桥梁结构健康监测系统中气象监测数据的接入分析

钟　东

（南京长江隧道有限责任公司，江苏 南京 211800）



桥梁结构健康监测系统中气象监测数据的接入分析

钟东

（南京长江隧道有限责任公司，江苏 南京 211800）

摘要：为充分利用已有资源，在新建桥梁健康监测系统的同时，需要将已有监测系统的监测数据接入健康监测系统。文章在已有气象监测系统基础上，从硬件和软件方面进行设计，将气象系统监测数据接入到桥梁健康监测系统，并成功地应用于南京夹江大桥，实现了对该桥气象监测数据的分析。

关键词：桥梁工程；结构健康监测系统；气象监测系统；数据传输

桥梁是交通的关键枢纽，承载着大量的交通运输任务，一旦桥梁损坏，将会严重制约交通运输经济的发展，甚至会严重威胁到人民的生命及财产安全。为了对桥梁的功能性、耐久性及安全性进行评估，桥梁健康监测应运而生，并成为时下关注的热点。桥梁健康监测系统可对桥梁的应力、变形、环境因素等数据进行采集，全面评估桥梁特性从而保证桥梁安全及使用者的安全［1］。

环境监测是桥梁健康监测系统的一部分，由于部分桥梁已经应用了气象监测系统，对影响桥梁状况的环境因素数据（风速风向、空气温湿度等）进行了采集和分析，为避免重复采集环境数据，需要将气象监测系统的数据传输到新建桥梁健康监测系统，并保证数据正常使用。本文结合南京夹江大桥健康监测系统的建立，从硬件和软件两个方面进行设计，验证系统的可行性。

1　健康监测系统中气象系统的接入设计与实现

为了将气象站的相关数据实时传输到结构健康监测系统中，关键是解决数据传输与数据共享的问题［2］。气象站监测系统的传感器分布在桥梁的不同位置，需在硬件方面制定相同的通信传输协议以局部无线、全局有线的方式实现数据的安全传输，将数据存储到结构监测系统服务器。由于结构健康监测系统与已有的大桥气象站监测系统采集的数据格式并不相同，需通过软件设计制定相关的数据存储格式，实现数据共享。

1.1硬件实现

结构健康监测系统与气象监测系统在硬件方面主要通过无线与有线相结合的方式进行数据传输，并制定安全策略保证数据的安全。

1.1.1无线与有线传输

桥梁结构健康监测系统是基于已存在的交通工程三大系统，采用有线的方式进行传输，而气象监测系统的传感器是分布在桥梁的不同位置，部分传感器的安装位置是现有线缆达不到的。因此，基于桥梁结构健康监测系统的TCP/IP网络传输协议，制定相同的网络传输协议，采取局部无线、全局有线的异构网络实现数据传输，将采集的数据上传到本地服务器，然后再上传至数据中心，其网络拓扑图如图1所示。

图1　无线与有线传输网络拓扑图

1.1.2数据传输安全

由上一节的网络拓扑图可知，出于安全性考虑桥梁结构健康监测系统，所有的数据传输都是在内部网络（局域网）内完成的，不能和外网或者互联网相通。远程客户端只能通过互联网（Internet）访问，不能随意地对内部网络数据进行访问，其网络层次结构如图2所示。将气象站监测的数据接入桥梁结构健康监测系统的同时，必须确保内网的绝对安全，又必须将内网中服务器的相关数据传送到外网，这是网络传输安全的技术关键［3］。基于此，对数据传输安全做了如下需求分析，并通过技术分析给出解决方案。

图2　网络层次结构图

（1）需求分析

①内网服务器需要将数据传送（备份/镜像）到一台具备Internet连接的服务器上

②所有具备Internet连接的主机均不允许访问内网；

③内网到Internet仅允许条件①中所述的数据传送，其他访问一律拒绝。

（2）技术解决方案

①采用Cisco ASA 5500系列自适应安全设备将服务器A和服务器B连通，其中服务器A连接在内网（局域网）区域，服务器B连接在互联网（Internet）区域。

②默认情况下，ASA 5500会阻断所有从互联网（Internet）区域发往内网（局域网）区域的连接。

③内网（局域网）区域发往互联网（Internet）区域的连接仅开通服务器A到服务器B数据传送端口的连接。

④ASA 5500具备入侵检测、病毒检测、准入控制的扩展能力，网络的安全性可以得到进一步提升。

1.2软件实现

气象自动监测站采集的数据存储方式，与结构健康监测系统采集的数据存储方式并不一致，结构健康监测系统并不能使用气象自动监测站的数据，因此需通过软件实现（开发工具VC6.0，Labview）。软件规定统一的数据存储格式，即将采集的数据按照统一的格式存储到文本文件中，来实时地获取气象监测站的数据。

1.2.1数据存储格式

气象自动监测站监测数据存储采用字符格式，数据文件采用文本格式，与结构健康监测系统的数据存储格式保持一致。所有站点下的传感器同一时次数据均写在一个文本文件中。文件采用指示码+时间命名方式：其中时间均取两位数字，不足前面补0，“秒”的取值为“00”，如2015-09-16T08∶02的数据文件应命名为ST150916080200.txt。其数据存储格式如表1所示。

