崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统初步设计方案(NXPowerLite).doc

上海崇明越江通道长江隧桥工程上海崇明越江通道长江隧桥工程 结构健康监测系统结构健康监测系统 初步设计方案初步设计方案 上海巨一科技发展有限公司上海巨一科技发展有限公司 上海市政工程设计研究总院上海市政工程设计研究总院 同济大学同济大学 二二七年九月七年九月 目目 录录 1工程概述工程概述.1 2系统总体设计系统总体设计.1 2.1系统总体设计原则.1 2.2系统功能总框架.2 2.3系统硬件总框架.3 2.4系统软件总框架.4 3监测区段及监测内容监测区段及监测内容.5 3.1设计原则.5 3.2上海长江大桥.5 3.2.1实时监测5 3.2.2定期监测6 3.3上海长江隧道.8 3.3.1实时监测8 3.3.2定期监测9 4监测点及监测方法监测点及监测方法.10 4.1上海长江大桥.10 4.1.1实时监测10 4.1.2定期监测23 4.2上海长江隧道.29 4.2.1测点位置及数量汇总29 4.2.2实时监测方法及数据要求30 4.2.3定期监测方法及要求31 5传感器子系统传感器子系统.36 5.1设备选型原则.36 5.2上海长江大桥.36 5.2.1风速风向36 5.2.2GPS.37 5.2.3静力水准仪46 5.2.4索力50 5.2.5加速度53 5.2.6光纤传感器55 5.2.7疲劳计65 5.2.8大桥部分传感器配置一览表68 5.3上海长江隧道.68 5.3.1土压力监测68 5.3.2结构差异变形监测71 5.3.3重要部位结构受力监测73 5.3.4钢筋锈蚀程度78 5.3.5隧道部分传感器配置一览表80 5.4设备清单.80 5.4.1大桥部分清单80 5.4.2隧道部分清单82 6数据采集子系统数据采集子系统.82 6.1数据采集模式.82 6.1.1采集模式一83 6.1.2采集模式二84 6.1.3采集模式三84 6.1.4监测内容采集模式汇总表86 6.2上海长江大桥.87 6.2.1数据采集子系统的功能87 6.2.2采集模式一88 6.2.3采集模式二100 6.2.4采集模式三102 6.3上海长江隧道.105 6.3.1采集模式105 6.3.2采集设备选型105 6.3.3各区段设备箱要求说明109 6.3.4采集设备汇总110 6.4设备清单.110 6.4.1大桥部分清单110 6.4.2隧道部分清单112 7数据传输子系统数据传输子系统.113 7.1上海长江大桥.113 7.1.1传输网络总体设计113 7.1.2设备选型116 7.1.3设备性能指标、接入设备要求118 7.2上海长江隧道.120 7.2.1数据传输总体设计120 7.2.2设备接入需求120 7.3设备清单.121 7.3.1大桥部分清单121 7.3.2隧道部分清单121 8数据处理和控制子系统数据处理和控制子系统.121 8.1设计原则.121 8.2数据处理流程与方法.122 8.3数据管理设计.122 8.3.1数据存储的基本结构122 8.3.2数据存储的基本原则123 8.3.3数据管理的实现方法124 8.3.4数据库管理软件系统的技术要求126 8.4数据处理与控制系统的访问控制.127 8.5服务器系统的设计.127 8.5.1服务器系统总体说明及设计原则127 8.5.2服务器系统构成及逻辑拓扑128 8.5.3服务器技术参数要求及设备选型130 8.6服务器系统设备清单.135 9辅助支持系统辅助支持系统.136 9.1防雷.136 9.1.1防雷系统概述136 9.1.2总体设计考虑137 9.1.3设计方案137 9.1.4选型设备技术参数138 9.1.5防雷设备清单139 9.2外场机柜.140 9.2.1外场工作站机柜条件140 9.2.2工作站机柜的设计140 9.2.3外场工作站机柜设备清单144 9.3中心机房.144 9.4不间断电源 UPS 系统.146 9.4.1总体方案146 9.4.2不间断电源负荷计算148 9.4.3不间断电源容量计算148 9.4.4设备选型技术参数149 9.4.5设备型号及列表150 9.5电源远程管理及温湿度监测.151 9.5.1系统设计151 9.5.2设备选型及清单151 9.6综合布线.152 9.6.1概述152 9.6.2布线系统的组成152 9.6.3系统设计的依据和标准153 9.6.4上海长江大桥综合布线总体设计154 9.6.5上海长江隧道综合布线总体设计157 9.7设备清单.160 9.7.1大桥部分清单160 9.7.2隧道部分清单162 10软件软件.162 10.1业务功能需求描述.163 10.1.1业务功能总体框架描述163 10.1.2业务功能总体数据流程描述164 10.1.3数据采集工作站部分数据流程描述166 10.1.4数据处理服务器部分数据流程描述174 10.1.5数据库服务器部分数据流程描述185 10.1.6系统维护计算机（SMC）部分数据流程描述186 10.2软件系统划分与设计.187 10.2.1软件系统总体划分与技术路线187 10.2.2数据采集管理系统（DAMS）设计190 10.2.3数据处理与分析系统设计196 10.2.4移动维护计算机系统设计218 10.3安全性、可靠性和的质量保证技术.219 10.3.1安全性219 10.3.2可靠性222 10.3.3质量保证技术223 10.4软件清单.228 11图纸图纸.228 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 1 页 共 231 页） 1 工程概述工程概述 上海崇明越江通道长江隧桥工程是连接上海浦东、长兴岛和崇明岛的特大型市政工 程，该工程采用“南隧北桥”方案，以隧道形式连通浦东和长兴岛，以桥梁形式连通长兴岛 和崇明岛。