基于專家系統(tǒng)的橋梁在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭曉妮 潘 嚴(yán)

(中冶(北京)交通科技發(fā)展有限公司，北京 100176)

0 引言

隨著交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，一些大跨度和超大跨度的橋梁相繼建成，人們對(duì)這些大型重要橋梁的安全性、耐久性與正常使用功能日漸關(guān)注和重視。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智能控制技術(shù)正成為國內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)[1]，對(duì)于不同類型的橋梁建立了各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測(cè)。橋梁在線健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是在橋梁體的關(guān)鍵部位安裝一些傳感器件，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)所采集的結(jié)構(gòu)參數(shù)在橋梁運(yùn)營過程中的變化，通過對(duì)這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析和處理，綜合評(píng)定橋梁的安全服役狀況。

1 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考查，需要緊密結(jié)合橋梁實(shí)際情況，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本次方案設(shè)計(jì)依據(jù)以下基本設(shè)計(jì)原則:

1)實(shí)用性原則。選用的設(shè)備符合ISO，IEC，DIN標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備生產(chǎn)廠家所在國的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[2]，或其他與之等效的標(biāo)準(zhǔn)。采用先進(jìn)可靠的技術(shù)和設(shè)備，在性能和價(jià)格的矛盾處理中，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和有效的效果。

2)開放性原則。系統(tǒng)采用開放的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議技術(shù)，如TCP/IP協(xié)議。設(shè)備組成合理，具有良好的互換性和通用性[3]，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展與其他系統(tǒng)的互聯(lián)，易于系統(tǒng)的設(shè)備管理和維護(hù)。

3)高可靠性原則。自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用總線的控制結(jié)構(gòu)方式，服務(wù)器采用原裝品牌機(jī)，對(duì)各種電磁干擾和防雷的考慮，都為系統(tǒng)的可靠性、可用性提供了良好的技術(shù)與工程保障。系統(tǒng)采用的設(shè)備選用易于安裝，簡(jiǎn)單易懂，便于推廣和應(yīng)用的產(chǎn)品。

4)先進(jìn)性原則。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起步要高，一次設(shè)計(jì)，分步實(shí)施，系統(tǒng)容量易于逐步擴(kuò)充。系統(tǒng)采用了先進(jìn)而成熟的技術(shù)。系統(tǒng)的組網(wǎng)采用成熟而先進(jìn)的以太網(wǎng)與廣域網(wǎng)、INTERNET網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式[4]，符合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

5)易用性原則。整個(gè)系統(tǒng)必須易于管理、安裝和使用，系統(tǒng)必須具有良好的可管理性，必須在充分滿足現(xiàn)在的自動(dòng)化控制應(yīng)用的基礎(chǔ)上，為以后的各種應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該具有很高的資源利用率。

6)可擴(kuò)展性原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)不但考慮到近期使用目標(biāo)，同時(shí)也要為系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展留有發(fā)展的空間和余地，應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)在規(guī)模與性能上具有良好的可擴(kuò)展性。

2 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

橋梁在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)意在為橋梁監(jiān)測(cè)提供最優(yōu)惠的解決方案，從測(cè)量傳感器到監(jiān)測(cè)中心軟件，力求整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性高，測(cè)試精度滿足要求，在施工和運(yùn)行階段可以長(zhǎng)時(shí)間不間斷地對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為保證可靠性原則，將溫濕度、應(yīng)變量、加速度、動(dòng)位移、傾角、風(fēng)速風(fēng)向等信號(hào)的采集和處理集成在一個(gè)系統(tǒng)[5]。數(shù)據(jù)采集儀放在橋頭基站中，位置布置保證導(dǎo)線距離最短，節(jié)約成本。預(yù)處理計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并且將實(shí)時(shí)分析的特征值傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

1)系統(tǒng)容量目標(biāo)。用戶量，同時(shí)在線50人以上。業(yè)務(wù)的復(fù)雜度，傳感器采集→數(shù)據(jù)存儲(chǔ)→數(shù)據(jù)過濾→上傳→系統(tǒng)展現(xiàn)、分析→系統(tǒng)預(yù)警。

2)系統(tǒng)性能目標(biāo)。系統(tǒng)達(dá)到以下性能指標(biāo):99.999%總體可靠性;基于服務(wù)器(數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器);基于可靠的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器;輔之各種安全手段:防火墻、數(shù)據(jù)庫備份等;50個(gè)并發(fā)連接。處理速度:傳感器采集速度:同時(shí)30個(gè)傳感器進(jìn)行采集，15 min;最高采集頻率:500 Hz。數(shù)據(jù)庫查詢速度:一般查詢5 s之內(nèi)，復(fù)雜查詢30 s之內(nèi);上傳數(shù)據(jù)速度:GPRS:每秒10 K;3G:每秒100 K;接口處理能力:文件導(dǎo)出和導(dǎo)入均在5 s左右。

3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心的作用是接收現(xiàn)場(chǎng)終端上傳的數(shù)據(jù)，可以將各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)保存起來供以后分析使用。同時(shí)監(jiān)控中心軟件還應(yīng)具有警情提醒的功能，當(dāng)終端設(shè)備出現(xiàn)警情時(shí)，要能提醒工作人員緊急處理。

