大型建筑結構安全遠程監控系統中的數據傳輸方法研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 傳感元件，它有一個最為突出的優點是感應的信息用波長編碼，而波長這個絕對參量不受光源功率的波動及連接或耦合損耗的影響。并且，很容易在一根光纖中連續制作多個光柵，與時分復用和波分復用技術相結合，所制得的光柵陣列輕巧柔軟，非常適用于作為分布式傳感元件埋入材料和結構內部或貼裝在其表面，對它們的溫度、壓力、應變等實現多點監測，且具有較高的靈敏度和測量范圍。當然，傳統的基于有線技術的傳感監控系統有著固有的缺點，其布線復雜、費用巨大，發生災害時線纜本身受損可能性較大，會影響整個監控系統的有效運行。近年來，隨著微處理器、無線通信等關鍵技術的快速發展和成本降低，使得基于無線網絡技術的傳感器替代傳統基于有線技術的傳感器成為可能。通過綜合傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠將各類集成化的微型傳感器協作地進行實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡[15]以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，構建出一個功能強、效率高、成本低的分布式傳感器系統。隨著傳感器智能化、低功耗、高可靠、高性能的發展，為遠程監控數據采集帶來了方便的同時，也增加了數據采集的復雜性和多樣性，對遠程監控軟件體系結構、通信信道和數據傳輸技術也提出了更高的要求。 數據傳輸技術隨著我國基礎設施建設規模的不斷壯大，需要進行結構安全遠程監控的大型建筑數量越來越多，被監控的對象分布也越來越廣，不僅分布在城鄉各地，有的甚至還地處邊遠。大型建筑結構安全遠程監控系統在應用領域不斷開闊的同時，對安全性、可靠性要求也越來越高。數據傳輸技術[16]是決定大型建筑結構安全遠程監控系統性能的一個關鍵因素，在大型建筑結構安全遠程監控中如果監控數據無法及時傳送到監控中心，都無法達到實時監控、預警和調度的目的。因此在選擇具體的通信方式時，需要綜合考慮系統實時性、容量、覆蓋范圍、可擴展性、可移動性、通用性、穩定性和可靠性、安全性，同時也要考慮設備和開發、實施、維護及運營成本等因素。隨著以互聯網和無線移動通信技術為代表的現代通信和網絡技術的廣泛應用，對分散在不同地點的現場和設備進行實時測量、監視和控制成為可能，而且成本不斷下降。寬帶互聯網絡[17]由于其帶寬較寬、接入靈活，選用其作為數據傳輸手段可以突破傳統結構監控僅靠人工目測、外觀檢測和現場人工靜態監測的局限，低成本地實現對大型建筑的動態遠程結構監測，并能適應視頻監控等數據量大、監控點多的復雜場合，但是互聯網的安全性和帶寬、延遲等性能指標很難滿足質量要求較高的遠程監控數據通信應用。1997年1月，首屆基于Internet的遠程監控診斷工作會議由斯坦福大學和麻省理工學院聯合主辦，會議主要討論了有關遠程監控系統開放式體系、診斷信息規程、傳輸協議及對用戶的合法限制。于此同時，由斯坦福大學和麻省理工學院合作開發基于Internet的下一代遠程監控診斷示范系統，也得到了制造業、計算機業和儀器儀表業的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的支持和配合。之后，由這些公司共同推出了一個實驗性的系統Testbed。