上海长江隧道全长 8.955km，其中江中盾构段长约 7.472km，衬砌外径达 15m，为当前世界之最，上海长江大桥全长 9.5km，主要组成部分包括一座主跨 730m 的 主航道斜拉桥，一座 140m 跨径的预应力混凝土连续梁辅航道桥，各种跨径的混凝土连 续梁桥及 100m 跨等高度钢混凝土结合梁桥。上海长江隧桥工程设计使用寿命为 100 年，并预留轨道交通线。 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统（以下简称“上海长江隧桥结构健 康监测系统”）通过测量反映隧桥环境激励和结构响应状态的信息，实时、定期监测隧桥 结构的工作性能，定时、定量地评价隧桥结构的健康状态，以保证上海长江隧桥的安全 运营，为长江隧桥的养护、维修提供科学依据。 2系统总体设计系统总体设计 2.1 系统总体设计原则系统总体设计原则 上海崇明越江通道长江隧桥结构健康监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、 通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。为使长江隧桥结 构健康监控系统成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足隧桥养 护管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康监控系统，遵循如下设计原则： 1）遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想； 2）系统设置首先需满足长江隧桥养护管理和运营的需要，立足实用性原则第一，兼 顾考虑科学试验和设计验证等方面因素。 3）根据结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设。 4）易损性分析原则考虑以下方面： 不同类型的结构受力特点、构件的工作特征； 设计时不同类型结构的控制断面、控制点； 结构不同类型材料的材料特性、使用特性； 结构受外部环境及荷载影响后最易损伤部位； 基于既有同类型结构已发生的损伤部位； 目前阶段尚未有足够资料验证的关键部位。 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 2 页 共 231 页） 5）监测与结构安全性密切相关内容，主要监测一些有代表性的结构、必须进行监测 的重要结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应。 6）从动力、静力、耐久性对结构进行监测，力求用最少的传感器和最小的数据量完 成工作； 7）以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅助。 8）系统应具有可扩展性。 2.2 系统功能总框架系统功能总框架 风风 温温度度 应应变变 加加速速度度 挠挠度度 差差异异沉沉降降 索索力力 G GP PS S 倾倾斜斜仪仪 疲疲劳劳计计 伸伸缩缩仪仪 传传感感器器系系统统 （Sensory System） 底底层层传传输输网网络络 工工作作站站系系统统 （Data Acquisition System） 信信号号调调理理 信信号号放放大大 信信号号过过滤滤 模模拟拟/ /数数字字转转换换 数数据据采采集集 数数据据采采样样 数数据据存存储储（编编档档） 数数据据预预处处理理 采采样样控控制制 数数据据通通讯讯 数数据据传传输输 控控制制信信号号接接收收 上上层层传传输输网网络络 数数据据处处理理和和控控制制系系统统 （Data Processing 2-观测张开和滑移的位移计; 3-观测沉降的位移计 4-输出电缆; 5-趾板上的固定支座; 6-支架;7-不锈钢活动铰链 8-三角支架; 9-面板上的固定支座; 10-调整螺杆; 11-固定螺孔 12-位移计支座; 13-趾板; 14-面板; 15-周边缝 图 5.3-5 组装的三向位移计安装示意图 5.3.3重要部位结构受力监测重要部位结构受力监测 应力监测主要是对结构分析所确定的结构关键截面的受力情况进行应力监测，适时 发出安全预警以采取处置措施和保证结构安全。 拟采用振弦式钢筋应力计。 5.3.3.1.监测方法及传感器监测方法及传感器 当钢筋计受轴力时，引起弹性钢弦的张拉拢变化，改变钢弦的振动频率，通过频率 仪测得钢弦的频率变化即可测出钢筋所受作用力的大小，换算而得混凝土结构所受的力。 振弦式钢筋应力计是通过振频变化转换数据，从构造看同属钢质，热膨胀系数与钢筋基 本一致，因此对温度变化不敏感，对导线要求也不高。其优点在于所采用的传感器的输 出是频率而不是电压。频率可以通过电缆（1000m）传输，因此不会因导线电阻的变化、 浸水、温度波动、接触电阻或绝缘改变等而引起信号的明显衰减。