（控制科学与工程专业论文）桥梁健康监测用光纤光栅信号采集与处理系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 大型桥梁结构的安全可靠性已成为全球普遍关注的重大问题。为保证桥梁 结构运营期间的安全性、可靠性、耐久性、行车舒适性等，建立桥梁长期健康 监测系统，已成为桥梁建设中不可缺少的重要环节。桥梁健康监测系统具有传 感器种类多、数量大、信号传输与存储的实时性要求高的特点，这使得它对数 据采集和处理系统的软件方面提出了很高的要求。 本文针对大型桥梁健康监测系统的特点结合计算机网络技术、传感器网络 技术、通信技术等各相关学科技术，研究基于光纤光栅传感的桥梁健康监测数 据采集与处理系统。 桥梁健康监测系统一般可划分为传感系统、数据采集与处理系统、数据管 理系统、远程通讯系统和评估系统。其中数据采集与处理系统是整个监测系统 的基础。数据采集与处理系统主要负责收集光纤光栅传感器传输的光信号，经 光纤解调仪解调后通过计算机网口发送给监测工控机。利用v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 软件开发平台，设计出m f c 采集模块。该模块主要利用多线程技术对光纤光栅 解调仪进行数据采集、分析处理、实时显示和存储。 在桥梁健康监测系统的复杂现场条件下，各种影响因素的共同作用造成实 时信号中出现毛刺、突变点和数据丢失现象。为保证分析评估的准确，必须对 已采集的信号进行处理。分析和归纳了工程数据采集系统所遇到的问题，将当 前一些解决该问题的方法进行了归类与综述，设计基于桥梁健康监测的信号处 理方法。 基于预警系统的重要性设计桥梁安全预警系统。采用b r o w e r s e r v e r 系统模 式将桥梁结构健康监测的各子系统相互结合，建立基于网络平台的开放式的实 时智能健康监测系统。 关键词：健康监测，数据处理，数据采集，b s 模式，光纤光栅 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h el a r g e s c a l eb r i d g e sh a v eb e c o m eaw o r l d - w i d e c o n c e r n t oe n s u r et h es a f e t y , r e l i a b i l i t y , d u r a b i l i t y , f i d ec o m f o r to ft h eb r i d g ed u r i n g i t s l i f e t i m e ，al o n g t e r mr e m o t eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m h a sb e c o m ea l l i n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n tl i n ki nb r i d g ec o n s t r u c t i o n h i g hd e m a n d so ns o f t w a r eo f d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e ma r ep u tf o r w a r db yt h eb r i d g eh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e mc h a r a c t e r i z e dw i t hk i n d s o fa n dn u m e r o u ss e n s o r s ，h i 曲 r e q u i r e m e n t so f t h er e a l - t i m eo fs i g n a lt r a n s m i s s i o na n ds t o r a g e a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e ma n d o t h e rr e l a t e dd i s c i p l i n e s ，s u c ha sc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , s e n s o rn e t w o r k t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , b r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gd a t aa c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nf - b e rg r a t i n gs e n s o rn e t w o r ki sp r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n g e n e r a l l y , ab r i d g e s