Testbed用嵌入式Web組網、用實時JAVA和BayesianNet初步形成在Internet范圍內的信息監控和診斷推理。其他一些大公司也在他們的產品中加入了Internet的功能，如Bently公司的計算機在線設備運行監測系統DataManager2000可以通過網絡動態數據交換(NetDDE)的方式向遠程終端發送設備運行狀態信息，著名的NationalInstruments公司也在它的產品LabWindows/CVI以及LabVIEW中加入了網絡通信處理模塊，可以通過WWW、FTP、E_mail方式在網絡范圍內進行監控數據的傳送，法國“ALARM”研究組對生產過程的智能報警和監控系統進行了長期研究并在多個項目中進行了應用。而隨著無線通信技術[18]的迅速發展，基于GSM/SMS、GPRS和CDMA等數字無線移動通信的覆蓋范圍和通信質量日益完善，也開始應用于遠程監控，特別適合于移動監控點、監控范圍多變或者難以布線、有線通信網絡和寬帶接入無法到達的場所，但其帶寬較小、抗干擾能力較弱，只適合于要求不太高的場合。衛星遠程通信方式因其覆蓋范圍廣，可在全球范圍內提供連續準確的結構信息，給通信技術帶來了革命性的變化。盡管有眾多優點，但由于要花費巨額的固定設施投資和復雜的技術含量，且通信的時延也得不到保證，不適合推廣和應用，但可以作為無線傳輸的一種重要補充手段。 數據傳輸技術研究的重要性 數據傳輸的質量要求在數字通信中一般使用比特率和誤碼率來分別描述數據信號傳輸速率的大小和傳輸質量的好壞等，在模擬通信中常使用帶寬和波特率來描述通信信道傳輸能力和數據信號對載波的調制速率。一般通信系統中的主要指標包括：帶寬，在模擬信道中常用帶寬表示信道傳輸信息的能力，帶寬即傳輸信號的最高頻率與最低頻率之差，理論分析表明模擬信道的帶寬或信噪比越大，信道的極限傳輸速率也越高。比特率，在數字信道中，比特率是數字信號的傳輸速率，它用單位時間內傳輸的二進制代碼的有效位(bit)數來表示，其單位為每秒比特數bit/s(bps)、每秒千比特數(Kbps)或每秒兆比特數(Mbps)來表示。波特率，波特率指數據信號對載波的調制速率，用單位時間內載波調制狀態改變次數來表示，其單位為波特(Baud)，波特率與比特率的關系為：比特率=波特率單個調制狀態對應的二進制位數。誤碼率，誤碼率指在數據傳輸中的錯誤率，在計算機網絡中一般要求數字信號誤碼率低于106。由于大型建筑結構安全關系到國家、人民的利益，因此監控數據的傳輸對實時性、可靠性、安全性要求較高，而通信鏈路是整個系統容量和性能的決定性因素，因此在選擇通信方案時必須考慮以下幾方面的因素和指標：性能指標，包括數據傳輸帶寬、數據傳輸延時等指標；容量指標，包括主要信道覆蓋范圍、接入節點密度、可移動性等指標；可靠性指標，包括接通率、數據丟失率、誤碼率等指標；安全性指標，數據通信安全的能力，要求數據能保密、不易被破壞、篡改和竊聽，并可防重發攻擊；成本指標，包括通信網接入成本，設備、功耗和通信鏈路使用費用、通信設備維護費用等指標。 目前存在的主要問題大型建筑的遠程監控主要以結構安全數據的采集、傳輸和分析為主，其監控點眾多、監控數據類型多樣、數據結構復雜，一般對帶寬的要求不高，但數據傳輸的可靠性和保密性要求較高。對重要的大型建筑進行遠程監控時，其通信鏈路的可靠性和安全性有特殊要求時，可以采用小型大功率無線電臺、遠距離光纖專線、衛星通信或微波射頻通信等方式傳輸數據，但是由于其架設和運行成本較高，不易推廣使用。并且，一般橋梁、隧道、油井、水庫大壩和高速公路等大型建筑距離較偏遠、環境惡劣、范圍較大、通信條件有限、網絡布設較困難。