傳感器數據。而且對總線上的設備控制也是點對點的控制方式，故數據采集的速度慢，操作繁瑣。數據傳輸的方法基于移動網絡的專用信道，費用高，使用不方便。利用光纜建立連接的橋梁監測方式，實際上是采用專用光纜或租用電信公用光纜代替了第1種方式中的移動GSM網絡，使中間的傳輸網絡更可靠、傳輸速率更高。但其仍是點對點的采集和控制方式，另外采用光網絡設備成本高，維護難度大，監測中心相對固定，組建大型監控網絡比較困難。
由此可知，按照上述兩種監測方式建立的橋梁監測系統都是單一的專用系統，即某監測系統只對某一特定橋梁進行監測，無法組建大型的監控網絡。
近年來，在工程理論上又提出了一種新的橋梁監測方法，這種方法的核心思想是：每個監測點的智能控制單元通過數據傳輸單元和通信基站接入GPRS或者CDMA網絡，連接到因特網，再通過路由器連接監測中心計算機[4]。通過這種網絡連接方式，監測中心計算機可異步地同時與多個監測點建立數據傳輸連接，實現多點監測和控制。同時監測中心計算機的數據處理單元采用多線程的方式，實現多任務數據采集和數據處理。在橋梁零散分布情況下，采用這種新的監測方法，若多座橋梁采用相同的組網設備和技術可組建新的大型監控網，實現多座橋梁的監測，否則只能在理論上是可行的，原因是：采用這種新的監測方法組建零散分布下多座橋梁的大型監測系統，若采用的多種采集儀的上行物理接口或通信協議不同，則要求采用多種智能控制單元與不同的采集儀進行物理接口適配和通信協議適配；同樣，智能控制單元的上行物理接口和通信協議不同，則要求數據傳輸單元下行具備不同的物理接口和通信協議，而數據傳輸單元的上行都是統一的接入GPRS或CDMA網絡的接口和通信協議。實際應用中，需要各種數據傳輸單元是非常困難的，因此這種情況下這種方式是無法實施的。
2 軟層面的設計思路
從軟層面實現多個不同橋梁監測現場子系統之間的數據轉換、傳輸和通信，典型的方法是在公用通信網絡上架設軟通信平臺，由軟通信平臺提供各種子系統的適配接口、協議轉換和遠程數據傳輸功能。這種軟通信平臺又稱軟總線平臺，圖1顯示了橋梁監測中軟總線平臺的一種可行系統架構。
軟總線平臺包括硬件接口單元、軟總線內核和應用接口單元。硬件接口單元包括各種硬件接口驅動程序，將從外部硬件接收的數據發送到所述軟總線內核單元，并將從所述軟總線內核單元接收的操作命令發送到外部硬件。軟總線內核包括多線程任務調度、消息隊列處理等功能單元，將從硬件接口單元接收的數據發送到應用接口單元，并將從上層接口單元接收的操作命令發送到硬件接口單元。應用接口單元提供了外部橋梁監測人機操作界面對所述軟總線單元的訪問接口，將從軟總線內核接收的數據發送到外部橋梁監測人機操作界面，并將從外部橋梁監測人機操作界面接收的操作命令發送到軟總線內核。
為了實現分布式遠程控制，軟總線平臺應具有標準的TCP/IP協議網絡功能模塊,該模塊提供標準的網絡應用API接口和網絡接口硬件驅動，用于本地控制計算機和遠程控制計算機之間的通信。為了實現多個不同技術的橋梁監測現場系統的接入，軟總線平臺具有支持各種橋梁監測現場系統接入的硬件驅動和適配接口；另外，為了使新的橋梁監測技術能簡便地集成到本系統，軟總線平臺具有支持各種外部硬件系統無縫集成和外部橋梁監測軟件二次開發的標準API接口。進一步地，可在軟總線平臺設計分布式數據存儲接口，實現大型橋梁監測系統監測數據的本地存儲和分布式處理。
3 多點分布式遠程橋梁監測系統
基于軟總線平臺的多點分布式遠程橋梁監測系統，包括多個橋梁監測現場系統、軟總線平臺和具有數據處理單元的監測中心計算機，如圖2所示。橋梁監測現場系統包括安裝在橋梁上的傳感器、采集儀、智能控制單元以及與智能控制單元相連的本地控制計算機。軟總線平臺包括安裝和運行在本地控制計算機和監測中心計算機上的軟總線單元。采集儀采集傳感器的數據，智能控制單元接收采集儀采集的數據并轉發到本地控制計算機，本地控制計算機安裝并運行軟總線單元，將接收到的數據通過軟總線單元轉發到監測中心計算機，數據處理單元根據接收到的數據執行具體的數據處理操作。監測中心計算機是通過軟總線平臺與智能控制單元通信的，軟總線平臺上本地控制計算機和監測中心計算機的各個軟總線單元是通過互聯網絡（Internet、移動網絡等）相通信的，所以監測中心計算機不必固定，多個橋梁監測現場系統也可以分布在互聯網絡遍及的地方，只要橋梁監測現場系統的本地控制計算機與監測中心計算機能夠相互通信，即可在本地控制計算機和監測中心計算機上布設軟總線平臺，整個監測系統就能在軟總線平臺上實現通信。
系統的主要特點如下：
(1)基于軟總線平臺的分布式遠程網絡控制技術，采用軟總線提供的開放式軟件架構，通過總線核分離上層監測軟件和底層現場監測系統通信協議，支持新的硬件系統和軟件系統的無縫集成,支持多種現場總線技術。基于軟總線的標準網絡接口(如Ethernet)，將高層橋梁監測軟件和底層各種類型的橋梁監測現場系統通過網絡互聯起來，通信基于TCP/IP協議棧，從而實現多座橋梁設施的松耦合分布式遠程監測。
(2)已建的、在建的各種類型橋梁監測系統都可以通過軟總線平臺納入到整個監測系統，組建大型監測網絡，實現一個城市或區域橋梁設施的松耦合分布式遠程監測。
