CN105719034A - 高速铁路桥梁评估预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及预警系统，高速铁路桥梁评估预警系统，包括一用于获取表征桥梁状态的历时信息与实时数据信息的数据采集子系统；所述数据采集子系统连接一信息处理子系统，所述信息处理子系统连接一状态评估与预测预警子系统，所述信息处理子系统将所述数据采集子系统获取的信息集成到所述状态评估与预测预警子系统；所述状态评估与预测预警子系统根据程序，对桥梁的状态做出评估，并根据评估的结果对桥梁运营状态发出预警信息。各群体分别在各自的软、硬件环境下运行，分别承担桥梁预警的不同功能，群体间协同工作，完成和实现桥梁保障桥梁安全运营的职能。

Description

高速铁路桥梁评估预警系统

技术领域

本发明涉及预警系统，具体涉及高速铁路桥梁预警系统。

背景技术

伴随着我国基础设施建设的飞速发展，大型复杂桥梁的应用越来越广泛，这些结构在长期反复荷载和运营环境的影响下将遭受损伤、侵蚀，造成结构性态变异，而危及桥梁安全。因此，如何保障桥梁运营期间的安全性，是目前桥梁工程领域的研究热点，而桥梁预警是目前研究的热点问题之一。

目前，国内外在桥梁预警领域进行了较为深入的研究，其最常用的成果是桥梁健康监测系统。从现有文献来看桥梁健康监测系统的研究大体从两方面开展：其一是桥梁健康监测的系统集成与软件实现，如JinjunGuo[1]将GPS系统与健康监测系统进行了集成，开发了HumenBridge健康监测系统，该系统能够完成完成风载、温度荷载、车辆荷载作用下的桥梁变形、固有频率等的监测；DanielA.Howell[2]把嵌入式计算机和数据记录器集成到ISBMS健康监测系统，应用蜂巢式数位分封数据调制解调器实现了监测现场与系统的串口通信；李惠等较为系统的研究了大型桥梁健康监测系统的集成技术，提出了以LabWindows/LabVIEW为核心系统，以数据库为中心的健康监测系统设计方法；李站明等基于Rabbit2000，从系统整体方案设计、网络调理器硬件电路，程序设计等方面研究了把桥梁数据自动化监测和工业以太网相结合的健康监测系统设计方法；张敏[5]等提出的东海大桥健康监测系统设计框架；程朋根[6]等按照桥梁健康监测系统的需求，将GPS技术、GIS技术、数据库技术和网络技术集成为一体，对桥梁结构健康监测与管理信息系统的实现机制进行了较为详细的阐述。其二是桥梁健康监测系统的核心功能设计，主要涉及采集系统设计、数据处理、状态评估等方面，如周文松[7]等提出的数据采集方法中建议动态信号采用PCI采集卡或PXI设备，静态信号采用基于RSO485或LonWorks等总线的设备；柳旭[8]将遗传算法用于数据采集系统的传感器优化布置，采用近邻方法对监测系统采集的问题数据进行处理和印证，并应用决策树把桥梁健康监测智能评估系统数据库中的数据项映射到给定类别中，监测结果表明这一系列数据处理过程有利于更深层次的分析和利用采集到的数据；Jian-HuangWeng[9]等应用随机子空间和频域分解法对环境激励下监测系统采集的数据进行了分析，较为准确的提取了悬索桥的前10阶频率；DanM.Frangopol[10]等应用RELSYS方法完成了桥梁健康监测系统，完成了基于监测数据的状态评估算法；YoushengCheng[11]将模糊逻辑与基于案例的推理融合起来，研究了具有自学习能力的桥梁健康监测系统。目前有关桥梁健康监测的研究，为桥梁预警系统的设计与实现奠定了基础，但仍存在一定的不足，其中最为突出的是现有的健康监测系统的研究主要集中于系统集成和功能模块设计两方面，而在系统的体系结构，尤其是网络环境下的群体间的协同工作方面未进行深入的研究，成为了制约健康监测系统向预警系统的提升的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高速铁路桥梁评估预警系统，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

高速铁路桥梁评估预警系统，其特征在于，包括一用于获取表征桥梁状态的历时信息与实时数据信息的数据采集子系统；

数据采集子系统包括一传感器系统，传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器；数据采集子系统还包括联网信息采集系统；

温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器，分别用于采集温度、湿度、压力、位移参数；联网信息采集系统用于与外围计算机进行数据交互；

温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器，均采用无线传感器，所述无线传感器的电源输入端连接有一震动发电电源；

所述震动发电电源包括一压电陶瓷片，压电陶瓷片通过一整理稳压电路连接一蓄电电容，蓄电电容采用钽电容，胆电容后方连接有一施密特触发电路，进而连接所述无线传感器的电源输入端；

