基于无线网络的远程结构健康监测系统的设计

基于无线网络的远程结构健康监测系统的设计

景玉冰，刘晓平

北京邮电大学自动化学院检测技术与自动化装置系，北京（100876）

E-mail：jing_yubing@

摘要：本文主要论述了一个完整的基于GPRS的远程结构健康监测系统的设计方法，介绍了它的软件模块以及系统功能，并且给出了由应用软件达到udp无丢包的方案。本系统通过GPRS技术实现了现场数据的网络化远程传输、实时数据显示、分析、监控以及损伤识别等功能，并采用自然环境激励法（NExT法）计算出较为准确的结构模态频率及振型。

关键词：健康监测，GPRS，环境激励，Labview

1. 引言

近些年来，大型结构建筑的形式日趋多样化，结构建筑的安全性及耐久性也越来越引起人们的重视。因为最初的以人工定期检测为特征的健康保障体系有其固有的缺陷（例如，它需预先知道损伤的大概位置，检查设备昂贵等），所以目前结构健康监测系统逐渐成为了学术和工程界的研究热点。它是运用数字信号处理、模态分析与系统辨识等跨学科知识来识别结构动力特征改变的监测方法。

2. 远程结构健康检测系统构架

结构健康监测(Structural Health Monitoring，简称SHM)是指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。健康监测的过程是首先通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，然后从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。

本文设计的远程结构健康监测系统是在最小人工干预下进行在线实时连续监测、检查与损伤探测的自动化系统。它能够通过局域网或远程中心自动地报告结构状态，从而实现在线、动态、实时的监测与控制[1]。

2.1系统组成

健康监测系统包括数据采集单元，数据传输单元以及数据分析处理单元三部分。本系统的整体构架如图1所示，分为监测点、监测中心和客户机三大部分，以GRPS无线网络与Internet相结合作为数据传输通道，通过Internet采用B/S模式可以由联网的任一台客户机进行软件管理等操作。在本系统中，监测点包括数据采集单元和数据传输单元，而监测中心包括数据传输单元和数据分析处理单元。监测中心是整个软件系统的核心，它实现了数据的实时采集，波形显示，预警以及数据查询，安全评定，损伤识别等功能。

2.2系统的树状组网拓扑

图1 远程结构健康监测系统构架图

本系统具有很好的扩展性，通过Ethernet技术，它可扩展为树状多级监控管理系统。这种监控中心的模式分散了中心站系统的工作压力，也分散了故障风险，令整个系统工作更加稳定。并且本系统采用成熟的Internet技术，因此大大降低了投入的扩展成本。

2.2软件模块组成

远程结构健康监测系统的软件系统采用模块化的设计。软件模块主要分为通讯模块，数据库管理模块和WEB Server模块。在这三大模块中，又按照相应的实现功能划分成诸多子模块。整个软件系统的模块关系见图2。

图2 软件系统模块关系图

2.3软件平台及接口选择

本系统按照软件模块的功能特点，针对不同开发平台的优势，选择多平台的开发模式[2]。因为NI公司的Labview软件在虚拟仪器技术和网络通讯技术方面优势显著，所以本远程监测系统采用Labview作为核心开发平台，并在Labview下开发出采样设置及通讯模块、在线

显示模块、数据查询模块、数据报表模块等。本系统还选择在SQL2000平台上开发数据管理模块，在通用的科学计算软件Matlab 平台上开发需要大量数据计算的安全评估，损伤诊断处理模块。

各个模块在Labview 调度下，通过配置不同平台间的接口，能够被自动调用及运行。这充分利用了各大软件资源的优势，提高了系统的精确度和运行效率。软件平台关系如图3所示。

3. 基于GPRS 的接收、发送模块

GPRS （General Packet Radio Service ）是一种新的分组数据承载业务，它采用两种数据传输协议TCP 和UDP ，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输。

远程监测系统在监测中心与监测点的数据通讯方式上有两种组网方案，一种是采用Ethernet 的有线通讯模式，一种是采用GPRS 的无线通讯模式。若选用有线的组网方式，因其存在公网IP 和APN 专网IP 之间的NAT 映射问题，监测中心不能主动寻址监测点，也就不能直接控制监测点，而只能由监测点主动连接监控中心。所以为了达到监测中心的双向控制，本系统采用了无线GPRS 的组网方式。

结构健康监测系统具有：多点分散，数据量小，实时性要求高以及终端数多等特点，所以本系统选用了传输效率高，报文附加字节少的UDP 协议[3]。但UDP 为非连接通讯协议，并不保证数据包到达目的站点，因此本系统在应用层协议中加入确认和重传机制，

使整个通

图3 软件平台接口图

图4 数据接收流程图

讯过程非常可靠。此模块的数据接收流程见图4。

为了确保数据正确到达接收端，本系统的应用层通讯协议要求接收端对收到的每个报文都要进行确认，若等待时间超过延时时间后，系统将重新发送报文。若三次超时则报错，并认为终端不可达。因此能否恰当的选择延时时间将影响整个系统的实时性。本系统采用自适应延时时间值算法，它将根据报文的实际往返时间RTT 来计算发送每个报文的重传超时RTO 。系统内部设置了一个被平滑的RTT 估计器：

M R R )1(αα−+←

这里M 是新的RTT ，α是一个推荐的0.9平滑因子，也就是说每次接收到新包时，这个RTT 将被更新。并且根据RFC 793推荐，重传超时的时间将被设置为：

βR RTO = （β推荐值为2的时延离散因子）

因此当重传定时器超时的时候，对于下一次RTO 要用一个指数退回，例如，第一次RTO 设为2s ，若超时则第二次设为4s ，第三次设为16，依次类推。

4. 损伤识别模块

对大型结构的建筑物进行模态试验，无论是正弦、随机或者脉冲方式的人为激励都是不可能或不允许的。但是任何大型结构物都存在一定的振动环境，例如风、大地脉动、移动的车辆引起的振动等，这种通过结构在自然环境下的振动响应来进行的模态识别的方法就是自然环境激励法。本监测系统采用了以ITD 法为基础的自然环境激励技术NExT 法。

NExT 技术的基本思想是：两个响应点之间的互相关函数和脉冲响应函数有相似的表达式。从而在求得两个响应点之间的互相关函数后，可以运用时域中的模态参数识别方法。

结构的运动方程可以写成：

()()()())1(t f t x K t x C t x

M =++&&&

其中，M 、C 和K 分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵。)(t x 为结构的位响应向量，)

(t f 为外部激励。

设一个特定参考响应点i 的广义平稳随机响应为

()

s X i ，则有互相关函数：

()()()[]()()

)2(,τi i i x x x x i x x R t s R s X t X E s t P =−==

当)(t f 为白噪声的情况下，有如下方程成立[4,5] ：

()()())3(0=++τττi

i i x x x x x x R K R C R M &&&

可以看出互相关函数()τi

x x R 满足自由振动方程,从而可以应用模态分析的ITD 法计算

出结构的模态参数。图5给出了本系统采用的以ITD 算法为基础的NExT 法的实现流程。通过Matlab 编程，本系统实现了这种以ITD 法为基础的NExT 技术，方便地从加速度测量信号中提取结构的模态参数，从而进行损伤识别以及状态评估。

图5 基于NExT 技术与ITD 算法的模态识别