(3)在橋梁監測系統中引入軟通信平臺，突破了傳統的單一專用橋梁監測系統和目前基于標準網絡接口的遠程橋梁監測系統，可節約監控成本，提高監控效率和性能，實現一個城市或區域多座路橋設施的分布式一體化集中監控。
4 建立實驗測試系統
采用LabMap軟總線[5]建立具有兩個橋梁監測子系統的實驗測試模型，如圖3所示。
LabMap是一種工業控制軟總線，具有兩個層次的抽象接口：應用軟件接口和硬件驅動接口。LabMap軟總線支持網絡功能，它將整個網絡功能抽象成一個高度優化的網絡接口[6]。
實驗測試系統中兩個橋梁監測現場系統的設備，主要有數據采集系統、現場總線系統和各類振弦式傳感器，數據采集系統采用DataTaker DT80g智能采集系統，現場總線采用Wago現場采集總線系統，傳感器主要采用北京基康的振弦式橋梁監測傳感器。
實驗系統的硬件設備還包括聯網設備和控制PC(運行軟總線LabMap及HMI)，各硬件系統設備互聯方式如圖3所示。
(1)交換機、本地控制PC1、Wago現場總線采集系統和各種橋梁監測傳感器聯網組成橋梁監測現場子系統1。該子系統采用10.10.10.0/24網段。本地控制PC和Wago現場總線采集系統之間基于標準的Modbus/TCP通信，通信接口為標準的以太網口。
(2)DT80g智能型數據采集器、本地控制PC2和各種橋梁監測傳感器組成橋梁監測現場子系統2。該子系統采用20.20.20.0/24網段。DT80g通過RS485串行口連接控制PC，通信方式為串行通信。
(3)兩個橋梁監測子系統和遠端控制PC通過路由器實現互聯，各端口配置不同網段，組成分布式網絡，以模擬實際的網絡應用環境。
本實驗系統不僅可對各個橋梁監測現場子系統的應變、應力、溫度、位移、傾斜等物理特性進行本地實時監測，也可從遠程監控終端實現對兩個橋梁監測現場子系統的分布式監測及基于Internet的數據共享和對比分析。
如在遠端PC對子系統1的應變進行監測，采用GK-4200型應變計。其采集值和工程應變量的轉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和溫度的影響。
其中，R0為初始測量值，R1為當前測量值，Gf為理論系數3.304，CF1為用于振弦儀器的鋼材溫度膨脹系數12.2 uε/℃。測試結果略。
橋梁在運行期間由于會受到氣候、氧化、腐蝕或老化等因素,及長期在恒載或活載的作用下遭受損壞，其強度和剛度會隨時間的增加而降低，這不僅影響了安全行車，更會使該橋的使用壽命縮短。因此對橋梁的健康狀況進行實時監測和長期統計分析具有重要的意義。
為了減少城市或區域內多座橋梁設施的監控維護成本，提高監控能力，對多座橋梁實施松耦合分布式遠程監控是一個可行的途徑。但目前已建立的單一橋梁健康監測系統采用了不同的監控技術和網絡結構，直接通過某種硬件設備適配實現互聯，難度高，代價大。在橋梁監測系統中引入軟通信平臺，利用軟通信平臺提供現有各種橋梁監測現場系統的不同技術接口和統一的通信平臺，可實現各種不同橋梁監測現場子系統的分布式接入和集中監控。通過實驗網絡測試證明，基于軟總線LabMap的多點分布式遠程橋梁監測系統是一種可行的實現方案。
參考文獻
[1] 劉軍,姜德生.基于光纖光柵傳感的橋梁監測采集系統[J].微計算機信息, 2009(16)：156-158.
[2] GANGONE M V. WHELAN M J, JANOYAN K D, et al. Performance monitoring of a bridge superstructure using a dense wireless sensor network. Proceedings of Structural Health Monitoring 2007.
[3] CHUNG H C, ENOTOMO T, LOH K, et al. Real-time visualization of bridge structural response through wireless MEMS sensors. Proceedings of SPIE-Testing, Reliability, and Application of Micro-and Nano-Material Systems II, Vol. (2004).
[4] 重慶交通大學.一種橋梁監測系統:中國，200710106918.4[P]. 2007-09-19.
[5] LabMap軟總線用戶手冊[DB/OL].http://www.cbb-software. com/docs/labmab_userguide.pdf.
[6] BOYE C B, BECK R Z, KAZAKOV D. An approach to distributed remote control based on middleware technology, MATLAB/Simulink-LabMap/LabNet framework. IEEE, 2005.10. Proceedings of IETA 2005, TeNe 2005, EJAE 2005.