基于专家系统的桥梁在线智能监测系统设计

郭晓妮 潘 严

(中冶(北京)交通科技发展有限公司，北京 100176)

0 引言

随着交通建设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨度的桥梁相继建成，人们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注和重视。桥梁健康监测系统和智能控制技术正成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热点[1]，对于不同类型的桥梁建立了各种规模的桥梁健康监测。桥梁在线健康监测技术是在桥梁体的关键部位安装一些传感器件，实时在线监测这些监测点所采集的结构参数在桥梁运营过程中的变化，通过对这些结构参数的分析和处理，综合评定桥梁的安全服役状况。

1 桥梁监测系统设计基本原则

通过对现场实地考查，需要紧密结合桥梁实际情况，根据系统功能要求，本次方案设计依据以下基本设计原则:

1)实用性原则。选用的设备符合ISO，IEC，DIN标准和设备生产厂家所在国的现行标准[2]，或其他与之等效的标准。采用先进可靠的技术和设备，在性能和价格的矛盾处理中，达到经济、实用和有效的效果。

2)开放性原则。系统采用开放的标准和协议技术，如TCP/IP协议。设备组成合理，具有良好的互换性和通用性[3]，有利于系统的扩展与其他系统的互联，易于系统的设备管理和维护。

3)高可靠性原则。自动化控制系统采用总线的控制结构方式，服务器采用原装品牌机，对各种电磁干扰和防雷的考虑，都为系统的可靠性、可用性提供了良好的技术与工程保障。系统采用的设备选用易于安装，简单易懂，便于推广和应用的产品。

4)先进性原则。系统的设计起步要高，一次设计，分步实施，系统容量易于逐步扩充。系统采用了先进而成熟的技术。系统的组网采用成熟而先进的以太网与广域网、INTERNET网络相结合的方式[4]，符合技术发展趋势。

5)易用性原则。整个系统必须易于管理、安装和使用，系统必须具有良好的可管理性，必须在充分满足现在的自动化控制应用的基础上，为以后的各种应用奠定基础，同时系统应该具有很高的资源利用率。

6)可扩展性原则。系统设计不但考虑到近期使用目标，同时也要为系统的进一步扩展留有发展的空间和余地，应进行统一的规划和设计，使得系统在规模与性能上具有良好的可扩展性。

2 桥梁监测系统总体设计

2.1 系统的设计思路

桥梁在线智能监测系统意在为桥梁监测提供最优惠的解决方案，从测量传感器到监测中心软件，力求整个监测系统性能稳定、可靠性高，测试精度满足要求，在施工和运行阶段可以长时间不间断地对目标参数进行监测。为保证可靠性原则，将温湿度、应变量、加速度、动位移、倾角、风速风向等信号的采集和处理集成在一个系统[5]。数据采集仪放在桥头基站中，位置布置保证导线距离最短，节约成本。预处理计算机对测试数据进行实时分析，并且将实时分析的特征值传输到远端的数据中心。

2.2 系统的设计目标

1)系统容量目标。用户量，同时在线50人以上。业务的复杂度，传感器采集→数据存储→数据过滤→上传→系统展现、分析→系统预警。

2)系统性能目标。系统达到以下性能指标:99.999%总体可靠性;基于服务器(数据库服务器和应用服务器);基于可靠的数据库服务器;辅之各种安全手段:防火墙、数据库备份等;50个并发连接。处理速度:传感器采集速度:同时30个传感器进行采集，15 min;最高采集频率:500 Hz。数据库查询速度:一般查询5 s之内，复杂查询30 s之内;上传数据速度:GPRS:每秒10 K;3G:每秒100 K;接口处理能力:文件导出和导入均在5 s左右。

3 系统的网络架构设计

系统的总体架构采用网络拓扑结构，结构如图1所示。

4 系统软件设计

监控中心的作用是接收现场终端上传的数据，可以将各个传感器的数据保存起来供以后分析使用。同时监控中心软件还应具有警情提醒的功能，当终端设备出现警情时，要能提醒工作人员紧急处理。

设备作为TCP客户端会主动访问位于监控中心的TCP服务器，服务器有多种架设方案，比较经济和可靠的方案是采用固定IP上网的方式，终端设备访问该固定IP即可连接上服务器。采集设备还提供了上位机驱动库函数和众多开发平台的示例程序，用户可以基于这些资源轻松编写出具有自己特色的监控中心软件。

4.1 系统功能设计

1)系统主界面为各个传感器的数据显示窗口;采集设置主要功能为设置采集的周期、频率、各个设备的预警值;

2)定时采集主要功能为启动定时采集，并且可以选择指定传感器采集以及全部采集;

3)手工采集主要功能为手工指定传感器采集数据;

4)预警事件主要功能为显示超过预警值的传感器数据，其中数据可以追朔前后24 h的数据;

5)历史查询主要功能为查询系统历史采集的数据，根据时间、传感器类型条件进行检索。

统计报表主要功能为根据采集的历史数据系统自动计算汇总并生成统计日报、周报、月报，供决策管理人员进行分析。

4.2 开发技术

采用嵌入式技术，基于微软公司的WinCE进行开发。微软公司的WinCE系统作为移动设备的操作系统，具有性能稳定、操作友善、开发便捷等优点，微软公司为WinCE系统做长期的技术支持和版本更新。同类产品例如Linux等操作平台均不具有操作友善、开发便捷等优点，所以选择WinCE。

4.3 数据库

服务器采用数据库MICROSOFT SQL SERVER 2008，此数据库拥有良好的企业级应用性能，能够满足一般企业级应用。连接池管理机制，系统将依照ODBC规范，依托VS2005平台，使用连接池管理机制。连接池的配置采用按应用服务器配置的策略，即在每个应用服务器上，根据其可能访问的数据库及其频度，为每个数据库配置一定数量的连接。连接池的管理机制完全依赖DataSet实现。

4.4 系统安全

系统安全性方面的框架设计由以下几个方面组成:

1)设备应用端安全。主要利用设备权限认证的安全性保证。如页面访问权限控制，将采用密码口令认证，区分不同用户的使用权限。

2)服务器端授权。是否允许操作、操作的数据范围、体现管理体系上的逐授权。操作权限:定义参与者可以访问系统功能的访问控制列表(ACL);数据权限:定义具体操作对象(业务数据)的范围，即应用系统应保证应用数据的安全性。对于不同的角色和不同的数据对象，在系统管理子系统提供了统一的数据安全授权机制。管理权限:定义管理范围、授权范围。

3)服务器接口安全性。通过接口身份认证的方式实现。

4)安全审计。对登录、访问、数据、授权的查询、统计、分析等审计。

5 结语

该系统综合应用了高性能、高精度和带隔离抗干扰的数据采集硬件模块和保证高可靠性的开发模块，不仅满足了桥梁监测系统对抗环境恶劣性、实时性和长期运行稳定性的要求，也大大缩短了系统开发周期，节约了开发成本。系统经过了试运行阶段，取得了良好的效果。

[1]AASHTO.The Manual for Bridge Evaluation[J].American Association of State Highway and Transportation Officials，Washington，DC，2008(8):96-97.

[2]CJJ 99-2003，城市桥梁养护技术规范[S].

[3]王建华，孙胜江.桥梁工程试验检测技术[M].北京:人民交通出版社，2004.

[4]Kitahara M，Achenbach J D，Guo Q C.Neural Network for Crackdepth Determination from Ultrasonic Backscattering Data[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，1992(11):701-708.

[5]王毅娟.桥梁检测与监测技术的开发与应用[J].北京建筑工程学院学报，2003，6(2):34-36.