振弦式应变计具有良 好的长期稳定，特别适于在恶劣环境中的长期监测。 拟采用南京南瑞集团的 NVR 系列振弦式钢筋计，其用于钢筋混凝土的钢筋应力、锚 杆应力等。可兼测测点的温度。其主要技术指标如下： 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 75 页 共 231 页） 配筋直径：12、16、18、20、22、25、28、32、36、40 mm 量程：拉 300，压 100 MPa（允许超限 150%） 分辨率：25m）四种结构形式；之前开展的上 海长江隧道衬砌结构整环试验中，衬砌顶部覆土厚度按 15m 和 29m 两种情况考虑。为能 与实际结构计算和试验结果相互检验，更具针对性，同时为以后的工程实践提供指导、 积累经验，在本次管片应力监测点布置时也是根据上述覆土厚度部位进行设置。 长江隧道采用的是通用错缝拼装衬砌环设计，由于衬砌接缝的存在将造成衬砌环整 体刚度的降低，导致衬砌内力的重分配；且通过相邻环间的纵向螺栓或环缝面上的剪切 销，将接缝部分弯矩传递到相邻环的管片截面上。考虑到上述因素，在本次监测中拟以 相邻三环衬砌结构作为一组钢筋应力监测单元。针对上行线在如下表所示意的里程位置 取衬砌结构进行监测，于每环衬砌结构的管片（10 块管片）内、外主钢筋的跨中布钢筋 应力计，上行线隧道共布设 4 条钢筋应力监测轴线，共计 12 个断面、240 个测点，下行 线隧道共布设 1 条钢筋应力监测轴线，共计 3 个断面、60 个测点。其中 SK0583 和 SK2+374 已安装完成，还剩 3 个断面 180 个测点。 钢筋计测点一览表 序号上行线接缝里程下行线接缝里程 1SK0+583.000 2SK2+374.000 3SK6+428.000XK6+440 4SK7+330.000 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 76 页 共 231 页） 通道一 通道二 通道三 浦东工作井 长兴岛工作井 XK1+307.16XK2+137.16XK2+966.38XK3+792.38XK4+625.10XK5+458.72XK6+288.72XK7+118.72 SK1+310SK2+140SK2+970SK3+800SK4+630SK5+460SK6+290SK7+120 SK2+374 钢筋计 SK7+330 钢筋计 XK6+440 钢筋计 通道四 通道五 通道六 通道七 通道八 下行 上行 SK0+583 钢筋计 SK6428 钢筋计 图 5.3-6 江中圆隧道段钢筋应力计监测断面 图 5.3-7 衬砌管片钢筋应力计横断面布置示意图 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 77 页 共 231 页） 图 5.3-8 衬砌管片钢筋应力计剖面布置示意图 2)浦东岸边段 浦东岸边段 SD3、SD11 暗埋段断面和工作井钢筋应力监测（试验段工程）正常运营 阶段结构监测所需要的钢筋应变计已先行埋设。 3)长兴岛岸边段 主要针对 BD1、BD3、BD4 暗埋段断面和工作井进行钢筋应力监测。BD1 断面钢筋 应力计共 14 个测点，BD3、BD4 断面钢筋应力计各 16 个测点，工作井钢筋应力计共 16 个测点。三处总计 62 个测点，共 62 只钢筋应力计。 图 5.3-9 BD1 暗埋段钢筋应力计横断面布置示意图 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 78 页 共 231 页） 图 5.3-10 BD3 暗埋段钢筋应力计横断面布置示意图 图 5.3-11 工作井钢筋应力计横断面布置示意图 监测频率与总体沉降同步。 5.3.3.3.安装方法安装方法 所使用的钢筋应力计在埋设安装前，应进行标定，确定初率 f0。 1）在管片钢筋笼绑扎后，在需要安装钢筋计的位置（管片内、外主筋上） ，采用焊 接方式将钢筋应力计焊接在主筋上。单边焊接长度应大于 10 倍钢筋直径。焊接时应力计 处用湿布包缚进行冷却处理，使传感器温度不超过 60，但不得在焊缝处浇水以免影响 焊接质量。 2）在钢筋应力计安装前、后，应进行测量检查。 3）钢筋计的电缆加护套管固定在钢筋上。电缆引出端应采取防水密封胶布进行密封。 电缆线穿入护套管放入矩形段内，接线盒内采用油灰填充。电缆线进入护套管处采用硅 胶密封。 4）在钢筋笼放置到模板内后，使钢筋计不要与模板接触，避免在振捣混凝土的过程 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 79 页 共 231 页） 中损坏钢筋计。 5）在混凝土浇筑完成后，管片进行蒸气养护室进行养护，养护温度不宜超过 80 度， 在养护完成的前后应对钢筋计进行测量，并进行记录。 6）接线盒设置在管片内弧侧。 5.3.4钢筋锈蚀程度钢筋锈蚀程度 5.3.4.1.监测方法监测方法 阳极梯是 90 年代初发展起来的一种测定钢筋锈蚀程度的有效仪器，目前已在世界各 国土木工程无损检测领域得到成功应用。它采用预埋的方式，对结构基本无损伤，而且 可以得出钢筋锈蚀随时间的变化，对于准确判断结构耐久性，预测结构寿命具有重要的 意义。 阳极梯腐蚀测试单元是基于宏观腐蚀原理开发的。从 1990 年开始，阳极梯腐蚀测量 单元就已经广泛用于混凝土结构的腐蚀监测，包括桥梁、隧道、挡土墙、桩基等结构。 