橋梁健康監測數據采集與數據傳輸子系統研究

摘要：文章研究了橋梁健康監測數據采集與數據傳輸子系統軟、硬件設計原則和異常數據剔除方法，根據橋梁特點及測點空間分布提出了集中式與分布式相結合的“一中心多站點”的數據采集模式，并結合實際工程應用，驗證了該系統模式的可行性和穩定性。

關鍵詞：橋梁健康監測系統；數據采集與數據傳輸；傳感器；預處理；異常值

中圖分類號：U456.3 A 27 089 3

0 引言

橋梁健康監測系統主要包含數據采集與數據傳輸子系統、數據處理與管理子系統、結構智能預警子系統、用戶管理子系統等組成部分［1］。數據采集與數據傳輸子系統在整個系統中起著承上啟下的作用，為橋梁健康監測系統獲取數據源和遠程響應。橋梁健康監測涉及的傳感器的類型繁多、監測方式及通信協議復雜，且需要實時傳輸監測數據，對系統的兼容性、數據的融合性要求很高。

本文著重從橋梁健康監測數據采集與數據傳輸子系統的關鍵技術和應用進行研究，從硬件系統及數據采集與傳輸軟件進行分析，通過實際工程應用案例驗證橋梁健康監測數據采集與數據傳輸子系統的性能。

1 硬件系統分析

1.1 傳感器技術

傳感器技術是一種可以自動感知被測物信息，能準確監測和傳輸某一特定信息，并按照一定規律轉換成可識別的物理信號的技術。傳感器處于橋梁健康監測系統的最底層，直接與橋梁結構作用來獲取監測信號，其性能好壞直接影響整個橋梁健康監測系統，對結構分析及評估起著決定性作用。

傳感器按信號特征可分為模擬信號、數字信號兩大類。模擬信號是指在時域上數字形式為連續函數的信號［2］，模擬信號輸出主要有電流、電壓、頻率等信號。數字信號是指離散的時間信號的數字化表示［2］，主要是將各類傳感器檢測信息轉換成可以識別的二進制數據。

國內現階段橋梁結構監測所涉及的傳感器和采集設備沒有一個統一的數據標準格式和接口協議，各類傳感器的生產廠家采用的硬件接口和通信協議也不同，導致數據采集層需要向下兼容不同的接口協議。橋梁結構監測數據類型多樣，數據格式各異，采集頻率不一致，從靜態數據低頻信號到動態高頻信號，在系統運行監測期間會產生海量的數據。

根據橋梁結構特點確定監測內容和監測方法，針對監測內容確定的傳感器對橋梁結構的靜力特性、動力特性和環境有較高的靈敏度和分辨力，監測的信息應能與結構有限元分析結果建立對應關系。

1.2 數據采集硬件系統

目前主流傳感器輸出信號普遍為模擬信號，這些信號計算機無法直接識別，需要經過信號轉換將模擬量轉換成數字量才能被識別。由于各類傳感器的感知方式和信號類型各不相同，與之匹配的信號解析和通信方式也不同。本文采用基于嵌入式系統的數據采集設備進行數據采集，數據采集設備主要功能是將傳感器輸出的信號進行信號調制，產生一個標準的信號并進行濾波去噪處理，然后通過模擬/數字轉換（A/D轉換）成數字量，計算機可通過串口或以太網進行傳感器數據的采集。數據采集設備根據采樣頻率的高低分為靜態類數據采集設備和動態數據采集設備。

橋梁健康監測系統包括環境、作用、結構變化、結構響應四大類監測內容。根據橋梁的結構靜力特征、動力特性和環境確定的數據采集方法及傳感器的響應特性選取數據采集設備。其中靜態數據采集設備分為數字量和模擬量兩類，主要用于采樣頻率低的傳感器，如振弦式應變計、壓力變送器、溫濕度儀、傾角儀、磁通量傳感器等。動態數據采集設備主要用于高采樣頻率的傳感器，如振動加速度計、索力計、位移計、風速儀等。

在數據采集系統的設計上需根據橋梁結構類型、橋梁跨度、傳感器數量、傳感器空間分布等特點，從適用性、經濟性、易維護性等原則進行采集設備選型，數據采集系統的布設可分為集中式、分布式。集中式數據采集將橋梁監測的所有傳感器匯集到一個監測中心進行檢測、控制。優點是系統簡單、易于控制、實時同步性好、采集設備需求少；缺點是線纜需求量大，橋梁跨度大和空間分布廣時造價較高、維護性差。分布式數據采集是根據傳感器的空間分布設置多個采集設備，形成多中心數據采集。優點是耦合性低、電纜耗材少、易維護、易于擴展；缺點是整個系統難控制，測點分布范圍小時造價高，時鐘同步性較差。

目前建設橋梁健康監測系統的橋梁基本上是長大橋梁，具有橋梁跨度大、測點空間分布廣、采集方式復雜、傳感器數量多等特點，根據以上特點開發一種結合集中式和分布式優點的“一中心多站點”的采集模式。該采集模式根據橋梁特點和傳感器空間分布特點布設多個數據采集站，通過光纖將各采集站與監測中心連接，實現在監控中心將各站數據匯集、集中控制。該數據采集系統框架如圖1所示。

