桥梁监测系统的软件架构设计

软件在桥梁监测系统中处于较为核心的地位。从时间角度，桥梁监测系统软件架构有一个从分散化到集成化，然后又到分布化发展过程；从桥梁规模上，从单桥监测系统到多桥监测系统然后到目前大规模桥梁集群监测系统的技术升级迭代过程；从工程实施上，有软件和硬件安装分别发包，有按桥梁打包发包，还有数据软件单独一家承担其他均分散发包的不同工作模式。如此，从设计角度，须基于现有的软件开发基础和条件，针对不同规模的桥梁监测和项目实施模式，对软件架构进行具体设计，以能够支撑所在项目的桥梁监测系统的实施和长期运维及数据分析。

第一部分.桥梁健康监测系统的组成结构

下图是香港昂船洲大桥（包括其他几座桥梁）在桥梁结构健康监测系统设计中标准的系统结构层次划分，

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系统分为四个部分：

Sensor System（SS）传感器系统

Data Acquisition and Transmission System(DATS)数据采集与传输系统

Data Processing and Controlling System(DPCS)数据处理与控制系统

Structural Health Evaluation System(SHES)结构健康评估系统

我们在学习前人经验基础上，对系统结构划分做了简单的改变和修正。基于对整个系统的理解，我们认为数据控制与采集更为接近，都是通过采集系统来实现其控制（改变采集设定的参数以及对传感器的远程诊断等）功能，所以与采集合并为“采集与控制子系统”，而将数据传输单列出来。于是我们给出的桥梁结构健康监测系统结构层次划分如下：

Sensor System（SS）传感器系统

Data Acquisition and Controlling System（DACS）数据采集与控制系统

Data Transmission System(DTS) 数据传输系统

Data Processing and (DPCS)数据处理与管理系统

Structural Health Evaluation System(SHES)结构健康评估系统

上述系统是从系统“纵向”来看，也就是说给定一种监测参数，比如加速度，那么加速度计就是传感器，采集加速度计的设备就是“采集系统”，对加速度最大值分析、时程数据显示以及简单的时频变换等就是“数据处理”，存入数据库系统或者从数据库系统取出以及存储策略等就是“数据管理”，通过加速度测量数据分析结构模态或者更深入分析结构损伤等就是“结构评估”。从横向来看，会有不同的监测参数。这种结构划分也比较符合信号—数据—模型—知识的信息处理流程。

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（1）传感器子系统

根据系统设计中不同的监测参数选择对应的传感器，传感器子系统中不包括软件，在设计中往往需要绘制传感器布点图，通过布点图能够审查布点位置和数量的合理性，同时能够精准统计传感器数量和型号。

（2）数据采集与控制子系统

数据采集能够把传感器获取的没有任何物理意义的模拟信号（电压、电流和光信号等）转换成数字化信号，同时信号转变成有物理意义的数据，如应变，振动等。不同传感器应用不同的采集设备进行数据采集，这部分需要设计传感器与采集设备之间的拓扑关系。对采集行为的控制，包括诊断，采集频率调整，时钟同步性设计等也通过采集设备来实现。数据采集与控制子系统包括硬件，也包括采集与控制和诊断等软件。

根据桥梁空间位置，在桥梁上布设多个采集站，DAU （Data Acquisition Unit ）。每个采集站可包含不同类型不同数量采集设备，同时配备共用的配电、数据汇线和往远端传输的交换机等。采集站只是具有不同采集设备在一个地点的位置意义，不能作为独立的子系统来看待。

有的传感器是无线传感器，无线传感器往往是把数字量向外传输。此类传感器内部集成了数据采集模块和无线发射模块，从系统结构上仍然与上述监测系统结构划分相符合。

（3）数据传输子系统

数据传输子系统包括各种数据传输线路和相关的交换机等设备。传输网络包括几种:①从传感器到DAU传输网络，暂且称呼为局部传输网络；②从DAU到桥梁交换机的传输网络，暂且称为二级传输网络；③从桥头交换机到监控中心交换机的传输网络，暂且称为“骨干传输网络”。和④监控中心的布线等。

随着通信技术的发展，之前从桥位到监控中心往往使用光纤，目前来看可以采用无线传输网络，比如4G网络。以往从DAU到桥头交换机也采用光纤传输，目前甚至可以直接从DAU将数据传输到监控中心，甚至直接上传到云端。

（4）数据处理与管理子系统

桥梁结构健康监测系统建设目的是获取数据，对数据进行处理，为桥梁安全评估和养护提供支持。数据处理包括两个层面，第一层面是计算机能够自动实现的，这部分工作划分在数据处理与管理子系统，第二层面是需要专业知识和专业软件，需要专业人士通过人机交互才能完成的，划分在结构健康评估子系统中。

数据处理与管理子系统主要包括：

能够自动实现的数据处理，如最大值统计，频谱变换，雨流统计，轴载统计等等。

数据显示与展示。

数据库，包括自建数据库还是把数据传到云端进行管理。

数据共享等策略和管理等。

（5）结构健康评估系统

结构评估系统不单单指桥梁承载能力评估，凡是需要知识模型，需要人工进行分析的计算统称为桥梁评估系统的应有功能。比如基于加速度数据的结构模态识别分析、结构损伤识别分析、汽车荷载模型统计分析、风荷载统计分析以及桥梁承载能力评估等，这些评估分析往往需要购买或者开发相应的专业软件。

第二部分 监测系统软件架构的演化

1.单桥监测系统的软件架构

上面的监测系统组成结构划分是传统的针对单桥的监测系统。早期单桥监测系统的软件比较分散，如数据采集软件集成在采集设备中，而且不同厂家设备的采集软件也不尽相同。如果把非振弦的电类传感器设计统一的采集设备，采集软件相对集成度要好些。数据分析和处理开发专门的软件系统。桥梁结构评估根据不同专业也开发不同的软件系统。

2.多桥集成化的监测系统软件平台

桥梁监测领域，目前主流的软件是集成化的平台系统，数据采集软件内嵌其中，同时能够对数据进行分析和展示，以及对数据进行数据库层级的管理。更为先进的是这些软件都拥有界面友好的数据大屏，有的开发数据驾驶舱之类的功能，使得系统展示更为直观和有效。

3.中台技术的引入

随着所监测桥梁数量越来越多，监测系统规模也越来越大，需要处理的数据量呈几何级增长，软件架构也随着迭代升级，最显著的特点是中台技术的引进。可以将系统划分成硬件中台（数据采集、硬件状态管理和对新加入设备的配置等）、数据中台（数据库、数据的清洗、数据压缩、数据共享和管理等）和业务中台（对数据的分析、展示、以及报表等）。从监测系统组成功能结构上可以推演出中台技术架构。

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①数据采集与控制子系统功能强化，升级为“硬件中台”，利于大量监测设备的状态管理和数据采集管理。

②数据管理与处理子系统功能分化，“数据处理”功能升级为各家业主的“监测平台”，仍然可以延续目前现有的监测系统平台的软件架构；“数据管理”从技术上升级为“数据中台”。

③由于省高速集团监测的桥梁数量较多，省高速集团的“数据中台”进一步升级为“省级数据平台”。即省高速负责省级数据平台建设。除了省高速集团以外其他的桥梁业主，其负责建设的桥梁监测系统不再包括数据中台模块，而统一使用省级数据平台，由省级数据平台代替自家数据中台。

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