t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mc a nb ed i v i d e di n t o s e v e r a ls u b s y s t e m ss u c ha ss e n s o rs y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ， d a t am a n a g e m e n ts y s t e m ，r e m o t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s e c u r i t ya s s e s s m e n ts y s t e m a n dd i s p l a y i n gs y s t e m s a m o n gt h e m ，t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs u b s y s t e m i st h ef o u n d a t i o no ft h em o n i t o r i n gs y s t e m t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s u b s y s t e mi sm a i n l yu s e dt oc o l l e c to p t i c a ls i g n a l st r a n s m i t t e db yt h ef i b e rg r a t i n g s e n s o r s t h e s eo p t i c a ls i g n a l sa r ed e m o d u l a t e db yt h ef i b e rg r a t i n gd e m o d u l a t o r , t h e n s e n tt ot h ei n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e rv i ac o m p u t e rn e t w o r kp o r t ad a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ei sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o nu s i n gm u l t i t h e a d i n g t e c h n o l o g y , b a s e do nm f c o ft h ev i s u a ls t u d i o2 0 0 5s o l , r a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h i sm o d u l ei n c l u d e ss o m ef u n c t i o n ss u c ha sd a t ac o l l e c t i o n , p r o c e s s i n g ，r e a l t i m e d i s p l a ya n ds t o r a g e u n d e rt h ec o m p l e x i t yf i e l dc o n d i t i o n so ft h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m ，a v a r i e t yo ff a c t o r sw o u l dr e s u l ti nt h ee m e r g e n c eo fb u r r i n go rp o i n tm u t a t i o no rd a t a l o s sd u r i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o np r o c e s s i no r d e rt oe n s u r ea c c u r a t ea n a l y s i so ft h e 武汉理工大学硕士学位论文 a s s e s s m e n t ，t h ea c q u i r e ds i g n a l sm u s tb ep r o c e s s e d 。i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r o b l e m s e n c o u n t e r e di ne n g i n e e r i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d s o m eo ft h ec u r r e n ts o l u t i o n st ot h ep r o b l e ma r ec l a s s i f i e da n ds u m m a r i z e d , a n da s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o