【正文】 可靠交換，并具有防破壞、防竊聽和防重放攻擊等安全特性。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)，它決定了系統(tǒng)的實時性、可擴展性、通用性、穩(wěn)定性和可靠性等質(zhì)量指標(biāo)，也將影響系統(tǒng)的建設(shè)、運營和維護(hù)成本等經(jīng)濟指標(biāo)。因此，如何在有限條件下合理保障大型建筑遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，是保證大型建筑遠(yuǎn)程監(jiān)控質(zhì)量的一個重要因素。其中，2003年至2006年間基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)固定資產(chǎn)投資總額為120271億元，是1978年到2002年的近兩倍，％。然而，重大建筑結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施，如橋梁[2]、隧道、油井、煤礦、水庫大壩和高速公路等，其服役期長達(dá)幾十年甚至上百年，在地質(zhì)、環(huán)境變動以及超負(fù)荷運行情況下容易引起結(jié)構(gòu)損傷和結(jié)構(gòu)疲勞，在環(huán)境腐蝕與材料老化等不利因素耦合作用下也不可避免地產(chǎn)生損傷累積，影響其設(shè)計壽命和服務(wù)能力，甚至引發(fā)突發(fā)事故、給國家?guī)韲?yán)重的經(jīng)濟損失和社會災(zāi)害。雖然這些大型建筑事故發(fā)生前常會出現(xiàn)漏洞、塌陷或開裂等癥狀，但由于缺乏實時有效的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，仍難避免事故的發(fā)生。此外，人工檢測有一定的滯后性，分析判斷周期較長不能應(yīng)付突發(fā)事件，難以為大型建筑管理部門及時提供決策依據(jù)。以橋梁為例，目前超大跨度橋梁[6]設(shè)計中許多問題有待進(jìn)一步研究，由運營中的大橋結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究的補充，而且可以提供有關(guān)環(huán)境橋梁結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。如1997年香港青馬大橋的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通過設(shè)在大橋不同位置的各類傳感器系統(tǒng)收集大橋結(jié)構(gòu)反應(yīng)和大橋工作環(huán)境變化信息，從傳感器采集到的數(shù)據(jù)首先傳送到三臺分別位于大橋兩側(cè)由微電腦控制的信息收集站進(jìn)行信息收集及初步處理，經(jīng)過數(shù)位/類別轉(zhuǎn)換后通過光纖網(wǎng)絡(luò)將信息轉(zhuǎn)送至信息處理和分析系統(tǒng)上，進(jìn)行信息收集、處理、分析及儲存。結(jié)合智能材料與結(jié)構(gòu)、計算機技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的迅猛發(fā)展，并充分考慮大型建筑的客觀需要，大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控研究的重要領(lǐng)域和發(fā)展方向[8]主要包括：先進(jìn)的智能傳感元件及分布式、大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)；嵌入式、無線化的數(shù)據(jù)采集下位機；多參量、多傳感元件監(jiān)測數(shù)據(jù)智能處理與數(shù)據(jù)融合[9]技術(shù)；結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的合理架構(gòu)和開發(fā)技術(shù)；結(jié)構(gòu)安全實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與決策支持技術(shù)；結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩匝芯?；結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)自適應(yīng)、低成本數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。為完成對監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制功能，監(jiān)測點子系統(tǒng)大多由上位機和下位機相結(jié)合的模式來實現(xiàn)，下位機負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)和設(shè)備控制，上位機作為后臺控制器從不同的下位機收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和傳輸。數(shù)據(jù)采集處理的結(jié)果是一組某一時刻的傳感數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)將其發(fā)送到監(jiān)控中心系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)一般由某個特定的通信鏈路構(gòu)成，主要用來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和指令的傳送。 系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)一般的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由大量的軟件和硬件系統(tǒng)組成，需要解決傳感系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)采集處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、后臺決策分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控查詢和監(jiān)控設(shè)備驅(qū)動等一系列問題，而遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)是其中的關(guān)鍵問題之一，常常決定了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中諸多的關(guān)鍵性質(zhì)量屬性，尤其是左右了系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)和運營維護(hù)成本、可靠性和安全性。在C/S架構(gòu)的基礎(chǔ)上，[11]的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。同時，為了解決驅(qū)動程序?qū)τ布嬖谥艽蟮囊蕾囆?