选用德国 sensortec 公司的阳极 T 系统， 图 5.3-12 阳极梯腐蚀测试单元外形图 它由以下几个部分组成： 阳极梯(AnodeLaddeAL) 钢筋连接件(ConnectiontOReinforcement，CR) 阴极(CathodeBar,C) 温度传感器(PTl000) 接线盒(TerminalBox，TBox) 阳极梯 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 80 页 共 231 页） 由 6 个直径为 10mm、长度为 50mm 的阳极棒组成，阳极棒的材料应该与钢筋混凝 土结构的钢筋相同。这些将这些阳极棒用 U 型不锈钢棒固定形成阳极梯。阳极梯的一端 有可调节的不锈钢固定支架以固定阳极梯的位置，为防止不锈钢固定支架和阳极棒或钢 筋接触，不锈钢固定支架应用橡胶绝缘。 每根阳极棒的两端有导线引出，通过短路测量来检查导线的连接是否正常。为了避 免阳极棒两端的裂缝腐蚀，在其两端套上热收缩管。电缆集中到侧杆里，将侧杆用透明 的还氧树脂填充，以防腐蚀等。其中一个侧杆内装有一个 PTl000 温度传感器。每个阳极 梯共有 3 股电缆，即 2xLiTCT6x024mm2(来自阳极棒引出导线)和 1xLiTCT2x024mm2(PT 1000 温度传感器引出导线)。导线的长度有阳极梯和接线盒的 位置确定。 钢筋连接件 钢筋连接件为一根黑色不锈钢棒，通过焊接或钢丝连接到钢筋上，用于测量钢筋的 腐蚀情况。钢筋连接件两端也有导线引出。电缆的型号为：LiTCT2x0.24mm2，电缆通过 焊接连接到连接件，接点区域用热收缩管保护以防裂缝腐蚀。 阴极棒 为一根直径 8mm、长 40cm 的镀铂钛棒。两端有导线引出，电缆的型号及其连接同 钢筋连接件。 接线盒 接线盒应尽可能的小，以确保其能穿越钢筋。其典型尺寸为 120x80x55mm3。接线 盒的材料 ABS，或镀铝，以保证接线盒不被周围的碱性离子或氯离子腐蚀。当盒子关闭 时，盒子和覆盖层之间的密封层应达到 IP65 类防水标准。应确保接线盒在埋置到混凝土 之后，盒子的覆盖层能正常开启和关闭。接线盒的上侧用 4mm 厚聚合体层覆盖。接线盒 应包括用于常规测量插头的插槽。 温度传感器 采用稳定性良好的 PTl000 热电耦型传感器。传感器两端由导线引出，电缆的型号及 其连接同钢筋连接件。 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 81 页 共 231 页） 5.3.4.2.测点布置测点布置 与隧道内钢筋应力监测点相对应位置，SK6+428 和 SK7+330 附近任意选一环管片 中的 2 块管片、XK6440，共计 4 套阳极梯，如图所示。 通道一 通道二 通道三 浦东工作井 长兴岛工作井 XK1+307.16XK2+137.16XK2+966.38XK3+792.38XK4+625.10XK5+458.72XK6+288.72XK7+118.72 SK1+310SK2+140SK2+970SK3+800SK4+630SK5+460SK6+290SK7+120 SK6+428 阳极梯 XK6+440 阳极梯 通道四 通道五 通道六 通道七 通道八 下行 上行 图 5.3-13 钢筋锈蚀监测断面 5.3.4.3.监测频率监测频率 与总体沉降同步监测。 5.3.5隧道部分传感器配置一览表隧道部分传感器配置一览表 传感器传感器监测内容监测内容单位单位数量数量 弦式钢筋应力计结构应力个322 钢筋应变片结构应力个40 柔性土压力计土压力个12 三向位移计结构差异变形组20 腐蚀传感器钢筋锈蚀程度个4 总计398 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 82 页 共 231 页） 5.4 设备清单设备清单 5.4.1大桥部分清单大桥部分清单 序号序号项目名称项目名称规格型号规格型号生产厂家生产厂家原产地原产地单位单位数量数量 1传感器子系统 1.1风速风向监测 1.1.a三向超声风速风向仪81000 型三向超声风速仪YOUNG美国台3 1.1.b机械式风速风向仪09101 型单向机械式风速仪YOUNG美国台1 1.1.c设备立杆定制 中国根4 1.2温度监测 1.2.a箱梁内、外大气温度 光纤光栅表面安装温度传感器 TMS 紫珊光电上海个5 1.2.b砼结构温度 光纤光栅表面安装温度传感器 TMS 紫珊光电上海个22 1.2.c钢结构温度 光纤光栅表面安装温度传感器 TMS 紫珊光电上海个25 1.3动力监测 1.3.a竖向加速度传感器GT02 系列单向加速度传感器草青木秀中国个34 1.3.b纵向加速度传感器GT02 系列单向加速度传感器草青木秀中国个2 1.3.c横向加速度传感器GT02 系列单向加速度传感器草青木秀中国个14 1.3.d双向加速度传感器GT02 系列双向加速度传感器草青木秀中国个4 1.3.e三向加速度传感器GT02 系列三向加速度传感器草青木秀中国个2 1.4动静载荷力监测 1.4.a砼结构应变计光纤光栅表面安装应变传感器 STS紫珊光电上海个16 1.4.b钢结构应变计光纤光栅表面安装应变传感器 STS紫珊光电上海个84 1.4.c钢结构温度计（温补） 光纤光栅表面安装温度传感器 TMS 紫珊光电上海个22 1.4.d砼结构温度计（温补） 光纤光栅表面安装温度传感器 TMS 紫珊光电上海个6 1.5主航道桥变形监测 