2 數據采集與數據傳輸軟件分析

2.1 數據采集軟件

橋梁健康監測數據采集與數據傳輸子系統在硬件系統確定后，下一步就是數據采集軟件的開發。軟件的開發是整個系統的關鍵部分，軟件系統的魯棒性和穩定性直接決定了系統可行性。本系統采用C#基于WinForm的應用軟件開發，數據采集軟件通過兩種方式與硬件系統通信和進行傳感器的自動化檢測和控制：（1）使用SerialPort控件通過串口通信協議與硬件系統通信；（2）使用Socket API通過網絡協議與硬件系統通信。

考慮到不同類型采集設備的接口協議、數據格式和采樣頻率各異，采集軟件集成了不同類型傳感器、采集設備的接口協議和數據格式，可以靈活地根據監測內容自定義選擇不同廠家、不同類型的儀器設備進行組態化開發。采集軟件無須一橋一開發，可以有效地降低項目成本，縮短建設周期。

2.2 采集數據預處理

雖然采集設備對傳感器的輸出信號進行了濾波處理，但是監測數據中還有極少的異常值［3］，其主要是突變數據和失效數據。對于連續的異常數據，軟件基本無法判別，而本文針對離散的單點異常數據采用平均值剔除方法進行處理，對當前連續時間序列的100個測值進行移動平均值K計算。將當前測值F與平均值K進行對比，若測值F/Kgt;1.5則初判當前測值為異常值。程序自動對該測點進行采集，此時測值G再次與平均值K進行對比，若G/Klt;1.5則判斷為異常值；剔除該測值F；若G/Kgt;1.5則判斷該測值為離群值，進行異常預警。

上述異常值剔除方法可有效地剔除傳感器異常、采集設備異常和環境干擾等橋梁監測異常數據［3］。

2.3 數據傳輸軟件

數據傳輸軟件主要功能有自動存儲、離線備份、自動傳輸和遠程召喚等。數據傳輸軟件與數據服務器通信基于MQTT通信協議進行開發，MQTT協議是面向物聯網的輕量級網絡連接協議，其利用TCP/IP網絡進行采集和傳輸數據。該軟件基于JSON數據格式與橋梁健康監測系統進行數據交互，JSON是輕量級的數據交換格式，數據結構化強且易于程序讀寫，可以在不同軟件平臺之間進行數據交換［4］。

數據傳輸軟件采用輕量化的傳輸協議和數據交換格式可有效地減輕網絡壓力，同時滿足大量數據的實時傳輸。

3 系統的應用

西牛大橋位于G78汕昆高速公路（陽朔至鹿寨高速公路），建成于2019年。橋梁分左、右兩幅，全長均為 690 m。主橋跨徑組合為（70+2×125+70）m。主橋為預應力混凝土連續剛構橋。橋梁荷載設計等級為公路Ⅰ級。為了更好地研究該橋在運營期的結構受力狀態并進行風險評估，2020年在該橋的主橋部分實施了橋梁健康監測系統。

系統在該橋布設了環境溫濕度儀、振弦式應變計、壓力變送器、傾角計、振動加速度計、位移計6類共96個傳感器，進行了環境、作用、結構響應等內容的監測。系統對該橋采用靜態采集設備進行溫濕度儀、振弦式應變計、壓力變送器、傾角計4類靜態信號的采集；采用動態采集設備進行振動加速度計、位移計2類動態信號的采集；采用RJ-485和以太網進行數據的采集和傳輸。數據采集與數據傳輸系統框架圖如圖2所示。

數據采集與數據傳輸軟件可實時采集數據與傳輸數據至橋梁健康監測系統數據服務器，并能實現現場工控機進行遠程召喚功能。該軟件可以將原始數據和預處理后的數據進行自動循環存儲，當遇到網絡異常時進行數據備份，待網絡恢復后自動進行備份數據的傳輸。

4 結語

（1）本文研究了橋梁健康監測數據采集與數據傳輸子系統的硬件系統設計，根據橋梁特點及測點空間分布提出了集中式與分布式相結合的“一中心多站點”的數據采集模式。

（2）本文提出的平均值剔除方法可簡單有效地對采集的單點異常數據進行預處理，提高了系統的魯棒性。

（3）本文開發的橋梁健康監測數據采集與數據傳輸子系統在實際工程案例中經過了長期穩定地運用，表明該系統可以滿足健康監測系統對數據采集與數據傳輸的技術要求。

參考文獻

［1］徐五四，葉寧獻，陳夏陽.交通荷載監測中橋梁健康監測系統的應用［J］.交通世界，2020（23）：130-131.

［2］張宇峰，李賢琪.橋梁結構健康監測與狀態評估［M］.上海：上海科學技術出版社，2018.

［3］羅明明.橋梁健康監測系統數據處理與分析技術研究［D］.重慶：重慶大學計算機學院，2015.

［4］高 靜，段會川.JSON數據傳輸效率研究［J］.計算機工程與設計，2011，32（7）： 2 267-2 268.

收稿日期：2022-11-29