db a s e do nt h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gi sp r o p o s e d t h ei m p o r t a n c eo fe a r l yw a r n i n gs y s t e m sb a s e do nt h ed e s i g nb r i d g es a f e t y w a r n i n gs y s t e m b a s e do nt h eb r o w e r s e r v e rm o d e l ，t h ei n d i v i d u a ls u b s y s t e m sa r e c o m b i n e dw i t he a c ho t h e r ar e a l - t i m ei n t e l l i g e n th e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi sb u i l t i t i sa l s ow e b b a s e d k e yw o r d s ：h e a l t hm o n i t o r i n g ，d a t ap r o c e s s i n g , d a t aa c q u i s i t i o n , b sm o d e ， f i b e rg r a t i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：雨辱利 导l j i l i ( 签名) ：日期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 本课题来源于企业项目。以桥梁结构为对象，对其健康监测系统及其相关 技术方法进行研究，研究基于光纤光栅的健康监测数据采集与处理系统，对桥 梁的安全运营和延长桥梁的使用寿命具有巨大的现实意义。 桥梁建成运营期间，桥梁结构随着运营时间的增长，钢架结构等材料的老 化，疲劳效应加剧，各种环境荷载，腐蚀效应的影响，损伤部分将不断的积累， 这样很容易导致突发事故的发生。因此对桥梁的运行状况进行健康监测，不仅 可以确保桥梁基础设施与使用者的安全【l 】，还可分析桥梁健康状况、使用寿命、 损伤程度等，这样可以有效预防事故的发生、减少财产损失、避免人员伤亡叫】。 近年来，国内发生的几起桥梁事故究其原因多数是由于桥梁结构设施疲劳， 监测养护措施实施不完善，从而严重影响桥梁结构的承重能力和使用期限。由 此可见，建立桥梁健康监测系统具有十分重要的意义，也是非常必要的。 随着我国基础交通建设的高速发展，大跨度桥梁等大型工程的建设也进入 空前发展期。现代大型桥梁结构多样性，给桥梁建设、管理以及科研工作都带 来了极大地挑战，桥梁的安全性已成为桥梁管理者十分关注的问题。为了保证 桥梁的安全性、可靠性、提高其使用寿命，对大型桥梁实施健康监测，已成为 桥梁建设与养护中必须考虑的问题【5 1 7 1 。发展桥梁的长期健康监测系统，是我国 桥梁技术研究中的重要一环，是桥梁结构响应、桥梁工作环境等科学研究的基 础。利用监测系统所采集的数据可以分析桥梁结构的健康状态、评定桥梁结构 的安全性、可靠性，为桥梁的运营管理、维修养护等提供科学依据【8 - lo 】。 早期的桥梁监测检测手段，要工作人员定期或不定期选择性的对大桥的某 一部分的结构区域进行短期检测，并将检测得到的数据带回实验室进行数据分 析然后给出结论。一方面这种检测是不连续性，而且检测过程中必须有人值守。 另一方面这种检测结果反映的只是桥梁在某具体时间段某一具体区域的结构 健康状况1 1 1 。1 3 】，它不能全面实时的反映大桥的整体健康状态，还耗费了大量的人 力物力。桥梁进行健康监测的目的是获得分别在不同结构部位的重要信息综合 武汉理工大学硕士学位论文 反映桥梁结构的安全状况，于是必须在桥梁多个重要部位安装不同类型的传感 器以获得桥梁多参数多点的准确信息【1 4 。1 6 j 。 影响桥梁结构安全的因素有很多，如桥梁关键部位的应力参数，结构动力 特性参数等。桥梁健康监测就是通过建立健康监测系统对影响桥梁结构的主要 因素进行实时监测，分析评估桥梁的安全性与可靠性【1 7 2 0 】，监测过程中及时发 出预警信息提醒桥梁管理人员和工作人员对桥梁异常现象进行维护和保养等工 作，以此延长桥梁的剩余寿命，尽量减少重大事故的发生，减产财产和人员的 损失，保证桥梁投资的收益。 对于重要桥梁结构而言，如果不及时对桥梁结构的健康状态进行长期监测， 就难以准确发现桥梁结构的安全隐患，一旦桥梁结构局部失效或整体承受能力 不足，势必将影响桥梁结构的正常使用，并带来重大事故【2 i 。2 3 】。 桥梁健康监测系统不仅能实时监测桥梁运行状态，还能通过对采集数据的 处理分析评估桥梁的健康状态，保证桥梁正常运行的同时提醒桥梁管理者采取 适当的桥梁养护措施以提高桥梁的使用寿命 2 4 - 2 6 。 建立桥梁健康监测系统，主要是为了实现对桥梁结构整体行为的实时监测 和结构状态的安全评估。这样，通过对特定部位的检测得到关键的性能指标， 获取反映结构状况的信息，当桥梁结构经过长期使用或遭遇突发灾害时，监测 系统就可以通过分析判断其是否收到损伤，当确认桥梁结构受到损伤时，则继 续分析桥梁是否可以继续使用以及剩余寿命等。