在胆电容电压超过一设定阈值时，施密特触发电路开始为无线传感器供电；在胆电容电压低于另一设定阈值时停止供电。

压电陶瓷片可以在下雨、刮风、车辆行驶中产生足够的电能，供无线传感器使用。

温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器埋设在高速铁路桥梁路基内。以实现无需外接电源的持久供电。

所述数据采集子系统连接一信息处理子系统，所述信息处理子系统连接一状态评估与预测预警子系统，所述信息处理子系统将所述数据采集子系统获取的信息集成到所述状态评估与预测预警子系统；

所述状态评估与预测预警子系统根据程序，对桥梁的状态做出评估，并根据评估的结果对桥梁运营状态发出预警信息。

高速铁路桥梁评估预警系统与传统的桥梁健康监测、桥梁管理等桥梁安全控制系统的差别在于系统的集成性、自动化、群体的协作性。各群体分别在各自的软、硬件环境下运行，分别承担桥梁预警的不同功能，群体间协同工作，完成和实现桥梁保障桥梁安全运营的职能。系统设计应使具有不同职责的参与群体(及其软、硬件系统)在物理、逻辑、功能上进行联动和协同工作，实现数据共享、模块共享和任务共享。

所述数据采集子系统、所述信息处理子系统、所述状态评估与预测预警子系统之间，可以通过数据线连接，各子系统之间设有配套的接口。

所述数据采集子系统、状态评估与预测预警子系统、信息处理子系统中可以分别设有数据采集子系统用网络传输模块、评估预警子系统用网络传输模块、信息处理子系统用网络传输模块，各子系统之间通过网络连接。可以通过网络基础设施传输，利用现有的网络传输协议，建立数据传输链路(通常是专用链路)，将标准化数据向指定位置传输。为提高数据传输的准确率，通常需要对现有的网络通信协议进行更改，增加差错检验功能。

所述数据采集子系统获取的信息包括桥梁设计群体信息、桥梁施工群体信息、定期的桥梁检测信息和/或实时的桥梁监测信息。

所述数据采集子系统包括传感器，所述数据采集子系统包括用于实时获取桥梁监测信息的桥梁健康监测模块。

所述数据处理子系统包括还包括一数据预处理模块，所述数据预处理模块连接所述数据采集子系统，所述数据预处理模块用于将所述数据采集子系统传来的信息转化为所述状态评估与预测预警子系统能够识别和应用的信息。这里的标准化可能涉及到的包括数据类型、数据长度、数据格式以及增加数据描述信息等。

所述数据处理子系统还包括一采集检测控制模块，用于调整所述数据采集子系统的设置。所述采集检测控制模块连接所述桥梁健康监测模块，用于更改所述桥梁健康监测模块的设置。所述采集控制模块可以根据不同的运营工况和赋存环境，适时更改所述桥梁健康监测模块的设置，以降低数据采集量。

所述数据处理子系统还包括一数据挖掘分析模块，所述数据挖掘分析模块用于进一步处理所述数据预处理模块处理出的数据信息，剔除其中的冗余信息，提高数据中蕴含的信息量。

所述状态评估与预测预警子系统包括一数据处理模块，用于依据后续评估所用的算法，对归一化的数据进行变换，使之能够被后续算法识别和引用。所述状态评估与预测预警子系统还包括构件评估模块、整体评估模块、基准模型修正模块、损伤识别与定位模块、时序预测模块、超越工况预测模块、维修计划模块、群体协同工作触发器模块、多尺度预警模块。其中数据处理、群体协同工作触发器和多尺度预警是实现群体间协同工作的关键。群体协同工作触发器是通过协同工作平台的任务分发器自动激活参与协同工作的所有群体，对系统自动生成的成果在线处理，并通过协同工作平台存储到数据库中，作为未来评判的参照，群体触发器的工作次数随系统运营时间的增加递减趋势；多尺度预警模块的功能是根据系统评判和群体干预的结果对桥梁运营状态发出预警信息，修正维修计划，更改分布式数据库中存储的采集控制和检测控制信息。

所述状态评估与预测预警子系统还包括一用于显示处理数据的显示模块，所述显示模块连接所述数据处理模块。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的体系结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

参照图1，高速铁路桥梁评估预警系统，包括一用于获取表征桥梁状态的历时信息与实时数据信息的数据采集子系统1。

数据采集子系统包括一传感器系统，传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器；数据采集子系统还包括联网信息采集系统；温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器，分别用于采集温度、湿度、压力、位移参数；联网信息采集系统用于与外围计算机进行数据交互；温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器，均采用无线传感器，所述无线传感器的电源输入端连接有一震动发电电源。

所述震动发电电源包括一压电陶瓷片，压电陶瓷片通过一整理稳压电路连接一蓄电电容，蓄电电容采用钽电容，胆电容后方连接有一施密特触发电路，进而连接所述无线传感器的电源输入端；在胆电容电压超过一设定阈值时，施密特触发电路开始为无线传感器供电；在胆电容电压低于另一设定阈值时停止供电。