表1　数据储存格式

1.2.2数据存储时间要求

数据文件每2 min存储一次，即每小时30个文件。每小时起始时刻为00分00秒，结束时刻为59分59秒。数据存储要求如下：（1)提供能够自动定时下载的客户端程序，下载客户端能够设定自动下载的时间间隔（以分钟为单位），默认设置为每2 min下载1次；（2)为保证数据安全，数据文件应定时按日期打包存储，长期保存。及时清理分钟数据文件，正常情况下保留2天的列表文件。

2　工程应用

夹江大桥全长665.5 m，主跨248 m，为独塔自锚式悬索桥，主塔高107 m；双向6车道，主桥两侧设有人行道，供行人步行过江［4］。为了更好地为桥梁管养服务，大桥安装了健康监测系统，系统主要包括下列3个子系统：传感器子系统、数据采集与传输子系统和数据管理与控制子系统。

夹江大桥健康监测系统划分为环境监测、结构响应监测以及动态称重三大部分，其中环境监测利用已有的气象站数据，主要包括风速风向、大气温湿度、路面温度及结构温度数据［5］。桥梁传感器的布置如图3所示。

图3　夹江大桥健康监测系统测点总体布置图（单位：cm）

2.1风速检测

风速、风向传感器安装在主塔塔顶处，图4为2015-03夹江大桥主塔塔顶处的风速情况。夹江大桥主塔塔顶位置平均风速为3.92 m/s，实测风速最大值为19.35 m/s，2 min平均风速最大值为13.42 m/s，相当于6级风（10.7 m/s~13.8 m/s），10 min平均风速最大值为12.13 m/s。

图4　2015-03夹江大桥主塔塔顶实时风速变化图

2.2大气温度、湿度监测

温湿度传感器位于主跨跨中下游侧箱梁内和主跨跨中桥面连系梁，图5及图6分别为空气温度与湿度的变化趋势。由图5可知，2015-03主跨跨中下游侧箱梁内及主跨跨中桥面连系梁上两处大气温度变化规律较为一致，符合实际环境的变化情况。由图6可知，主跨跨中下游侧箱梁内及主跨跨中桥面连系梁上两处大气相对湿度变化规律略有不同，其主要原因在于主跨跨中桥面连系梁的湿度传感器暴露于大气环境之中，受环境影响较大。

2.3路面温度监测

路面温度传感器位于主跨跨中下游桥面，图7为路面温度的变化趋势。路面温度的平均值为9.3 ℃，最大值出现在03-26，为27.8 ℃；最小值出现在01-01，为-5.9 ℃，温度最大差值为29.9 ℃，属正常范围之内。

图5　2015-03夹江大桥空气温度波动趋势

图7　2015-03路面温度波动趋势

2.4结构温度监测

夹江大桥温度监测分为主跨结构

温度监测、边跨结构温度监测。图8为2015-03主跨7/8截面上游侧温度变化趋势，最高温度为40.2 ℃，最低温度为-3.5 ℃。由图8可以看出，随着气温的上升，主跨结构温度差整体上呈现逐渐上升的趋势，主跨结构温度状况变化属正常范围。图9为2015-03边跨主塔主梁处截面温度变化趋势，由图9可以看出，混凝土结构温度整体变化趋势较为一致，且上下游温差变化较为平稳，因而该季度桥梁混凝土结构温度传感器运行良好，桥梁状况良好，无异常。

图8　2015-03主跨7/8截面温度波动趋势图

3　结语

通过硬件和软件设计，制定规范统一的协议，本文所设计的桥梁结构健康监测系统成功地将原有气象站自动监测的数据接入到结构健康监测系统，实现了对风速风向、大气温湿度、路面温度及结构温度数据的采集、传输和分析。目前该系统已在南京夹江大桥上得到应用，其设计与实现可供类似工程参考。

图9　2015-03主塔主梁处截面结构温度波动趋势图

参考文献

［1］符玉梅，朱永，陈伟民，等．桥梁温度测量系统的设计开发［1］及应用［J］．公路，2005（8）：1-6.

［2］张明珊．基于GPRS网络的移动数据接入终端的研究与设［1］计［D］．杭州：浙江工业大学，2005.

［3］朱晓文，张宇峰．公路常规桥梁状态监测与安全预警技术［1］研究现［J］．现代交通技术，2013，10（4）：25-28.

［4］肖建平．夹江大桥施工工艺研究［D］．南京：东南大学，2006.

［5］唐浩，谭川，陈果．桥梁健康监测数据分析研究综述［J］．公［1］路交通技术，2014（5）：103-106.

Analysis of Meteorological Monitoring Data Access in Bridge Structural Health Monitoring System

Zhong Dong
（Nanjing Yangtze River Tunnel Co.， Ltd.， Nanjing 211800， China）

Abstract:To take full uses of existing resources， the monitoring data of the existing monitoring system need to be accessed with the new bridge structural health monitoring system. Based on the existing meteorological monitoring system， bridge health monitoring system is designed from hardware and software and applied in Nanjing Jiajiang bridge， thus the existing meteorological data can be used and analyzed.

Key words:bridge engineering； structural health monitoring system； meteorological monitoring system； data transmission

中图分类号：U446.2

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–027–03

收稿日期：（2016-03-28）

作者简介：钟东（1971-），男，江苏南京人，高级工程师，主要从事交通工程建设管理工作。