因此，健康监测系统在确保桥 梁的安全运营【2 7 2 9 1 ，延长使用寿命，病害预警方面起着重要的作用。 在桥梁健康监测系统中，数据分析处理的结果，关系着评估系统所做评估 的准确性，因此，它应能从监测数据中准确查找出异常观测值，并可以对异常 数据进行可靠性分析并初步判断其产生的原因，针对不同的原因做出相应的处 理操作，进而捕捉到桥梁产生病变的一切线索，为专家评估系统做出合理的评 价奠定基础 3 0 3 2 j ，从而为桥梁健康状态的正确判断提供可靠依据。 大跨度桥梁健康监测系统，较之传统的桥梁健康监测方法，具有传感器种 类多、数量大、信号传输与存储的实时性要求高的特点，这使得它对数据采集 和处理系统的软件方面提出了很高的要求。 桥梁健康监测的意义主要有以下几个方面： ( 1 ) 监测和评估桥梁健康状况看是否发生桥梁损伤，如果发生了应对该部 位进行定性和定量分析，确保桥梁安全运营的需要； 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 为桥梁管理养护决策提供科学依据、提高桥梁的使用寿命； ( 3 ) 开展桥梁管理研究、积累桥梁管理经验的需要； ( 4 ) 可以验证桥梁结构的设计模型和计算假定，提高人们对大型复杂结构 的认识，为实现桥梁结构的“虚拟设计”奠定基础。 1 2 国内外研究现状分析 欧美，日本等国很早就已经开展了对桥梁健康监测的研究，但是由于受到 当时科技限制，使用传统的检测技术难以实现真正意义上的桥梁健康监测。直 到2 0 世纪8 0 年代后期，随着传感技术和健康监测技术的发展，人们逐渐开始 重视对桥梁安全性、可靠性、耐久性的研究工作。如今，国内外多数大型桥梁 结构都已配置了各种类型的传感器及其配套监测设备。国内外主要大桥配置健 康监测系统的情况如表1 1 所示【3 粥5 1 ，桥梁健康监测系统所使用的传感器情况如 表1 2 所示。 表1 1 国内外配置健康监测系统的大型桥梁统计表 武汉理工大学硕士学位论文 风速仪 温度计 动态地秤 加速度计 位移计 倾角仪 振弦式应变仪 电阻应变片 水平仪 电子测距器 磁弹性测力仪 速度计 g p s 总数 1 1 81 2 88 90 1 1 6 2 4 1 2 4 2 72 6 2 + l 1 0 1 8 “ 随着桥梁结构轻柔化、形式多样化、功能复杂性，桥梁健康监测逐渐受到 关注，如今正成为国内外学术界、工程界的研究热点，国内外学者也已经在此 方面进行了许多尝试和研列3 6 - 3 8 1 ，并取得相关研究成果。 随着传感器技术、智能技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通 信技术等的迅速发展，桥梁健康监测也取得了快速发展和巨大成绩。目前将智 能材料、智能结构等新兴交叉学科技术理念引入桥梁健康监测领域，成为国内 外研究开发的重难点 3 9 - 4 。同时作为桥梁健康监测系统中关键技术即传感器技 术也随之取得了很大的发展，许多新兴的智能型传感器已被应用于桥梁结构健 康监测系统中。 根据资料显示，光纤传感技术由于具有光纤技术和光波传导技术“传 、“感” 合二为一的集成技术【4 2 讲】，广泛应用于智能材料结构以及多种恶劣环境下结构 状态的检测，使得光纤传感器技术在桥梁健康监测技术中处于主导地位。随着 4 叫 4 2 2 6 3 2 2 4 乃 6 9 m 7 8 7 乃 6 盯 2 5 6 6 2 稻 5 武汉理工大学硕士学位论文 光纤传感器产品在土木结构工程领域的大量使用，特别是在桥梁健康监测的应 用，加速了桥梁健康监测技术的进一步发展，更方便有效地实现了桥梁健康监 测的长期稳定和有效性【4 5 4 6 j 。 光纤光栅技术的使用赋予了桥梁健康监测真正意义的转折，为桥梁长期健 康监测系统的发展带来了新契机和新活力 4 7 4 0 。 近年来，随着微电子技术、无线通信技术和数字电路集成技术的不断进步 与发展，出现了更新型的智能型传感器一无线智能传感器。这种新型无线智能 传感器具备低造价、低能耗、多功能、尺寸较小以及短距离通信等特点。传统 的健康监测系统中传感器的布设通常需要大面积布线，因为受成本和技术限制， 所能监测范围十分有限【5 1 。5 3 】，对复杂环境适应性一般较差。而使用无线智能传 感器的无线传感健康监测系统具有测点布设范围更广、成本低、适应环境能力 强，可以长时间在线监测等优势，因此更加适用于大型桥梁健康监测系统 5 4 - 5 6 1 。 采用无线智能传感器的无线传感器技术的诸多优点使得其应用领域非常广 泛，在分布面积大、测点多、有线连接困难等地方都能发挥其优势。可以说无 线传感的使用给现有的监测方式带来了一次重大的改革，为结构健康监测的整 体发展带来了质的飞跃【5 1 m 0 1 。桥梁健康监测也必然随之进入一个全新阶段。 1 3 存在的问题及发展方向 目前，桥梁健康监测系统在相关理论研究以及工程完成都取得了一定成绩， 但仍存在一些不足【6 1 删： ( 1 ) 采集精度不高、传感器耐久性方面的不足、系统运行效率不高等仍是 桥梁健康监测测系统中起着重要作用，桥梁健康监测系统对传感需要着重解决 的关键点，也是一大难点。 ( 2 ) 从相关研究可以看出传感器的优化布设在桥梁健康监器的类型及数量 的选择要求极高，这也增加了建立桥梁健康监测系统的难度。 ( 3 ) 由于桥梁本身复杂以及系统的所处环境的复杂性使得系统存在诸多不 确定性因素，这给建立桥梁健康监测系统也带来不小的难题。 综上所述，桥梁健康监测系统不仅反应了桥梁设计合理性以及监测系统的 健康性，还从某程度上也成为了桥梁研究的良好平台，随着桥梁设计抗风、抗 震领域逐步发展以及新材料、新工艺的出现，必然将引发桥梁的新发展。因此， 桥梁健康监测的重要性显得尤为重要，其中所涉及到的问题需要重点研究。 5 武汉理工大学硕士学位论文 未来大型桥梁健康监测系统的研究发展方向主要体现在以下5 个方面【6 5 石7 】： ( 1 ) 采用智能控制以及其他先进控制对桥梁健康监测系统进行实时控制； ( 2 ) 传统桥梁健康监测系统中在信号传输测试线上的不足，采用无线监测 方式进行健康监测大大节约成本，也避免了信号测试线老化引起工作失效，也 更加适用于对潜在危险地进行监测。 ( 3 ) 引入网络技术等现代新兴手段，实现数据与信息的共享，使桥梁健康 监测系统更为实用有效。 ( 4 ) 加强对自动损伤系统的研究，融合多种技术手段如数据处理、识别系 统等，以得到更加完善的桥梁健康监测自动控制系统。实现对桥梁各处健康状 态的控制目的。 ( 5 ) 桥梁的剩余承载能力和结构系统可靠度的研究。 1 4 本文的主要内容 在桥梁健康监测工作中，数据采集与处理是整个监测系统中重要的环节。 与传统的桥梁检测方法相比，大跨度桥梁健康监测系统传感器种类多、数量大、 信号传输与存储的实时性要求高，这对数据采集和与处理系统提出了很高的要 求。本文的主要任务是对现有健康监测技术进行分析，结合桥梁的特点和光纤 光栅传感器的优点，研究基于光纤光栅健康监测数据采集与处理系统的总体方 案。全文共分5 章，各章主要内容如下： 第1 章绪论。首先介绍课题的研究背景及其意义。接着介绍了国内外桥梁 健康监测的研究现状，以及桥梁监测所面临的问题和发展方向。 第2 章监测系统总体设计。本章介绍了桥梁健康监测系统的设计准则和内 容；研究桥梁健康监测系统的基本框架、软件结构、拓扑结构、系统模式。针 对健康监测系统中数据采集与处理系统是基础，研究和设计基于光纤光栅桥梁 健康监测数据采集与处理系统的设计方案。 第3 章基于光纤光栅传感的数据采集系统研究与设计。本章介绍基于光纤 光栅传感的数据采集系统的组成，分析了光纤光栅传感器的传感原理和优点。 接着对基于光纤光栅传感器的采集系统进行软件设计和研究基于网络采集的关 键技术。最后将采集系统的程序得以具体实现。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章数据处理系统的研究与设计。本章针对采集过程中出现的问题进行 针对性的处理。分别从异常波形、信号的平滑和突变信号三个方面进行了处理。 处理后的数据经过数据安全预警系统后存储到数据库里面以供调用。 第5 章结论与展望。对全文进行总结，并在理论研究与计算机仿真的基础 上，指出存在的不足问题，并提出需要完善的方面，最后对桥梁健康监测系统 的发展前景进行展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章桥梁健康监测系统的总体设计 本章首先介绍基于光纤光栅传感健康监测系统的设计准则和主要监测内 容；接着了解桥梁健康监测系统的总体结构、软件结构、拓扑结构；介绍监测 系统的体系结构即系统模式；最后研究和设计基于光纤光栅桥梁健康监测数据 采集与处理系统的设计方案。 2 1 设计准则与监测内容 桥梁的长期监测系统是为桥梁管理服务的，其目的是逐步减少定期封桥检 测的时间周期，降低桥梁的维修和养护费用。因此，桥梁的健康监测系统应充 分借鉴过去已有的健康监测技术、监测项目和监测实例，还要应用先进的技术 进行长期的健康状况监测。 桥梁结构健康监测系统是一个集结构分析技术、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。为使桥梁健康监控系统 具有强大功能并能长期用于结构健康评估，满足大桥养护管理和运营的需要， 同时又具较高经济效益，其设计应遵循以下准则： ( 1 ) 设计桥梁监测系统必须要满足功能要求同时具有低成本高效益的特 点； ( 2 ) 遵循简洁、高效实用、高可靠性、成本适中的指导思想； ( 3 ) 由于系统中传感器设备种类繁多，现场环境恶劣，因此在系统设计中 应对这些传感器设备进行远程设置和控制； ( 4 ) 健康监测系统应易于管理和操作，避免因复杂操作所带来困难和失误。 系统应具有方便地升级和更新换代功能，以免因为系统功能的调整而破坏整个 系统； ( 5 ) 监测与结构安全性密切相关的信息部位； ( 6 ) 从动静力、耐久性对桥梁结构进行监测，采用实时监测和定期检测相 结合的方法； ( 7 ) 系统应能够适应世界桥梁健康监测的发展方向，于是应具有可扩展性。 监测系统的监测内容包括环境状况、结构静力、结构动力、船舶撞击、地 8 武汉理工大学硕士学位论文 震反应。监测手段采用布置传感器的实时监测与人工定期检测相结合的方法。 监测系统按监测方式可分为实时监测和定期检测。如表2 1 所示。 考虑桥梁的结构受力特点和健康监测的要求，以斜拉桥作为主要监测对象， 初步拟定长期实时监测项目为桥梁结构的荷载监测、桥梁结构的应力监测和桥 梁结构的温度分布监测。