压电陶瓷片可以在下雨、刮风、车辆行驶中产生足够的电能，供无线传感器使用。温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器埋设在高速铁路桥梁路基内。以实现无需外接电源的持久供电。

所述数据采集子系统1连接一信息处理子系统2，所述信息处理子系统2连接一状态评估与预测预警子系统3，所述信息处理子系统2将所述数据采集子系统1获取的信息集成到所述状态评估与预测预警子系统3；

所述状态评估与预测预警子系统3根据程序，对桥梁的状态做出评估，并根据评估的结果对桥梁运营状态发出预警信息。

所述数据采集子系统1、所述信息处理子系统2、所述状态评估与预测预警子系统3之间，可以通过数据线连接，各子系统之间设有配套的接口。

所述数据采集子系统1、状态评估与预测预警子系统3、信息处理子系统2中可以分别设有数据采集子系统1用网络传输模块、评估预警子系统用网络传输模块、信息处理子系统2用网络传输模块，各子系统之间通过网络连接。可以通过网络基础设施传输，利用现有的网络传输协议，建立数据传输链路(通常是专用链路)，将标准化数据向指定位置传输。为提高数据传输的准确率，通常需要对现有的网络通信协议进行更改，增加差错检验功能。

所述数据采集子系统1获取的信息包括桥梁设计群体信息、桥梁施工群体信息、定期的桥梁检测信息和/或实时的桥梁监测信息。

所述数据采集子系统1包括传感器，所述数据采集子系统1包括用于实时获取桥梁监测信息的桥梁健康监测模块。

所述数据处理子系统包括还包括一数据预处理模块，所述数据预处理模块连接所述数据采集子系统1，所述数据预处理模块用于将所述数据采集子系统1传来的信息转化为所述状态评估与预测预警子系统3能够识别和应用的信息。这里的标准化可能涉及到的包括数据类型、数据长度、数据格式以及增加数据描述信息等。

所述数据处理子系统还包括一采集检测控制模块，用于调整所述数据采集子系统1的设置。所述采集检测控制模块连接所述桥梁健康监测模块，用于更改所述桥梁健康监测模块的设置。所述采集控制模块可以根据不同的运营工况和赋存环境，适时更改所述桥梁健康监测模块的设置，以降低数据采集量。

所述数据处理子系统还包括一数据挖掘分析模块，所述数据挖掘分析模块用于进一步处理所述数据预处理模块处理出的数据信息，剔除其中的冗余信息，提高数据中蕴含的信息量。

所述状态评估与预测预警子系统3包括一数据处理模块，用于依据后续评估所用的算法，对归一化的数据进行变换，使之能够被后续算法识别和引用。所述状态评估与预测预警子系统3还包括构件评估模块、整体评估模块、基准模型修正模块、损伤识别与定位模块、时序预测模块、超越工况预测模块、维修计划模块、群体协同工作触发器模块、多尺度预警模块。其中数据处理、群体协同工作触发器和多尺度预警是实现群体间协同工作的关键。群体协同工作触发器是通过协同工作平台的任务分发器自动激活参与协同工作的所有群体，对系统自动生成的成果在线处理，并通过协同工作平台存储到数据库中，作为未来评判的参照，群体触发器的工作次数随系统运营时间的增加递减趋势；多尺度预警模块的功能是根据系统评判和群体干预的结果对桥梁运营状态发出预警信息，修正维修计划，更改分布式数据库中存储的采集控制和检测控制信息。

所述状态评估与预测预警子系统3还包括一用于显示处理数据的显示模块，所述显示模块连接所述数据处理模块。

具体实施例1

参照图2，高速铁路桥梁评估预警系统与传统的桥梁健康监测、桥梁管理等桥梁安全控制系统的差别在于系统的集成性、自动化、群体的协作性。各群体分别在各自的软、硬件环境下运行，分别承担桥梁预警的不同功能，群体间协同工作，完成和实现桥梁保障桥梁安全运营的职能。系统设计应使具有不同职责的参与群体(及其软、硬件系统)在物理、逻辑、功能上进行联动和协同工作，实现数据共享、模块共享和任务共享。

一、体系结构

桥梁协同预警系统是分布在不同空间位置的参与群体，在计算机网络构建的虚拟环境中，围绕桥梁运营安全这一目标，实现并行、交互、协作地工作的协同工作系统。由于参与群体工作内容、工作环境各不相同，因此需要研究合理的系统结构，以保障各群体在物理上、逻辑上和功能上的相互连接和协同工作，从而保障预警系统的有序运行，达到桥梁安全受控的最终目标。就现有软件系统的体系结构来看目前最为常用是C/S结构和B/S结构，其中，C/S结构是两层结构的分布式系统，适用于局域网内的分布式计算，客户机和服务器分别完成各自的计算任务，具有信息交换速度快，网络时延低的优点，但是客户端系统通常采用非标准化的开发模式，可扩展性较差；B/S结构是多层分布式系统，服务器完成大量的分析工作，客户机为用户提供信息交换的窗口，该结构的特点是易于实现系统集成，具有良好的可扩展性，但对网络带宽要求较高，实时处理能力较差。针对以上两类结构的特点，结合桥梁预警系统多群体参与的特点，我们采用群体内应用C/S结构，群体间应用B/S结构的分布式设计方法。