1.5.aGPS 参考站 Trimble5700 包含：主机、天 线、天线电缆、电源数据线、电池、 软件光盘（含说明书、设置软件等） Trimble美国套1 1.5.bGPS 监测站 Trimble5700 包含：主机、天 线、天线电缆、电源数据线、电池、 软件光盘（含说明书、设置软件等） Trimble美国套12 1.5.c参考站观测墩定制定制中国个1 1.5.d监测站设备立杆定制定制中国根12 1.6105 米跨叠合梁桥变形监测 1.6.a静力水准仪RJ-50/RJ-100南瑞中国个21 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 83 页 共 231 页） 序号序号项目名称项目名称规格型号规格型号生产厂家生产厂家原产地原产地单位单位数量数量 1.7钢结构疲劳监测 1.7.a数字化疲劳计NHPL-SD06南航南京个45 1.7.b保护罩LF-AL-3南航南京个51 1.8索力监测 1.8.a索力计JMZR-2901 湖南省交 科院 中国套20 1.9梁端位移监测 1.9.a位移计光纤光栅表面位移传感器 DPC紫珊光电上海个4 1.9.b钢结构温度计（温补） 光纤光栅表面安装温度传感器 TMS 紫珊光电上海个4 1.10梁端倾斜监测 1.10.a 倾斜计光纤光栅倾斜传感器 CLS紫珊光电上海个4 1.10.b 钢结构温度计（温补） 光纤光栅表面安装温度传感器 TMS 紫珊光电上海个4 1.11钢筋应力监测 1.11.a 钢筋应力计光纤光栅钢筋计 SBG紫珊光电上海个6 1.11.b 钢结构温度计（温补） 光纤光栅表面安装温度传感器 TMS 紫珊光电上海个6 5.4.2隧道部分清单隧道部分清单 序号序号项目名称项目名称规格型号规格型号生产厂家生产厂家原产地原产地单位单位数量数量 1传感器子系统 1.1压力传感器(土压力监测)柔性土压力计维新土木中国台12 1.2 钢筋应变片（结构受力监测） 电阻式应变片同济中国台40 1.3 钢筋应力计（江中圆隧道结 构受力监测） NVR 系列振弦式钢筋计南瑞南京个260 1.4 钢筋应力计（岸边段结构受 力监测） NVR 系列振弦式钢筋计南瑞南京米62 1.5 三向位移计（结构差异变形） 南京葛南公司的 VWD 型葛南南京组20 1.6腐蚀传感器 阳极 T 系统（包括阳极 T 传感器， 阴极棒，接线盒，连接棒，内置温 度传感器，1 米电缆） Sensortec德国个4 6数据采集子系统数据采集子系统 6.1 数据采集模式数据采集模式 数据采集的三种采集模式如下： 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 84 页 共 231 页） 6.1.1采集模式一采集模式一 在此种模式下，采集计算机需使用 PXI 体系的设备，且必须使用实时操作系统平台， 即 RealTime Operation System，以保证数据运算的准确性和数据传输的实时性。除静力 水准仪、GPS、弦式传感器及光纤传感器外，其它所有电信号输出和数字信号输出的传 感器均需就近接入采集计算机。 其中：风速仪四套（见 JC-21：风速仪总体布置与系统拓扑图）分别接入 ST3、ST4、ST5 机柜的 PXI 系统的 8433 卡上，每台风速仪占用 8433 上的一个 485 口。 20 套索力计分三组（见 JC-27：索力计系统拓扑图）分别接入 ST3、ST4、ST5 机 柜的 PXI 系统的 8433 卡上，各占用 8433 上的一个 485 口。 加速度计共计 5 组(见 JC-28/29：加速度计总体布置与系统拓扑图)：3 组分别接入主 通航孔的 ST3、ST4、ST5 机柜 PXI 的 4472 卡上；2 组分别接入连续梁桥的 ST1 和 ST2 机柜 PXI 的 4472 卡上。 疲劳计（见 JC-30/31/32/33：疲劳计总体布置与系统拓扑图）分别接入 ST1、ST3、ST4、ST5 机柜的 PXI 系统的 8433 卡上。 除湿机及阻尼器分别接入就近机柜的 PXI6220 卡。 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 85 页 共 231 页） 6.1.2采集模式二采集模式二 此种模式仅适用于光纤传感器，经专用调理/采集设备（光纤光栅传感网络分析仪） 采集后的数据精度不得低于标书监测要求中提出的数据精度要求。此外，专用采集设备 需自带时钟，并能定期与监测系统时钟服务器进行时钟同步，设备自带时钟的累积漂移 量= 100000 小时。详请见相关传感器子系统的设计部分（5.2.6 光纤 传感器） ，光纤监测系统拓扑图请见 JC-34，时钟同步问题的解决方案详见 5.2.6.2.3，采 集设备光纤光栅传感网络分析仪的技术指标见 5.2.6.5.1。 6.1.3采集模式三采集模式三 此种模式仅适用于 GPS、静力水准仪及隧道的弦式传感器采集系统，经子系统专用 服务器采集后的数据精度不得低于标书监测要求中提出的数据精度要求。此外，子系统 专用服务器需自带时钟，并能定期与监测系统时钟服务器进行时钟同步，子系统专用服 务器自带时钟的累积漂移量= 100000 小时。 GPS 总体布置图和系统拓扑图请见 JC-22/23；静力水准子系统总体布置图和系统拓 扑图请见 JC-24/25。详请见相关传感器子系统的设计部分。隧道弦式传感器部分的采集 设备还包括 DAU2000 采集设备箱和相应的采集模块，详见 6.3。