为了更全面掌握桥的健康状况，根据斜拉桥自身的结 构特点，推荐监测内容为环境监测和位移变形监测。 表2 1 监测系统的分类 2 2 桥梁健康监测系统的总体结构设计 2 2 1 桥梁健康监测系统的总体结构框架 桥梁健康监测系统一般可划分为传感器子系统、数据采集与传输子系统、 数据处理与分析子系统、数据管理子系统、安全评估子系统。上述各部分共同 构成一个有机的整体，每部分都不可缺少。其中数据分析和处理系统是完成 桥梁健康监测目标的关键环节。桥梁监测系统的总体设计如图2 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 传感器子系统获取现场的数据信息，光纤光栅应变、温度传感光波长信号 经光缆引入控制室，经过解调后信号可由计算机直接处理。其它传感器信号先 经过信号转换，由光纤将其传输到桥梁监测控制室。由于光纤传输的是光信号， 需要首先采用光电转换模块将其还原为电信号，然后采用相一致的通信协议与 数据采集系统进行通信，获取相应的数据信息后，经过相关的数据预处理操作 将监测的信息存入数据库。所有监测数据由数据库管理系统处理后形成桥梁状 况监测综合数据库。利用该数据库，桥梁健康状况评估专家系统能依据各种静 动力指标综合评估桥梁的健康状况，评估结果制成报表形式及时通过i n t e m e t 传 送至桥梁管理部门，为有关管理人员进行桥梁管理决策提供依据。 光纤光栅 应变传感器 光纤光栅 温度传感器 光纤光栅 位移传感器 自动 气象站 车辆 检测器 压力 传感器 加速度 传感器 光 电 转 换 器 解调 仪 数 据 采 集 系 统 安全评估k 二0 报警 数据库 服务器 数据分析 处理系统 萤i 峄 桥梁专家 管理人员 图2 - 1 桥梁健康监测系统结构 各单元主要实现以下功能： ( 1 ) 传感子系统的功能是感知桥梁结构的荷载等信息，并以电、光、声、 热等物理量形式输出，以反应相关量的变化，本系统传感器的信号输出有电信 号也有光信号。 ( 2 ) 光纤光栅解调仪的主要功能是将光纤光栅的中心波长值解调成数字信 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 号。 ( 3 ) 光纤传输的作用是将信息从一端传送到另一端，是信息的传输媒介。 它的容量大、衰减小、抗干扰性强，适宜远距离传输。 ( 4 ) 光电转换器主要功能是实现光电信号的互换功能。 ( 5 ) 数据采集系统将采集的实时监测数据经预处理后，存储到数据库服务 器中。 ( 6 ) 数据库管理子系统在整个健康监测系统中起到了纽带的作用。它不仅 可将实时监测的各种数据进行集中储存，而且存储的数据可随时调用，并为桥 梁评估系统的评估和桥梁管理部门的决策提供依据。 ( 7 ) 对存入数据库的有用信息进行相关的分析是数据分析和处理子系统的 首要任务。 ( 8 ) 安全评估子系统的主要工作包括： 1 ) 报告桥梁工作环境和载荷的变化情况； 2 ) 实时反映大桥的基本状态，包括主要部位的应力、温度状态； 3 ) 推断大桥主要构件有无损坏或累计性损伤； 4 ) 对大桥结构的承载能力以及将来可能出现的大风、地震、车辆等动力荷 载作用下结构的响应和安全性做出客观的评估； 2 2 2 桥梁健康监测系统的总体功能结构 v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 是快速、高效的开发工具，它在网络编程、数据库开发及 硬件操作方面的综合评价是最高的，因此选它作为桥梁健康监测系统的应用软 件开发平台。总体功能结构如图2 2 所示。 总体功能结构分为桥梁健康监测现场子系统和远程监控系统。现场工控计 算机软件系统包括数据采集模块，与远程监测计算机通信的通信模块、前期数 据预处理模块、数据存储模块和子系统维护模块。 监控系统包括现场监测系统、远端客户的通信模块、数据库管理模块和数 据分析仿真模块。数据库管理模块包括系统数据库、超域值数据库、存放原始 数据的原始数据库和健康状态数据库。为了实现远程客户的访问，还包括了w e b 服务器。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 软件系统结构图 2 2 3 桥梁健康监测系统的拓扑结构 数据库服务器是桥梁监测系统的核心，承担着监测系统的数据管理、存储、 分析、传输等功能：w e b 服务器是为其它机器访问数据库服务器提供中间层服务。 下图2 3 是该系统的拓扑结构图。 数据库服务器 w e b 服务器 一 八一1 一 逖i 一 w v n 远程管理 端浏龄器 工控机工控机 i 訾i ”i 管l 采集卡解调仪 l i 传感器 光纤传感器 图2 3 系统拓扑图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 桥梁健康监测系统的集成 桥梁健康监测系统，主要由现场自动测量系统、远程控制中心系统和分析 中心系统三大部分组成。其中，现场自动测量系统也被称为实时监测传感系统 主要负责采集各类传感器的信号，它受控于远程控制中心系统；远程控制中心 负责启动数据的采集，接收原始数据，同时对数据做一定的预处理和显示并把 处理过的数据发送给分析中心系统，当发现异常时进行报警；分析中心系统是 监测系统的重要组成部分，负责数据的进一步分析处理。