二、功能分析

桥梁预警的体系结构中包含核心系统层、信息共享层、协同工作平台、网络通信层和终端用户层共五个层次，每个层次由若干子系统组成，分别承担不同的功能。

2.1核心系统层

核心系统层的功能是实现预警系统信息的内部管理，由状态评估与预测、动态信息处理、静态信息处理等子系统组成。本层是实现预警系统基本功能的中枢，核心系统层在预警系统中属内置保护层，任何群体都不能直接访问核心系统。

1.动态信息处理子系统

动态信息处理子系统包括健康监测系统和由数据处理、采集控制、数据挖掘组成的后置模块两部分，实现的关键是两者之间的融合和后置模块的设计。

(1)健康监测系统模块

目前国内外在桥梁健康监测的研究中取得了较大的进展，并在工程领域得到了较为广泛的应用，因此预警系统将桥梁健康监测系统作为外设，集成了其中的传感器子系统、数据采集与传输子系统等软硬件模块。桥梁预警系统在桥梁健康监测系统中增加了一个数据预处理模块，其功能是对健康监测系统采集的数据进行精化，精化过程通过后置模块的采集控制设定。

(2)后置模块

后置模块包括数据处理、采集控制、数据挖掘三部分组成，其功能是将桥梁健康监测系统传来的局部信息，转化为预警系统能够识别和应用的全局信息。数据处理的功能是完成数据的归一化，涉及数据格式和数据类型的转换；采集控制模块是预警系统控制健康监测系统的代理，通过采集模块预警系统可以根据不同的运营工况和赋存环境，适时更改健康监测系统的设置，以降低数据采集量；数据挖掘模块进一步处理归一化的数据信息，剔除其中的冗余信息，提高数据中蕴含的信息量。

2.静态信息处理子系统

桥梁检测是获取桥梁静态信息的常用方法，静态信息处理子系统的的功能是将通过桥梁检测获取的数据信息集成到预警系统中，作为桥梁预警的判据。该子系统由桥梁检测和后置模块两部分组成，其中桥梁检测与健康监测系统类似，仍然在现有的成熟系统的基础上增加数据与处理模块，数据预处理的执行过程由后置模块检测控制设定；后置模块由数据处理、检测控制、数据分析三部分组成，其功能与动态信息处理子系统的后置模块类似，但处理对象有所不同。

3.状态评估与预测预警子系统3

状态评估与预测预警子系统3的功能在各种渠道采集的数据信息的基础上，在多群体参与的基础上，对桥梁现状、未来发展趋势进行预测。

该子系统由数据处理、构件评估、整体评估、基准模型修正、损伤识别与定位、时序预测、超越工况预测、维修计划、群体协同工作触发器、多尺度预警等模块。其中数据处理、群体协同工作触发器和多尺度预警是实现群体间协同工作的关键。数据处理的功能是依据后续评估所用的算法，对归一化的数据进行变换，使之能够被后续算法识别和引用；群体协同工作触发器是通过协同工作平台的任务分发器自动激活参与协同工作的所有群体，对系统自动生成的成果在线处理，并通过协同工作平台存储到数据库中，作为未来评判的参照，群体触发器的工作次数随系统运营时间的增加递减趋势；多尺度预警模块的功能是根据系统评判和群体干预的结果对桥梁运营状态发出预警信息，修正维修计划，更改分布式数据库中存储的采集控制和检测控制信息。

4.数据采集子系统1

数据采集子系统1功能是获取表征桥梁状态的历时信息与实时数据信息，其面向的对象包括四个方面：其一是桥梁设计群体，通常大型桥梁设计属创造性的工作，随着桥梁设计理论的不断发展，原设计过程中的“病态”信息将不断涌现，因此需要设计群体在桥梁运营过程中不断依据最新设计理论提供保障桥梁运营的安全控制策略；其二是桥梁施工群体，大型桥梁的施工技术历来是土木工程领域建设领域关注的重点，同设计类似施工工艺和方法也在不断的发展和进步，同样随着科技的进步也将逐渐发现原有施工工艺带来的安全隐患，因此施工群体也需实时提供桥梁安全控策略；其三是桥梁检测，桥梁检测是目前公认的保障桥梁安全运营的重要手段，定期的桥梁检测信息是预警系统工作的正常工作的基础；其四是实时监测信息，目前大型桥梁均以安装了健康监测系统，该系统采集的实时数据信息为桥梁状态评估与预测提供了数据支撑。