設(shè)備作為TCP客戶端會(huì)主動(dòng)訪問位于監(jiān)控中心的TCP服務(wù)器，服務(wù)器有多種架設(shè)方案，比較經(jīng)濟(jì)和可靠的方案是采用固定IP上網(wǎng)的方式，終端設(shè)備訪問該固定IP即可連接上服務(wù)器。采集設(shè)備還提供了上位機(jī)驅(qū)動(dòng)庫函數(shù)和眾多開發(fā)平臺(tái)的示例程序，用戶可以基于這些資源輕松編寫出具有自己特色的監(jiān)控中心軟件。

4.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1)系統(tǒng)主界面為各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)顯示窗口;采集設(shè)置主要功能為設(shè)置采集的周期、頻率、各個(gè)設(shè)備的預(yù)警值;

2)定時(shí)采集主要功能為啟動(dòng)定時(shí)采集，并且可以選擇指定傳感器采集以及全部采集;

3)手工采集主要功能為手工指定傳感器采集數(shù)據(jù);

4)預(yù)警事件主要功能為顯示超過預(yù)警值的傳感器數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)可以追朔前后24 h的數(shù)據(jù);

5)歷史查詢主要功能為查詢系統(tǒng)歷史采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間、傳感器類型條件進(jìn)行檢索。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表主要功能為根據(jù)采集的歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算匯總并生成統(tǒng)計(jì)日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)，供決策管理人員進(jìn)行分析。

4.2 開發(fā)技術(shù)

采用嵌入式技術(shù)，基于微軟公司的WinCE進(jìn)行開發(fā)。微軟公司的WinCE系統(tǒng)作為移動(dòng)設(shè)備的操作系統(tǒng)，具有性能穩(wěn)定、操作友善、開發(fā)便捷等優(yōu)點(diǎn)，微軟公司為WinCE系統(tǒng)做長(zhǎng)期的技術(shù)支持和版本更新。同類產(chǎn)品例如Linux等操作平臺(tái)均不具有操作友善、開發(fā)便捷等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇WinCE。

4.3 數(shù)據(jù)庫

服務(wù)器采用數(shù)據(jù)庫MICROSOFT SQL SERVER 2008，此數(shù)據(jù)庫擁有良好的企業(yè)級(jí)應(yīng)用性能，能夠滿足一般企業(yè)級(jí)應(yīng)用。連接池管理機(jī)制，系統(tǒng)將依照ODBC規(guī)范，依托VS2005平臺(tái)，使用連接池管理機(jī)制。連接池的配置采用按應(yīng)用服務(wù)器配置的策略，即在每個(gè)應(yīng)用服務(wù)器上，根據(jù)其可能訪問的數(shù)據(jù)庫及其頻度，為每個(gè)數(shù)據(jù)庫配置一定數(shù)量的連接。連接池的管理機(jī)制完全依賴DataSet實(shí)現(xiàn)。

4.4 系統(tǒng)安全

系統(tǒng)安全性方面的框架設(shè)計(jì)由以下幾個(gè)方面組成:

1)設(shè)備應(yīng)用端安全。主要利用設(shè)備權(quán)限認(rèn)證的安全性保證。如頁面訪問權(quán)限控制，將采用密碼口令認(rèn)證，區(qū)分不同用戶的使用權(quán)限。

2)服務(wù)器端授權(quán)。是否允許操作、操作的數(shù)據(jù)范圍、體現(xiàn)管理體系上的逐授權(quán)。操作權(quán)限:定義參與者可以訪問系統(tǒng)功能的訪問控制列表(ACL);數(shù)據(jù)權(quán)限:定義具體操作對(duì)象(業(yè)務(wù)數(shù)據(jù))的范圍，即應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)保證應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全性。對(duì)于不同的角色和不同的數(shù)據(jù)對(duì)象，在系統(tǒng)管理子系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)安全授權(quán)機(jī)制。管理權(quán)限:定義管理范圍、授權(quán)范圍。

3)服務(wù)器接口安全性。通過接口身份認(rèn)證的方式實(shí)現(xiàn)。

4)安全審計(jì)。對(duì)登錄、訪問、數(shù)據(jù)、授權(quán)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等審計(jì)。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了高性能、高精度和帶隔離抗干擾的數(shù)據(jù)采集硬件模塊和保證高可靠性的開發(fā)模塊，不僅滿足了橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)抗環(huán)境惡劣性、實(shí)時(shí)性和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的要求，也大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。系統(tǒng)經(jīng)過了試運(yùn)行階段，取得了良好的效果。

[1]AASHTO.The Manual for Bridge Evaluation[J].American Association of State Highway and Transportation Officials，Washington，DC，2008(8):96-97.

[2]CJJ 99-2003，城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[3]王建華，孫勝江.橋梁工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2004.

[4]Kitahara M，Achenbach J D，Guo Q C.Neural Network for Crackdepth Determination from Ultrasonic Backscattering Data[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，1992(11):701-708.

[5]王毅娟.橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，6(2):34-36.