它主要是根据桥梁的 多个状态参数来评价桥梁的健康状态，系统总体集成结构如图2 4 所示。 桥梁健康监测系统集成技术主要通过一个公共平台软件来完成，系统在该 软件平台下实现各功能软硬件之间的接口和调用问题。这一公共软件平台称为 系统集成的“核心软件 。它主要负责“指挥、“调用 和“驱动各个子系统 自动运行、数据的交互与通讯的实现、健康监测系统的所有软件和硬件的管理。 它还负责是否允许系统通过以太网、局域网和互联网实现数据的现场和远程传 输和交互。 系统集成的目标为： ( 1 ) 提供用户界面，使系统在用户界面上方便地对系统中的各子系统进行 统一控制和管理。 ( 2 ) 采用开放的数据结构，共享信息资源。 光缆 j 廿刀k 彻c 【 传数 r t 网络服务器监测中心 感 据 器 采 系集 统 仪 通讯服务软件 安全评估软件 t 数据库管理 网络管理软件 数据预处理软件 采集控制软件 现场自动测量 图2 4 系统总体集成结构图 系统集成拥有开放式的平台，可以方便建立统一的数据库信息，使得各子 武汉理工大学硕士学位论文 系统可以任意选择数据，使其发挥功能，从而使系统具有高效性。 系统集成通常具有多种体系结构( 即系统模式) 的选择。一般包含以下几 种：( 1 ) 主机终端模式；( 2 ) c s 模式，即c l i e n t s e r v e r 模式：( 3 ) b s 模式， 即b r o w e r s e r v e r 模式。以满足健康监测的多用户特点，使健康监测系统中各个 工作人员，包括管理者、决策者以及现场技术人员等都能技术了解桥梁的实时 状况。 c s 模式规定客户机与服务器之间共享数据与应用软件方式，属于分布式计 算机模式。其中，客户机是对用户服务做出响应，并将请求传给服务器。而响 应的服务器是指对客户端发出的请求做出响应进行受理，并管理相关数据资源， 最后将计算结果送到客户机。 随着i n t e r n e t 技术不断发展，单一的c s 模式已逐步不能满足要求，虽然 c s 模式交互性强、信息处理能力强、具有开放性。但其缺点也较多，如效率不 够高、安全验证机制不健全、对客户机性能要求较高、维护代价高。因此，在 以往单一的c s 模式基础上进而衍生出一种新的应用模式，即b s 模式。它是 一种在三层c s 模式结构在w e b 上应用的特例。 相比较c s 模式而言，b s 模式中客户机将用户界面从局域延伸至h l _ t e n l e t ， 得到所需内容，且在维护过程中只需修改服务端软件使其完成系统升级。因此从 中可以看出b s 模式可移植性强、一致性较高，更适用于健康监测系统的要求。 采用b s 网络三层结构模式的数据库远程信息系统可充分利用i n t e m e t 的优 势，在客户端只需安装浏览器软件，服务器端需安装w e b 服务器软件。 在b s 三层体系结构下，客户端浏览器、w e b 服务器、数据库服务器被分 割成三个相对独立的单元层次。任何一层的改变不影响其它层的功能。大大减 轻了客户机的压力，不用把负荷均衡的分配给w e b 服务器。事务处理等由服务 器完成，如计算和数据访问等事务，显示部分等由客户机完成。实现了开发环 境和应用环境的分离，便于系统的扩展、维护及管理。维护人员只需要对服务 器上程序进行更新来完成程序的维护工作，大大省去了维护人员的工作时间， 提高系统监测和分析的工作效率。b s 模式系统图如图2 5 所示。 数据访问 i - 返回数据 图2 5b s 模式系统图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第一层客户机是用户与整个系统的接口，用户通过浏览器向分布在网络上 的w e b 服务器发出请求；第二层服务器负责接受1 4 t t p 查询、修改等请求，然 后根据请求条件到数据库服务器获取相关数据，再将结果翻译成h t m l 及各种 描述语言，返回给浏览器第三层数据库服务器负责协调不同的w e b 服务器发出 的请求，并负责管理数据库。 2 4 桥梁健康监测数据采集与处理系统的方案设计 2 4 1 需求分析 桥梁管理部门最关心的问题是桥梁的结构安全状况问题。早期的桥梁管理 缺乏科学的检测手段和技术，很难对桥梁特别是大型桥梁的安全状况缺乏全面 的把握和了解，信息也不能及时反馈，也不能及时察觉桥梁的隐患，这样直接 影响到人民群众人生安全和利益保障。研究表明，得到科学管理的桥梁与其它 相比更经久耐用，更安全牢固。因此，桥梁结构安全监测要以保障桥梁安全营 运为主，为科学预警、适时维修、降低桥梁维护成本提供科学依据。 根据项目要求，传感器数据采集系统，应该能提供各种监测数据情况的自 监测功能。以斜拉桥为例的健康监测系统中，必须对对表2 2 的内容进行监测来 得到所需的变量。 2 4 2 桥梁健康监测数据采集与处理系统的功畿模块 利用光纤光栅应力传感器、光纤光栅位移传感器、光纤光栅温度传感器、 压电式低频加速度传感器等组成的光纤光栅传感桥梁健康监测系统，解决传统 电测手段很难解决的长期稳定监测等问题。 