此外，三个子系统在监 控中心还需各自增加一台子系统专用服务器，共 3 台服务器，服务器选型如下： 子系统专用服务器配置子系统专用服务器配置 选用 DELL PowerEdge(TM) 2950 服务器 CPU：2*四核 Xeon 1.6GHz/1333MHz,/4M*2 内存：2GB (2x1G), DDR-2Memory 硬盘：2*146GB SAS 15K 镜像 连接： 2 * 1000/100/10 Ethernet 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 87 页 共 231 页） 6.1.4监测内容采集模式汇总表监测内容采集模式汇总表 监测区段监测区段传感器传感器监测内容监测内容 数量（个）数量（个） 采集模式采集模式 风速风向单向机械风速仪1采集模式一 风速风向三向超声风速仪3采集模式一 GPS 测量站塔顶及跨中变形及基站13采集模式三 钢应变计钢结构应变60采集模式二 砼应变计砼结构应变8采集模式二 位移计伸缩缝位移4采集模式二 单向加速度传感器动力响应32采集模式一 双向加速度传感器动力响应4采集模式一 三向加速度传感器动力响应2采集模式一 钢疲劳计疲劳42采集模式一 索力计索力20采集模式一 倾斜计倾斜4采集模式二 钢温度计钢结构温度16采集模式二 砼温度计砼结构温度16采集模式二 大气温度计大气温度4采集模式二 钢温度计温度补偿24采集模式二 阻尼器状况设备工作状况-采集模式一 除湿机状况设备工作状况-采集模式一 主 航 道 桥 小计253 单向加速度传感器动力响应18采集模式二 钢应变计钢结构应变24采集模式二 钢筋应力计钢筋应力6采集模式二 砼应变计砼结构应变8采集模式二 大气温度计大气温度1采集模式二 钢温度计钢结构温度9采集模式二 砼温度计砼结构温度6采集模式二 钢疲劳计疲劳3采集模式二 静力水准仪差异沉降及跨中挠度21采集模式三 钢温度计温度补偿12采集模式二 砼温度计温度补偿6采集模式二 除湿机状况设备工作状况-采集模式一 叠 合 梁 桥 小计114 上 海 长 江 大 桥 总计367 弦式钢筋应力计结构应力322采集模式三 钢筋应变片结构应力40采集模式三 柔性土压力计土压力12采集模式三 三向位移计结构差异变形20采集模式三 监 测 截 面 腐蚀传感器钢筋锈蚀程度4人工定期采集 上 海 长 江 隧 道 总计398 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 88 页 共 231 页） 6.2 上海长江大桥上海长江大桥 以下详细描述三类采集模式在上海长江大桥中的应用。 6.2.1数据采集子系统的功能数据采集子系统的功能 长江隧桥结构健康监测系统数据采集与传输系统由分布在 PM52-PM59 连续梁的两 个工作站和主航道桥的三个工作站合计五个工作站和综合信息网络组成。工作站将采用 世界先进的成熟产品，以确保系统的稳定性、耐久性和高精度。光纤信号传输网络将采 用环状拓扑结构，以保证信号传输的高度可靠性。 数据采集子系统的总体技术要求如下： (1) 系统应具有与其安装位置、功能和预期寿命相适应的质量和标准。通信协议、电气、 机械、安装规范应采用相应国家标准或兼容规范。 (2) 系统应能在无人职守条件下连续运行，采集得到的数据可供远程传输和共享，采样 参数可远程在线设置。 (3) 工作站能连续采样，在报警状态下(台风、地震、船撞等)能够进行特殊采样和人工 干预采样。 (4) 数据采集软件应具有数据采集和缓存管理功能，并能对现场数据进行基本的统计运 算，以便显示相应信息。 (5) 对每个传感器信号提供在线预览、滤波、变换和同步统计处理功能，以便根据实际 传感器信号的时域、频域性质合理设置采样参数。 (6) 所有用于数据采集的参数均由一个标签数据库控制。系统里的所有传感器均有一个 唯一的标签，该标签包含了传感器所有有关数据采集设置的信息。 (7) 标签编辑器应能对所有的标签信息和数据库参数进行编辑，并将编辑结果存储在配 置文件里。系统通过标签搜索引擎读入配置文件，并根据其中定义的各种参数对工 作站的采集工作进行设置。 (8) 系统管理员可以在数据处理与控制服务器(DPC)上运行标签编辑器，在其编辑环境 下通过菜单或其它人机友好界面对模拟、数字和视频等所有信号的采样频率、触发 阈值、时间间隔等参数进行调整。 (9) 系统软件操作权限分为多级。只有系统管理员具有运行标签数据库、编辑配置文件、 修改传感器的校准数据等在内的操作权限，而一般的普通管理员不应被赋予上述操 作权限，以保证系统安全。 (10) 系统具有实时自诊断功能，能够识别传感器失效、信号异常、子系统功能失效或 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 89 页 共 231 页） 系统异常等。出现故障时，系统应能立即自动地将故障信息上传至数据处理与控制 服务器(DPC)，并激活警报信息，与此同时，隔离故障传感器或子系统以保障其余 部分正常工作。 (11) 当系统的一个或多个部分暂时断电时，系统的各个部分应无需人为干涉即可自动 重新启动、同步校准和继续正确运行，并保留断点信息。 (12) 光纤信号传输网络的设计和构造要考虑将来的扩展，且扩展无需中断系统操作和 影响现有的用户。在各站之间的数据交换应符合 ISO 或 CCITT 标准。 (13) 为了与其它基于 TCPIP 的设备和网络相协调，光纤信号传输网络应基于 TCPIP 标准。 (14) 光纤信号传输网络采用拓扑结构，光纤局部损伤或个别节点失效的情况下，它将 自动重构以便维持数据通讯，自动重构应在失效后 10 秒内完成。 (15) 通讯故障和自动重构都能在数据处理与控制服务器上显示并发出警报。 (16) 为了与其它基于 TCPIP 的设备和网络相协调，光纤信号传输网络基于 TCPIP 标准。 (17) 通讯故障和自动重构都能在数据处理与控制服务器上显示并发出警报。 6.2.2采集模式一采集模式一 6.2.2.1.总体描述总体描述 在这种采集模式下，采集计算机使用 NI PXI 体系的设备，且必须使用实时操作系统 平台，即 RealTime Operation System，以保证数据运算的准确性和数据传输的实时性。 除静力水准仪、GPS、弦式传感器及光纤传感器外，其它所有电信号输出和数字信号输 出的传感器均需就近接入采集计算机。将采集后数据通过的综合监控网传回监控中心。 长江隧桥结构健康监测系统数据采集与传输系统由分布在 PM52-PM59 连续梁的两 个工作站和主航道桥的三个工作站合计五个工作站和综合信息网络组成。工作站将采用 NI PXI 这一世界知名先进的成熟产品，以确保系统的稳定性、耐久性和高精度。 该采集模式使用基于 PXI 的 GPS 同步时钟的同步方式。 在本系统中，调理/采集模块设备主要指 NI 的 8433、4472、6220、6521 等板卡。 风速仪、索力、加速度、疲劳计等接入 PXI 的监测子系统分别描述如下。 6.2.2.1.1.风速风向仪风速风向仪 其中：风速仪四套分别接入 ST3、ST4、ST5 机柜的 PXI 系统的 8433 卡上，每台风 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 90 页 共 231 页） 速仪占用 8433 上的一个 485 口。 具体连接拓扑图如下： 图 6.2-1 风速风向采集拓扑结构图 其中主跨跨中 PXI 预留以后增加自动气象站传感器后的采集通道，以实现跨中有一 台设备按照自动气象站的模式配置。 每套风速风向仪需就近配置一个专用采集设备箱，内置供电电源、防雷器、电源开 关、风速风向仪专用采集模块。等设备，风速风向仪使用 485 线缆传送信号至就近 PXI8433 板卡。 名称名称规格规格单位单位数量数量 风速风向监测用线缆定制 485 通讯线缆米500 室外专用采集设备箱定制个4 6.2.2.1.2.索力计索力计 20 套索力计分三组分别接入 ST3、ST4、ST5 机柜的 PXI 系统的 8433 卡上，各占 用 8433 上的一个 485 口。 具体连接拓扑图如下： 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 91 页 共 231 页） 图 6.2-2 索力计采集拓扑结构图 所有索力计通过一根数据线缆并接到就近工作站的 PXI8833 板卡上，并通过一根供 电线缆并接到就近工作站内的电源上，电源规格为 220VAC 转 36VAC。 名称名称规格规格单位单位数量数量 索力计供电电缆定制米1500 索力计数据电缆定制水工电缆米1500 索力计供电电源220VAC 转 36VAC个3 6.2.2.1.3.加速度计加速度计 加速度计共计 5 组； 3 组分别接入主通航孔的 ST3、ST4、ST5 机柜 PXI 的 4472 卡上： 2 组分别接入连续梁桥的 ST1 和 ST2 机柜 PXI 的 4472 卡上： 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 92 页 共 231 页） 加速度计通过专用电缆（七芯或十九芯定制电缆）接入就近工作站内的加速度计接 线盒，加速度计接线盒带程控功能的放大器和滤波器，并为加速度计供电，经接线盒后， 线缆进入 PXI4472B 板卡，每个加速度计均需一根独用专用电缆。 名称名称规格规格单位单位数量数量 12 通道加速度计专用接 线盒 12 通道连接传感器电缆盒， 可接 PX14472B，220VAC 供电。 台7 单/双向传感器用线缆七芯屏蔽电缆米7500 三向传感器用线缆十九芯屏蔽电缆米300 BNC 尾线长度 2m根64 6.2.2.1.4.疲劳计疲劳计 疲劳计分别接入 ST1、ST3、ST4、ST5 机柜的 PXI 系统的 8433 卡上： 以 ST1 为例附图如下：（ST3、ST4、ST5 结构相同，此略） 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 93 页 共 231 页） 图 6.2-3 疲劳计采集拓扑结构图 疲劳计为数字化传感器，数据输出为 485 信号，传感器需供电，为此在监测截面处 设置专用设备箱，内置集线器和供电电源。 名称名称规格规格单位单位数量数量 16 口专用集线器NHPL-J16个6 专用电源NHPL-DY个4 疲劳采集专用设备箱定制个4 钢结构疲劳监测用线缆八芯防水通讯电缆 UTP-5ZS米1300 传感器供电电缆YGZF米1300 6.2.2.1.5.除湿机及阻尼器状况除湿机及阻尼器状况 除湿机和阻尼器的状态监控逻辑框图： 图 6.2-4 除湿机、阻尼器工作状况采集拓扑结构图 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 94 页 共 231 页） 由于准确的除湿机数量以及阻尼器信号输出形式尚未确定，以下以常用采集方式的 线缆估算。