数据采集子系统1包含数据预处理与传输模块，其功能是将通过不同渠道采集的数据信息进行标准化处理，并通过网络基础设施传输到预警系统的核心系统层对应模块中。该模块包括预处理和网络传输两方面，预处理模块安装在数据采集子系统1的终端，将相应采集系统获取的数据按照预警系统的数据需求进行变更，可能涉及的变更包括数据类型，数据长度，以及增加数据描述信息等；网络传输是利用现有的网络传输协议，建立数据传输链路(通常是专用链路)，将标准化数据传输到核心系统的各子系统，为提高数据传输的准确率，通常需要对现有的网络通信协议进行更改，增加差错检验功能。

2.2信息共享层

信息共享层支持群体间的信息交流，是下层系统与核心系统的接口。信息共享层由分布式数据库系统、功能模块库、信息控制库、有限元分析系统等部分组成。其中分布式数据库是该层的中心，用于存储预警系统的所有信息，值得注意的是该数据库在逻辑上是集中型，但在物理上是分布式存储，因此如何将物理上分布式存储的桥梁数据转换为逻辑上高度统一的共享数据是系统实现的一个难点。信息共享层是桥梁预警系统提供的信息共享空间，由分布式数据库系统，系统功能模块库，信息控制库和有限元分析系统四部分组成。

1.分布式数据库系统

桥梁预警系统的数据库记录并管理着桥梁从勘察、设计、施工、运营、检测、监测等全寿命期内的所有历史档案，是桥梁预警系统实现的基础。由于参与群体在空间上所处的位置不同、各群体使用的数据库软件不同，因此桥梁预警系统的数据库系统属分布式异构数据库系统。预警数据库有两种设计方法：第一种是根据预警系统的需求，重新开发全新的数据库系统；另一种方法是从软件的角度，对现有各群体使用的数据库系统进行升级，使其符合预警系统的需求。前一种方法虽然能够保证预警系统的独立性，但要求所有群体都在新的数据库基础上开展工作，并且需要将，大量的原始信息升迁，这几乎是不可实现的；后一种方法能够综合应用现有的数据信息，并且不需要用户适应新的工作环境，可操作性较强。由此，预警系统分布式数据库设计的核心不再是如何设计数据库系统，而是如何将现有的数据库系统集成为桥梁预警系统数据库。为了解决这一问题，桥梁预警系统的分布式数据库系统中增加了分布式管理引擎模块，该模块由分解和融合两种功能组成，分解实现将全局数据信息转换为各群体能够识别的局部数据信息、融合实现将局部数据信息转换为预警系统的全局数据信息。

桥梁预警系统的协同工作需求包括两方面：其一，是系统的协同工作需求，这一请求由状态评估与预测预警子系统3的群体协同工作触发器完成；其二，是参与群体的协同工作请求，例如设计群体发现桥梁存在某些设计隐患而发起的协同工作请求。为了支持第二类协同工作请求，分布式数据库系统设计中增加了“主动共享触发机制”模块。该模块是一个包括实时、动态监测和评估两方面功能的模块，能够实时捕获数据库系统的状态变化，并启动评估模型，然后将评估模型的输出结果与预先设定的阀值对比，以确定是否启动协同工作。

2.功能模块库

功能模块库由信息查询模块、状态评估模块、状态预测模块、公式函数模块等部分组成，

同传统的设计方法不同，预警系统将功能模块单独集成为一个整体，其目的是为了提高各模块的调用效率、可共享性、可扩展性，并为软件快速部署的实现奠定基础。组成功能模块库的各个部件均有成熟的算法，只需将输入、输出做局部的更改，即可直接应用与桥梁预警系统中。

3.信息控制库

目前，制约桥梁预警系统(健康监测系统)，有效实施的瓶颈是预警系统运行过程中获取的海量数据。事实上，这一问题不仅在健康监测系统中存在，在桥梁设计、施工、检测中同样包含大量的冗余信息，只有对这些信息进行有效的约简，才能够保障系统的高效运行。信息控制库设置的目的是约束桥梁预警系统获取的信息量，使之在采集过程中即可对海量数据进行有效的约简。

信息控制库设计的核心是如何获取约束规则。通常在系统运行初期，该库中存储的内容主要来源于工程规范、试验模型获取的知识、有限元分析数据等，而在运行过程中需要不断进行调整，例如桥梁冲刷与设计依据不符时需要减小桥梁冲刷的采样间隔以动态获取信息，而在正常运营环境下长期未发生数据的突变则可以减小数据的采样频率。信息控制库向上可以控制监测系统、检测系统的数据获取，向下可以通过协同平台响应群体请求(如群体请求获取监测系统的运行状态)。

4.有限元分析系统

有限元分析系统的功能是为桥梁预警系统提供高效的计算平台，将有限元分析系统集成到预警系统中可以辅助各群体在线完成大规模计算，该系统设计的关键是依据有限元分析系统提供的通用接口，将预警系统的数据信息重新整合，例如可以在功能模块库中增加自动生成APDL文件的模块，然后直接调用ANSYS系统，然后通过APDL提取结构分析的信息，并返回相关群体。2.3协同工作平台

