润扬大桥结构安全监测系统通信网络研究

润扬大桥结构安全监测系统通信网络研究
作者：方永定
摘要：桥梁结构安全监测与评估系统是对桥梁服役期间的运营环境和结构健康状况进行监测的一个完整的长期在线监测系统，作为该系统的关键组成部分通信网络的研究与设计是非常重要的。

根据不同的结构监测需求构成的通信网络种类、方案、工作原理及其网络协议，对润扬大桥结构安全监测系统中的通信网络系统的功能和设计方案进行了较为详细的介绍。

大跨度桥梁结构安全监测系统是对桥梁服役期间的运营环境和结构健康状况进行监测的一种完整的在线监测系统，其主要功能是通过对桥梁结构状态的实时监测与数据分析，及时捕捉桥梁在实际交通负荷与自然蜕化条件下的异常特征信息并发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。

1 监测系统网络设计原则
结构安全监测系统将分布在桥梁上各个点的传感器信号按不同的要求频率进行采集，送往设置在桥梁上就近地点的外站。

各个外站内的工控机和监控中心计算机联成一个计算机网络，通过计算机网络，外站将各点传感器采集值送往监控中心的计算机服务器，监控中心的计算机软件将这些采集值进行处理，根据结构安全监测系统的不同要求进行显示与存储。

在上述系统运作中，通信网络系统是结构安全监测系统的一个重要组成部分，其组网的研究、规划、设计及其工程施工质量是建成后的结构安全监测系统运行是否可靠和优良的关键。

具有重要的意义。

现行结构安全监测系统的组网技术主要有两种：TCP／IP技术和LONWORKS技术。

TCP／IP技术是受用户认可的、完全公开的网络通信技术。

经过不断改进、提升，应用越来越广、市场占有率越来越大、成本也越来越低，速度也越来越快。

目前已从办公自动化逐渐向现场监控通信网络方面发展。

LONWORKS是美国ECHELON公司开发的现场监控通信网络。

LONWORKS网络技术适用于现场环境恶劣的条件，是目前具有较高国际技术水平的监控通信网络技术，并已有很多厂家相应推出LONWORKS 和TCP3P的接口产品，使得LONWORKS现场监控通信网络和TCP/IP计算机局域网能无缝链接。

因此
底层利用LONWORKS现场监控通信网络技术。

主干网采用100Mbps以上高速光纤网，是较为理想的组网方式。

但是，由于要适应恶劣的环境，其精度与速度有所下降，对于精度、速度及数据量有特别要求的系统，此种技术不适合。

2、桥梁结构安全监测系统目前尚处于起步阶段，无论是传感器，还是计算机通信网络系统，还未形成一个很好的规范。

现有系统中使用的设备和通信网络千差万别，可靠性不稳定，维护困难，有可能造成投资巨大的系统失去功能，甚至瘫痪。

为了弥补以上不足．需要重点研究通信网络系统的优化设计，使其满足如下原则。

(1)系统设备硬件，包括从传感器到计算机网络的所有设备都应是能从市场上购买到的优质器件，尽量考虑设备的通用性和延续性，便于维修及更换。

(2)网络结构必须安全可靠、简便通用，便于使用者维护管理。

(3)桥梁系统是一个长期使用的系统，网络通信系统的寿命越长越好，器件应选购易更新升级的系列产品。

(4)在保证质量和需求的基础上，降低设备的格成本，降低工程设计、施工成本，同时也要考虑降低维护成本。

3润扬大桥监测系统网络拓扑方案
润扬大桥结构安全监测系统的通信网络有如下特点：
(1)传感器数量多，采集频率高，信息量非常大。

(2)传感器信号需要滤波、调制、放大及模数转换等一系列调理过程，过程复杂且精度要求高。

(3)经各种信号调理器或读数仪调制后的输出信号的通信协议不同：有的输出是电压信号或电流信号直接进入计算机进行模拟数字转换；有的输出是RS232通信协议和计算机相连；有的输出则直接是TCP/IP 通信协议和计算机网口相连。

(4)计算机网络庞大、距离远，对传输距离、运行速度及运行的可靠性有严格的要求。

(5)润扬大桥结构安全监测系统是实时监测系统，对数据及软件的实时性要求非常高。

(6)润扬大桥分北汊斜拉桥与南汊悬索桥。

两桥同时监测，数据汇集到监控中心再做不同分析。

根据系统的要求及特点，对润扬大桥结构安全监测系统的通信网络做了详细设计。

图1为润扬大桥结构安全监测系统网络拓扑方案设计图。

系统使用了TCP/IP协议，采用了先进的光纤环网作为系统计算机网络，以提高系统的传输距离、运行速度及运行的可靠性。

4润扬大桥监测系统通信网络设计
4．1通信网络的基本工作原理
润扬大桥结构安全监测系统的通信网络基本工作原理如下：
(1)布置在桥梁各测点的各种传感器采集桥梁结构的整体位移(使用GPS系统)、应力(动态采集使用电阻应变片及光纤应变传感器。

静态采集使用振弦式应变计)、振动(使用加速度传感器)和环境参数(使用风速风向仪和温度计)等信号，并产生相应大小的电信号或光信号，并通过敷设的导线传输至就近的外站。