除湿机及阻尼器信号采集使用 RVSP2*1.0 线缆，除湿机控制用 RVSP6*0.75 线缆，采集线缆直接接入就近工作站的 PXI6220 板卡。 名称名称规格规格单位单位数量数量 除湿机、阻尼器信号采集线RVSP6*0.75 米3000 开关量控制信号线RVSP2*1.0米3000 6.2.2.1.6.PXI 采集计算机配置采集计算机配置 根据以上描述可得知各工作站通道使用数量以及剩余通道数如下表所示： 总通总通实际使用实际使用剩余剩余 工作站编号工作站编号信号类型信号类型 道数道数通道数通道数通道通道 高速信号（加速度）1697 除湿系统监视24618ST1 除湿系统控制826 ST2高速信号（加速度）1697 串口（485）431 高速信号（加速度）24195 除湿系统监视24186 ST3 除湿系统控制862 串口（485）440 ST4 高速信号（加速度）880 串口（485）431 高速信号（加速度）24195 除湿系统监视24186 ST5 除湿系统控制862 由此可得长江隧桥结构健康监测系统工作站的具体模块组成如下表所示： 工作站编号工作站编号模块名称模块名称 数量数量 （个） NI PXI-1042 8 槽机箱及模块配置1 NI PXI-8196 实时控制器1 NI PXI-6652 同步时钟模块1 NI PXI-6602 定时模块1 NI PXI-4472B 高速同步采集调理模块2 NI PXI-6521 模块1 NI PXI-6220 模块1 ST1PXI 模 块 剩余槽位1 NI PXI-1042 8 槽机箱及模块配置1 NI PXI-8196 实时控制器1 NI PXI-6652 同步时钟模块1 NI PXI-6602 定时模块1 NI PXI-4472B 高速同步采集调理模块2 ST2PXI 模 块 剩余槽位3 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 95 页 共 231 页） 工作站编号工作站编号模块名称模块名称 数量数量 （个） NI PXI-1045 18 槽机箱及模块配置1 NI PXI-8196 实时控制器1 NI PXI-6652 同步时钟模块1 NI PXI-6602 定时模块1 NI PXI-4472B 高速同步采集调理模块3 NI PXI-8433/4 隔离串口模块1 NI PXI-6521 模块1 NI PXI-6220 模块1 ST3PXI 模 块 剩余槽位9 NI PXI-1042 8 槽机箱及模块配置1 NI PXI-8196 实时控制器1 NI PXI-6652 同步时钟模块1 NI PXI-6602 定时模块1 NI PXI-4472B 高速同步采集调理模块1 NI PXI-8433/4 隔离串口模块1 ST4PXI 模 块 剩余槽位3 NI PXI-1045 18 槽机箱及模块配置1 NI PXI-8196 实时控制器1 NI PXI-6652 同步时钟模块1 NI PXI-6602 定时模块1 NI PXI-4472B 高速同步采集调理模块3 NI PXI-8433/4 隔离串口模块1 NI PXI-6521 模块1 NI PXI-6220 模块1 ST5PXI 模 块 剩余槽位9 PXI 汇总清单如下。 名称名称规格规格单位单位数量数量 PXI1045 18 槽机箱PXI1045（778645-01）台2 PXI1042 8 槽机箱PXI1042（778636-01）台3 PXI8196 嵌入式实时控 制器 PXI8196（779912-33）块5 24 位 8 通道高速同步采 集模块 PXI4472B（778279-02） （含配套线缆） 块11 4 通道 2000V 隔离串口 模块（485） PXI8433（779539-01） （含 配套线缆） 块6 PXI6652 同步时钟主控 模块 PXI6652（778726-01） （含 配套线缆） 个5 PXI6602 定时模块 PXI6602（777557-01） （含 配套线缆） 个5 NI PXI-6521 卡779313-01（含配套线缆）个3 NI PXI-6220 卡779112-01（含配套线缆）个3 上海崇明越江通道长江隧桥工程结构健康监测系统投标文件 （初步设计方案 第 96 页 共 231 页） 6.2.2.1.7.同步时钟同步时钟 本采集模式下，由于加速度计的采样频率为 50Hz，且在特殊情况下有可能需要进一 步提高采样频率，为此高速采样模式下的时间同步就显得尤其重要，本例采用的同步模 式为 GPS 同步时钟同步，具体模式见下图。 GPS卫星系统 Satellite Satellite Satellite Satellite Satellite Satellite Satellite PXI 8196 PXI 6652 PXI 6602 P X I 8 4 3 3 P X I 4 4 7 2 P X I 4 4 7 2 P X I 4 4 7 2 P X I 4 4 7 2 P X I 4 4 7 2 GPS时钟天线 GPS时钟发生器 10MPPS 1PPS P X I 4 4 7 2 P X I 4 4 7 2 P X I 4 4 7 2 SM B SM B 同轴电缆 BNC转SMB RS232数据电缆 绝对时间 RS232 NI PXI机机箱箱