协同工作平台是参与群体参与协同工作重要工具，该平台群体提供了群体交互功能，使得人人之间的思想共享成为可能。群体间协同工作是保障桥梁预警系统正常运行的关键，该层为参与桥梁预警的各群体提供一个统一的协同工作平台，实现群体的联动。桥梁预警系统的协同工作平台由系统工作控制、群体工作控制、协同工作讨论区和预警系统通信协议四部分组成。

1.系统工作控制

系统工作控制的功能是组织群体间的协同工作，保障桥梁预警系统的有序运行，由任务分发器、协调控制器、访问控制器、协同感知器和工作日志五部分组成。任务分发器接收来自协同工作出发引擎的消息，然后依据群体的角色将任务分解，通过网络通信层传送到各终端群体；鉴于参与桥梁预警的各群体专业视角各不相同，因此对同一问题的认识存在一定差异，可能造成协同工作中的行为冲突，协调控制器的核心工作是群体间的冲突消解；访问控制器提供群体访问信息共享层的方式，包括其中的功能模块、数据库信息等；协同感知器的功能是帮助群体感知其它群体的活动，并将其作为自身开展活动的依据，例如在地震发生后，地震动采集群体会记录该地震时程，并将其存储到分布式数据库中，而桥梁设计群体感知到该群体的这一动作后需立即参与到桥梁的震后评估过程中；工作日志记录预警系统运行过程中的所有动作，可作为系统维护的依据。

2.群体工作控制

群体工作控制是群体与系统交互的接口，其主要功能是负责处理来自群体的各种请求，并将处理结果反馈给群体，主要模块包括：命令请求、权限匹配、信息反馈、工作日志等。命令请求模块接收来自群体的信息，并将其转化为预警系统的通用格式；权限匹配检验群体在系统中的权限，防止越权操作，从而保障系统的安全性；信息反馈将预警系统的处理结果转换为各群体的特定格式，并将其返回群体终端；工作日志记录各群体请求参与桥梁预警的过程和系统返回群体的信息摘要。

3.预警系统通信协议

预警系统通信协议的是在互联网通信协议的基础上增加特定的功能，以保障预警系统工作的可靠性，主要包括两方面：其一是数据的可靠性，桥梁预警系统工作的基础是系统采集的数据信息，错误的数据信息有可能导致延误预警，造成重大安全事故，因此需要增加特定的差错检验模块；其二是数据的安全性，预警系统的网络通信层建设的基础属互联网，而互联网的开放性特点不利于系统的安全运行，因此需要在通信协议中增加安全检验模块。

4.协同工作讨论区

协同工作讨论区是群体共同干预预警系统工作的接口，在讨论区中群体可以通过协商的方式人工解决系统无法自动解决的协同工作冲突，讨论区的实现方式可以采用现有的视频会议、电子白板等方式。预警系统运行初期讨论区的应用较为频繁，而随着系统运行时间的增加，信息控制库的内容会逐渐丰富，讨论区的功能将逐渐弱化。

2.4网络通信层

网络通信层建立了桥梁预警系统的内部之间、内部与外部的连接。鉴于桥梁预警系统与数据完全性的要求较高，可以采用虚拟专用网(VPN)技术，虚拟专用网基于现有的互联网建立预警系统参与群体之间的可信安全连接，并保证数据的安全传输。通过将数据流转移到低成本的压网络上，虚拟专用网解决方案将大幅度地减少花费在城域网和远程网络连接上的费用。同时，这将简化网络的设计和管理，有益于预警系统的生成和群体扩展。另外，虚拟专用网可以保护参与群体现有的网络投资，降低预警系统的建设成本。

2.5终端用户层

该层为参与群体提供进入预警系统的接口，桥梁预警系统采用B/S模式将客户端应用程序从传统系统的业务逻辑和数据访问代码中分离出来，终端只是负责最终数据的显示，而把复杂业务交给功能强大的服务器(核心系统)完成，从而实现用通用浏览器完成原来需要专用软件才能实现的用户界面，降低了系统的开发成本，提高了系统运行的可靠性和可推广性。

三.系统集成方案

从系统设计方案来看，桥梁预警系统由多个子系统组成，各子系统在硬件平台、网络协议、软件环境方面具有较强的异构性，如何将这些异构系统集成为桥梁预警系统是系统集成方案要解决的问题。预警系统集成是指将系统内不同功能的子系统在物理上、逻辑上、功能上连接在一起，以实现数据综合和信息共享，提高系统运行的自动化水平。系统集成需要达到的目标有两方面：其一，以各子系统为共同目标服务为主线，建立子系统间的无缝互访机制；其二，系统内部提供通用的信息表达规范，以便共享数据和模块。