(2)各种信号调理器或读数仪将相应的传感器信号进行滤波、放大，调制成规范的信号(模拟或数字)送人外站工控机(如是模拟信号需要进行A／D转换)。

外站工控机数据采集软件实时采集这些传感器的监测数据，并保存在本地工作站。

(3)通过系统设置的计算机网络和光纤双环网(采用光纤分布式数据接口FDDI，
Fiber Distributed Data Interface技术)将各外站的监测数据送入监控中心的计算机服务器、在中心结构安全监测系统计算机中进行分类预处理，并存人服务器数据库中。

如有报警信息，将及时进行报警。

(4)结构安全监测系统的监测与评估软件将存储在计算机服务器数据库中的数据，进行综合处理，使用直观的图形与动画显示，统计、分析与评估桥梁的结构参数，保证大桥的安全营运。

(5)由于GPS及光纤应变传感系统的通信协议不同于TCP／IP协议，所以该两个系统的通信网络独立建立，信号进入计算机后，使用TCP／IP协议，再将采集数据存入计算机服务器。

考虑到技术的发展，润扬大桥结构安全监测系统的建立充分考虑了系统的兼容性、可扩展性及可维护性，以保证系统的进一步开发和监测规模的扩大。

4．2光纤双环计算机通信网络
传统的计算机网络一般采用星型网络系统。

在结构安全监测系统中，前端传感器采集的数据首先通过光纤收发器把普通的数字电信号转换成能在光纤上传输的数字光信号；然后在监控中心再通过光纤收发器把数字光信号转换成数字电信号连接到交换机上，通过该交换机再连接到计算机工作站，采用的协议是TCP ／IP；最后把每台计算机工作站连接到中心交换机上。

这样的网络传输思路清晰，条理性好，但从数据的传输速度，网络系统的安全性、持久性、可扩充性及软件开发等方面考虑，使用FDDI光纤双环网是更好的选择。

双环型网络是目前一种较先进的网络结构，其采用光纤分布式数据接口(FDDI，Fiber
Distributed Data Interfacel技术、利用光纤进行传输。

双环网络由两个光纤链路环构成，具有断环重构自愈能力，正常运行时数据传输是在一个环上传输，当网络发生意外情况不能传输数据时，系统将立即启用另一个备用环，担负起网络传输的任务。

此外，数据向一个方向传输时，某环断开时(光纤或设备出故障)，数据可以从另一个方向传输，系统仍能正常进行工作。

这样就会大大减少因网络或设备的问题而丢失数据的可能。

FDDI环行网络具有联网范围大、技术成熟、可靠性高等优点，润扬大桥结构安全监测系统的计算机网络系统就是采用了此双环网络结构，系统至今运行稳定、可靠。

润扬大桥结构安全监测系统FDDI光纤环网由10台光交换机组成。

其中9台对应9个外站，1台对应监控中心的各计算机设备。

各外站涵盖了全部传感器的数据采集，并通过光交换机实时送往监控中心处理。

4．3 GPS通信网络
由于GPS输出信号的通信协议采用了RS232／485方式，就不能使用TCP／IP通信协议方式，润扬大桥结构安全监测系统采用了先进的自愈环数字光端机光纤双环网络系统。

光纤通信的主要优点是容量大、速度快、距离远、保密性高、不受电磁干扰、抗腐蚀能力强、绝缘性好、材质轻等，加之光通信设备性能的不断提升及生产成本的不断降低，使得光纤通信技术得到了大规模应用。

自愈环数字光端机光纤网络系统的工作原理见图2。

图2仅表示了一个方向的传输，反方向的传输结构是相同的。

其中，电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，例如模／数变换、多路复用等处理，它是常规的通信设备。

光端机的发送端通过光源(如激光器)把电信号变成光信号，输入到光纤传输至远方。

光端机的接收端内有光检测器(如光电二极管)把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，输入到电端机的接收端。

对于长距离的光纤通信系统，需要有中继器，其作用是把经过长距离光纤的衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形，再生成一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。

4．4光纤应变传感系统通信网络
润扬大桥结构安全监测系统的应变监测分为动态监测和静态监测，静态监测使用了振弦式传感器，动态监测使用了电阻应变片及光纤传感器。

光纤应变传感系统通信网络由于其特殊性单独建立了系统。

由于网络采用传感器串联方式，组网相对比较简单、这里就不进行详细介绍。

5结语
润扬大桥结构安全监测与评估系统通信网络在润扬大桥运营近2年的工作中运行可靠、系统正常，成功地获取了大桥结构的大量宝贵信息。

对这些信息的分析结果表明，本文研究和介绍的润扬大桥结构健康监测系统中的通信网络对信息的捕捉、信号的调制、数据的传输及软件的处理是准确、及时的，保证了系统能够长期的、不间断的、无故障的连续运行，其监测信息可为该桥的结构状态评估提供宝贵的资料。

近年来，大跨桥梁建立结构安全监测与评估系统已是普遍的共识，通信网络系统是系统的关键部分，提高网络系统的准确性、可靠性、提高网络系统的传输速度及数据传输容量是我们的重要研究课题。

随着现代科技的迅猛发展，从传感器、调制设备到计算机网络都有了很多新的发展。

由于移动通信的技术发展，市场已经有把传感器与调制设备集成在一起通过GPRs传送的无线通信设备，这样的设备显然简便、工程成本低、便于维护且能在恶劣的条件下工作。

但目前这方面的技术还不够成熟，其数据的准确性、可靠性及传输速度、传输容量还达不到我们系统的要求，目前还不能采用。

随着技术不断的发展与更新，相信一定会有满足我们需求的新产品面世。