表2 - 2 监测内容统计表 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 从数据采集与处理的角度来讲，软件结构可划分为解调仪接收模块、网络 通讯模块、数据采集模块、数据预处理模块、实时显示模块、数据分析模块、 数据存储模块、历史查询模块等八个既互相独立又紧密联系的有机部分。模块 划分如图2 6 所示。 解 数据预处理模块 传感 调 ( 1 ) 毛刺 模块 仪 网 ( 2 ) 高频噪声 数据 _接 络 _ 叫数据收集卜 ( 3 ) 数据丢失 +实时显示模块 收 通 输入 讯 ( 4 ) 中心波长对应 模 块 ( 5 ) 突变信号 数据分析模块 ( 1 ) 异常警报 ( 2 ) 突发事件处理 上 数据存储模块 1 l 历史查询模块 图2 - 6 数据采集与处理系统功能模块划分 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 数据处理流程为：传感器开始采集数据，经由信号解调与采集模块后流向 数据的预处理模块、处理后的数据进入实时显示模块和数据分析模块、分析后 的数据进入数据存储模块。历史查询模块调用数据库里面的数据。采集模块负 责通过u d p 协议将光纤光栅解调仪的数据读出。数据预处理模块则根据监测要 实现的功能完成信号的参数及其特征提取和识别，同时动态显示现场监测的信 号数据。存储模块按照存储时间要求把采集数据存入数据库。 2 5 本章小结 本章介绍了桥梁健康监测系统的设计准则和内容；了解桥梁健康监测系统 的基本框架、软件结构、拓扑结构、系统模式。针对健康监测系统中数据采集 与处理系统是基础，研究和设计基于光纤光栅桥梁健康监测数据采集与处理系 统总体设计，包括需求分析和框架设计。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章光纤光栅传感数据采集系统的设计与实现 本章首先介绍基于光纤光栅传感器的数据采集系统的组成，分析了光纤光 栅的工作原理及优点，接着对数据采集系统进行了软件设计和研究其基于网络 的数据采集系统的关键技术。最后实现了数据采集软件的具体应用。 3 1 光纤光栅数据采集监测系统的组成 光纤光栅数据采集监测系统结构图如图3 - 1 所示。 图3 1 光纤光栅监测系统 ( 1 ) 光纤光栅传感系统 光纤光栅传感器是监测系统的传感部分，是监测系统必备的前提条件，通 过各种不同功能的光纤光栅传感器，将被测的不同形式的物体量( 如应变、位 移、速度、加速度和温度等) 调制为光栅的波长变化信息。由于从传感器输出 的信号为光信号，所以可以直接通过光缆进行远距离传输。 ( 2 ) 光纤光栅网络分析系统 该系统由光纤光栅解调器、光开关、光纤跳线组成。光开关的主要功能是 将多路光信号分别或一起进入光纤光栅解调器，可以弥补解调器通道数满足不 了工程应用的缺点。光纤光栅解调器的主要功能是将光纤光栅的中心波长解调 成数字信号。 该系统的功能是将光纤光栅传感器经光缆远程传输过来的光信号直接进行 数字量识别并以物理量的方式在计算机终端显示、记录或直接进入监测数据库。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 光纤通讯传输网络 该系统由光纤适配器、输光缆组成。光纤适配器的主要作用是以很低损耗 的方式连接光缆，避免工程现场的光纤熔接。单桥监控可以使用光缆以低损耗 方式远距离传输光信号并将传输信号引入中心监控室的信息处理及分析系统 上。 ( 4 ) 数据处理及分析系统 该系统由软件系统构成，运行在现场工控机上。该系统为专家评估系统奠 定坚实的基础平台，为准确地判断桥梁的健康性态提供可靠依据。在后面第4 章 将重点介绍。 3 2 光纤光栅传感系统 光纤传感器实质是一种用于检测光传输的装置，即检测光在光纤介质中传 播时因光纤材料所在环境中某参量变化( 化学量、物理量或生物量等) 而引起 的光传输特性的变化。 光纤传感器有多种分类方式，按是否对测量的信号进行调制可分为非本征 型和本征型两类。非本征型光纤传感器中的光纤只起信号传输作用，由另外的 探测装置对载波光进行调制获取信号，所能测量的信号及检测原理比较简单。 非本征型光纤传感器中的光纤与普通传感器中的导线作用相当，因而还不能称 为严格意义上的光纤传感器。本征型光纤传感器不仅传输信号，还起传感作用， 即通过光纤自身的光敏效应、双折射效应、法拉第效应、光弹效应、荧光效应 等把待测量调制成波长的变化或者光的相位、强度、偏振。因此本征型光纤传 感器又被称为功能型光纤传感器或内调制型光纤传感器、全光纤传感器。通常 所说的光纤传感器均指本征型光纤传感器。 光纤传感器按照测量的空间分布情况可以分为准分布式传感器、分布式传 感器和点传感器。前两种传感器是光纤传感器所特有的功能，也是传感器技术 的根本变革。实现了用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数 分布。光纤传感器系统的基本原理如图3 2 所示。 按传感机理分类，光纤传感器可分为干涉型、强度型以及光纤布拉格光栅 型三种，这三种类型的光纤传感器具有各自不同特点，见表3 1 所示。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 2 光纤传感器系统示意图 表3 1 是各类光纤传感器的比较 从表3 1 可以看出，光纤布拉格光栅不仅具有“干涉型 和“光强型 光纤 传感器的优点外，还