3.1预警系统业务流程分析

预警系统的业务流程是在多群体参与下，把各数据采集子系统1获取的输入转化为桥梁即时状态和未来趋势预测的一系列活动的集合，它能够增加采集获取的基础数据的价值，并创造出更为有效的输出。

3.2面向服务的集成技术

早期的桥梁预警系统(桥梁管理系统、桥梁健康监测系统)对子系统间的共享应用逻辑和应用数据未给予关注，当时的主要问题是如何将人工操作转换为计算机辅助的自动操作。而近年来，随着计算机技术的飞速发展，桥梁预警系统所涉及的各子系统开始逐渐走向成熟，单一系统的实现已经不是主要的问题，而如何实现系统间的集成，以满足日益增长的需求已成为目前桥梁预警系统设计的新挑战。目前异构系统集成的解决方法有：基于.NETRemoting的集成技术、基于中间件的集成技术、基于WebService的集成技术、基于SOA(面向服务的架构)的集成技术等方面，这些方法各有特点，在各个领域均得到了较为广泛的应用。鉴于基于SOA的集成技术具有有利于快速应用集成、有利于自动化业务流程的特点，我们选择基于SOA的集成技术作为预警系统集成的解决方案。

3.2.1几个定义

为了后续讨论的方便，首先给出预警系统中几个概念的相关定义。

定义1角色.角色是预警系统运行中各组成部分的描述，是协同工作的参与者。预警系统中的角色分为群体角色和模块角色，前者描述参与协同工作的群体，后者描述参与协同工作的功能模块。形式地，角色p表示为一个二元组其中为角色的标识符，为角色的属性(集)，属性集满足：

① $\stackrel{\‾}{A}\≠\mathrm{\φ};$

②且则表示角色属性的强弱程度；

③ ${\stackrel{\‾}{a}}_0\∈\stackrel{\‾}{A},$ 表示角色的类型， ${\stackrel{\‾}{a}}_0\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\};$

定义2事件.事件指预警系统中群体发起动作或采集系统启动工作，事件用于描述状态的变化，是触发协同工作激励开始。事件e可以表示为一个三元组其中为事件的标识符，为启动该事件的角色，为事件的时间戳用于描述事件发生的时间和其生存期，为事件的属性(集)；

定义3事件关联图.桥梁预警系统的事件可以从时间坐标和逻辑坐标两方面进行重组，构成平面的事件网。事件关联图描述了预警系统完成某一任务的所经历若干状态转移。事件关联图g可以用二元组<E,R>表示，其中E为事件的集合，R是二元组的集合，用于表示事件的逻辑关联，例如<(p,r_i),(p,r_j)>∈R表示事件e_i与事件e_j关于角色p存在有向逻辑关联。所有事件关联图构成一个关联图集合G。

定义4预警系统.预警系统提供功能是完成支持桥梁安全运营的若干特定工作，是若干事件关联图的集合，预警系统可以描述为事件关联图集合的子集，把预警系统记为S，则S＝{g_i|g_i∈G}，且显然预警系统的自动化程度将随着集合S规模的扩大而逐渐提高。

定义5start与end，为了维护预警系统任务描述的一致性，我们在完成每一项任务的事件关联子图g_o∈S的头部和尾部各添加一个事件，分别命名为start和end，这两个事件分别包含该任务涉及的所有事件的输入与输出参数。

定理1接口定理.若g中所有出现过的角色构成集合P′，则e_i＝<...,p,...,...>、e_j＝<...,p,...,...>和子图g′使得<r_i,r_k>∈R且<r_t,r_j>∈R，其中e_k＝<...,p′,...,...>∈g′，e_t＝<...,p′,...,...>∈g′。

证明：按照预警系统的工作流程，群体向预警系统发出请求，预警系统必然有反馈。不失一般性在事件关联图g中，设角色p向预警系统发出请求，预警系统将任务通过事件e_i与e_k的关联分发给角色p′，即且e_k＝<...,p′,...,...>；p′经过通过触发一系列事件，处理p的请求，处理过程构成子图g′，e_k∈g′；处理结束后将处理结果通过事件e_t与e_j的关联通过预警系统将结果返回角色p，即e_t＝<...,p′,...,...>∈g′。证毕。

3.2.2接口设计

基于SOA集成的系统具有服务组件模块化和松耦合性的特点，各子系统间的联系可能呈现一种网状的结构，并随业务需求的改变而改变，因此设计良好的服务接口能够加速既定计划的执行，从而提高预警系统对实时需求的响应能力。接口保障预警系统运行过程中角色间通过预警系统请求——反馈的有序进行，从定理1可知角色间的接口与请求——反馈涉及的入口与出口事件紧密相关，如定理1中的e_k和e_t，而在预警系统运营过程中，事件是伴随工况的不同而动态变化的，因此接口也是动态变化的，接口设计包括接口模板和接口识别算法两方面的内容。