同時，目前可用于測量監控的儀器設備其功能、型號及生產廠家很難統一，支持網絡化數據遠程采集通信協議也無法統一規范, 系統的兼容性和可擴充性很難保障。移動通信技術[19]的出現使人類擺脫了長期以來對有線通信線路的依賴和束縛，也解決了網絡布設困難的問題，其移動性、便捷性和即時性徹底變革了信息交流的方式，但是移動通信技術在賦予用戶通信自由的同時也帶來一些不安全因素。由于無線信道是一個開放性信道，容易受到人為的竊聽和破壞，通信穩定性也不如有線網絡，并且其帶寬較小、抗干擾能力較弱，使用范圍受到了一定的制約。由于和有線網絡的巨大差異，現有眾多的數據安全和可靠性保護的方案和技術并不能直接用于無線網絡。當采用internet作為數據傳輸技術的架構時，基于IPv4的TCP/IP協議沒有對鏈路進行保護，網絡上存在大量的安全漏洞和惡意攻擊，很容易使數據通信在最薄弱的環節泄密或被破壞。同時，由于網絡阻塞和通信信號干擾等因素造成單一鏈路通信出現故障時通信鏈路中斷，直接影響大型建筑的遠程監控，甚至引發重大安全事故、帶來重大經濟損失和人員傷亡、造成惡劣社會影響。遠程數據傳輸技術是實現大型建筑遠程監控的關鍵技術之一，它決定了系統的實時性、穩定性和可靠性等質量指標及建設、運行和維護成本等經濟指標。因此，如何在有限條件下合理保障大型建筑遠程監控的數據傳輸質量，是保證大型建筑遠程監控質量的一個重要環節。 本文的研究工作與內容結構本課題來自浙江省自然科學基金資助項目—※※※※※※※※※※※※方法研究(編號※※※※※※※)，主要研究大型建筑結構安全遠程監控系統中的數據傳輸方法。根據大型建筑結構安全遠程監控系統中監控指令與監控數據交換和傳輸的特點及要求，本文對現有的數據傳輸技術進行了分析、對比研究后，提出了一種適用于大型建筑結構安全遠程監控系統的混合通信技術，可以解決現有大型建筑結構安全遠程監控中的通信子系統標準化和開放性不足的問題，可以不依賴于單一的網絡協議、并支持多個鏈路的通信網絡。該技術采用層次式架構設計，運用現有的各種公用通信系統中成熟、商用和低成本的通信信道，通過靈活組合多種或多個通信信道構建混合通信鏈路，可以針對不同通信條件和通信要求的應用構建簡單、高效和安全的監控數據通信信道，提供備用、冗余和并行等多種工作模式，可以有效的保障在不可靠和不安全通信信道及各種惡劣通信環境中的監控指令與監控數據交換和傳輸，具有開放性、高效性和可靠性，并具有防破壞、防竊聽和防重放攻擊等安全特性。同時，本文基于該技術設計了一個用于大型建筑結構安全遠程監控數據傳輸的混合通信協議并用JAVA技術開發實現，在進行一系列的性能和功能測試后在某大橋結構損傷遠程監控系統中進行了實踐應用。本文組織結構如下：第一章介紹了課題背景和研究現狀，確定了研究內容；第二章對大型建筑結構安全遠程監控的數據交換要求和現有的數據傳輸技術進行了分析和對比研究后，提出了混合通信技術，并討論和分析了混合通信中的數據交換隊列模型及性能、各種通信信道傳輸時延；第三章提出了混合通信協議的層次架構，設計了各層的主要功能和層間接口；第四章，介紹了用JAVA技術開發實現的混合通信協議，對數據交換、可靠性和安全性處理等核心功能的實現進行了分析；第五章，對協議的功能和性能進行了測試、分析，并介紹其在一個示范性工程中的應用；最后一章，對全文進行了總結，展望了本文提出的混合通信技術未來的完善工作和進一步研究的方向。2 大型建筑結構安全遠程監控系統中的數據傳輸 大型建筑結構安全遠程監控系統數據通信的特點大型建筑結構[20]安全遠程監控的前提是從監控數據中提取能反映結構特性的參數信息，如應力、應變、溫度、速度、加速度、位移等局部或整體信號，再將它們傳輸到遠程監控中心進行數據的分析處理。