1.接口模板

接口模板定义了角色间接口的通用格式，模板能够规范预警系统的接口结构，实现接口重用，提高预警系统接口的设计效率。预警系统中接口模板定义为：

GateTemplate::＝<p_i><e_i><p_o><g_o><e_o>

$\begin{array}{cc}{p}_{i::}=<{\stackrel{-}{I}}_i><0|1>[\left\{{\stackrel{-}{a}}_i^k\right\}]& p_{0::}=<{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_o><0|1>[\left\{{\stackrel{\&OverBar;}{a}}_0^k\right\}]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{e}_{i::}=<{\tilde{I}}_i><{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_i><{\tilde{t}}_i>\left[\right\{{\tilde{a}}_i^k\left\}\right]& e_{o::}=<{\tilde{I}}_o><{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_o><{\tilde{t}}_o>\left[\right\{{\tilde{a}}_o^k\left\}\right]\end{array}$

$g_{o::}=<p_o>\left[\right\{e_o^k\left\}\right]\left[\right\{<(p_o,e_o^i),(p_o,e_o^j)>\left\}\right]$

2.接口识别算法

预警系统描述系统完成各类业务所需的角色，事件以及角色请求之间的调用关系，按照定理一，角色p_i请求角色p_o完成某一特定任务M，则预警系统S中必然存在完成任务M的子图g_o，因此预警系统工作过程中只需自动识别子图g_o并按照子图中所包含的事件传输参数，即可建立p_i与p_o的接口。按照桥梁工程预警的特点，某一特定任务可以由群体p_o按照不同子图g_o完成，因此子图识别算法是在预警系统S中查找最短路径，查找的约束是路径所含事件需求的信息量大小和事件执行的总时间。另外，由于预警系统运行的实时性，需动态更新子图g_o内入口事件到所有事件的最短路径。子图识别算法如下：

Step1：在预警系统S中查找p_o发起的所有事件，定义为

Step2：根据E_O构建事件关联属性矩阵R_o

$R_O=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& ...& r_{1k}\\ r_{21}& r_{22}& ...& r_{2k}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ r_{k1}& r_{k2}& ...& r_{\mathrm{kk}}\end{array}\right]$

Step3：初始化 $r_{\mathrm{mn}}=\left\{\begin{array}{cc}0& m=n\\ \&infin;& m\&NotEqual;n\end{array}\right.$

Step4：令入口事件为出口事件为

Step5：根据的事件属性，计算执行任意事件所需的信息量B，以及从

返回的信息量B′；

Step6：启动网络与事件监听程序，获取当前时刻p_o从请求的网络传输

速率s和事件执行时间，则最短执行时间为：

$t_o^{\mathrm{mn}}=\frac{B+B^{\&prime;\&prime;}}{s}+t_o^{\mathrm{mn}2}$

令 $r_{\mathrm{ij}}=t_o^{\mathrm{mn}}.$

Step7：从入口事件出发的最短路径定义为X，初始状态X＝φ；

Step8：从入口事件出发的最短路径初始值为D[j]＝[r_ij]；

Step9：选择事件使得 $D\left[f\right]=\mathrm{Min}\left\{D\right[j\left]\right|e_o^j\&Element;E_O-X\},$ 令X＝XU{f}

Step10：如果D[f]+r_fv<D[v]，令D[k]＝D[f]+r_fv

Step11：重复Step7，Step8可求的从到E_o内任意事件的最短路径；

Step12：提取从到的事件关联图；

Step13：在搜索完成的事件关联图中增加Start和end事件

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.高速铁路桥梁评估预警系统，其特征在于，包括一用于获取表征桥梁状态的历时信息与实时数据信息的数据采集子系统；

数据采集子系统包括一传感器系统，传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器；数据采集子系统还包括联网信息采集系统；

温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器，分别用于采集温度、湿度、压力、位移参数；联网信息采集系统用于与外围计算机进行数据交互；

温度传感器、湿度传感器、压力传感器，以及位移传感器，均采用无线传感器，所述无线传感器的电源输入端连接有一震动发电电源；

所述震动发电电源包括一压电陶瓷片，压电陶瓷片通过一整理稳压电路连接一蓄电电容，蓄电电容采用钽电容，胆电容后方连接有一施密特触发电路，进而连接所述无线传感器的电源输入端；

在胆电容电压超过一设定阈值时，施密特触发电路开始为无线传感器供电；在胆电容电压低于另一设定阈值时停止供电。

2.根据权利要求1所述的高速铁路桥梁评估预警系统，其特征在于：所述数据采集子系统连接一信息处理子系统，所述信息处理子系统连接一状态评估与预测预警子系统，所述信息处理子系统将所述数据采集子系统获取的信息集成到所述状态评估与预测预警子系统；

所述状态评估与预测预警子系统根据程序，对桥梁的状态做出评估，并根据评估的结果对桥梁运营状态发出预警信息。