但是，在不同的建筑結構中監測的部位和數據類型、數據量均有所不同，數據的傳輸速度、實時性、可靠性等要求也各不相同。數據采集頻度：以橋梁為例，監測系統按測試的頻度可分為定期監測和實時監測：定期監測主要是針對那些變化緩慢、同時也難于進行實時監測的物理量，例如大橋線形、自振頻率、振型和斜拉橋的索力等，這些物理量主要反映結構的一些固有力學特征或技術狀態；有一些物理量，如橋梁的強迫振動的振動位移、振動加速度、各桿件的動應力等，在有載荷通過時會出現較大變化，且其大小受各種隨機因素影響難于預測必須進行實時監測，對于這些物理量可采用觸發式數據采集監測。數據傳輸頻度：以水庫大壩為例，其低頻震動信號一般只需一天采集一次數據并傳輸即可，要允許系統工作在較低的數據交互頻度下，以降低通信成本和節約遠程系統的電源消耗；而對于重要的、實時監控性能和安全性要求較高的大型建筑需要提高結構監控數據的傳輸頻度，如結構損傷的監控閾值報警數據、遠程監控系統中需要下達的緊急指令，其數據交換的頻度和實時性要求就比較高，在數據傳輸時需要體現數據的優先等級。可靠性要求：大型建筑結構安全遠程監控具有重大社會、經濟和政治乃至軍事意義，其數據通信的可靠性能一向受到高度重視，特別是在信息戰興起的今天更是如此。監控系統在數據通信過程中需要交換的數據主要有各監控點采集到的監控數據和監控中心發出的監控指令，在數據通信過程中若傳輸可靠性較低將會引起數據的丟失而無人知曉，其中預警信息的丟失將會增高安全事故的發生率，而監控指令的丟失則無法完成相應的監控操作。另外，可靠性低引起的數據重復也會進一步造成通信鏈路的擁塞，從而導致重要的數據無法及時到達，而到達的數據若無法保證其正確性也將影響監控系統的判斷。為了達到萬無一失的可靠性，甚至需要采用多條鏈路并行或冗余的收發監控數據和監控指令。安全性要求[21]：大型建筑結構數據傳輸不僅需要具有可靠性，還應具有安全保密性。因為其監控數據涉及到國家利益、人民安危，非常敏感，在數據傳輸過程中若被非法用戶肆意篡改、竊聽、破壞，將會造成人心恐慌、引起社會的動蕩。例如在對三峽進行大壩結構安全監測時若被不良分子竊聽到結構特性參數，惡意篡改并散布大壩即將潰決的謠言后，而政府部門又無法提供切實、準確、可靠的結構數據信息證明大壩的完好，將造成三峽附近居民的慌亂，情緒失控，其后果不堪設想。因此為防止非法入侵，惡意破壞，就要做好數據加密傳輸和監控點認證等一系列安全性處理。數據和指令傳輸方式：一般的遠程監控多數采用一個監控中心系統通過通信子系統連接多個監測點子系統節點的方式構建，監測點子系統可以采用上位機和下位機的組合構建分布式、分級的監控系統。良好的系統構架方式可以讓各個子系統獨立工作，也可以通過數據交換協同工作，各子系統之間交換的信息主要是監控數據，包括傳感數據、狀態數據、報警信息和監控參數等；同時需要交換監控指令，如采集指令、控制指令和調度指令等。可以從本質上把這些信息抽象為消息形態進行表達和傳輸，可以簡單的把并行訪問變成串行訪問，把大型建筑遠程監控的遠程數據傳輸任務確定為進行安全、可靠、有效的遠程消息交換。 現有數據傳輸技術分析 一般性數據通信方式常規商用通信方式，可以用于民用的商用通信網絡，一般由電信營運商提供服務，具有性能穩定、成本低廉、技術成熟等特點，包括多種有線和無線通信技術，如窄帶調制解調技術、寬帶調制解調技術、LAN和ADSL技術、無線GSM和GPRS、CD