，一些與微軟公司合作的自動化硬件和軟件供應(yīng)商聯(lián)合制定了一套稱為OPC(OLE for Process Contro1) [12]規(guī)范的接口協(xié)議。并在遠(yuǎn)程異構(gòu)平臺上實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)測。整體監(jiān)控主要獲取結(jié)構(gòu)的加速度與位移，這類傳感器已經(jīng)非常成熟，局部監(jiān)控主要獲取結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)力、應(yīng)變、缺陷、裂縫和溫度等。光纖光柵傳感器[14]利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵。當(dāng)然，傳統(tǒng)的基于有線技術(shù)的傳感監(jiān)控系統(tǒng)有著固有的缺點，其布線復(fù)雜、費用巨大，發(fā)生災(zāi)害時線纜本身受損可能性較大，會影響整個監(jiān)控系統(tǒng)的有效運行。 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷壯大，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控的大型建筑數(shù)量越來越多，被監(jiān)控的對象分布也越來越廣，不僅分布在城鄉(xiāng)各地，有的甚至還地處邊遠(yuǎn)。隨著以互聯(lián)網(wǎng)和無線移動通信技術(shù)為代表的現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對分散在不同地點的現(xiàn)場和設(shè)備進(jìn)行實時測量、監(jiān)視和控制成為可能，而且成本不斷下降。之后，由這些公司共同推出了一個實驗性的系統(tǒng)Testbed。其他一些大公司也在他們的產(chǎn)品中加入了Internet的功能，如Bently公司的計算機在線設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)DataInstruments公司也在它的產(chǎn)品LabWindows/CVI以及LabVIEW中加入了網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊，可以通過WWW、FTP、E_mail方式在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳送，法國“ALARM”研究組對生產(chǎn)過程的智能報警和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了長期研究并在多個項目中進(jìn)行了應(yīng)用。 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究的重要性 數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量要求在數(shù)字通信中一般使用比特率和誤碼率來分別描述數(shù)據(jù)信號傳輸速率的大小和傳輸質(zhì)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(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率。對重要的大型建筑進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)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(yuǎn)距離光纖專線、衛(wèi)星通信或微波射頻通信等方式傳輸數(shù)據(jù)，但是由于其架設(shè)和運行成本較高，不易推廣使用。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(wěn)定性也不如有線網(wǎng)絡(luò)，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。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是實現(xiàn)大型建筑遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)之一，它決定了系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和可靠性等質(zhì)量指標(biāo)及建設(shè)、運行和維護(hù)成本等經(jīng)濟指標(biāo)。該技術(shù)采用層次式架構(gòu)設(shè)計，運用現(xiàn)有的各種公用通信系統(tǒng)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(gòu)建混合通信鏈路，可以針對不同通信條件和通信要求的應(yīng)用構(gòu)建簡單、高效和安全的監(jiān)控數(shù)據(jù)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(huán)境中的監(jiān)控指令與監(jiān)控數(shù)據(jù)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。但是，在不同的建筑結(jié)構(gòu)中監(jiān)測的部位和數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量均有所不同，數(shù)據(jù)的傳輸速度、實時性、可靠性等要求也各不相同。監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信過程中需要交換的數(shù)據(jù)主要有各監(jiān)控點采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)和監(jiān)控中心發(fā)出的監(jiān)控指令，在數(shù)據(jù)通信過程中若傳輸可靠性較低將會引起數(shù)據(jù)的丟失而無人知曉，其中預(yù)警信息的丟失將會增高安全事故的發(fā)生率，而監(jiān)控指令的丟失則無法完成相應(yīng)的監(jiān)控操作。因為其監(jiān)控數(shù)據(jù)涉及到國家利益、人民安危，非常敏感，在數(shù)據(jù)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。良好的系統(tǒng)構(gòu)架方式可以讓各個子系統(tǒng)獨立工作，也可以通過數(shù)據(jù)交換協(xié)同工作，各子系統(tǒng)之間交換的信息主要是監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括傳感數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、報警信息和監(jiān)控參數(shù)等；同時需要交換監(jiān)控指令，如采集指令、控制指令和調(diào)度指令等。集群通信方式有較快的系統(tǒng)進(jìn)入、使用前無須監(jiān)測信道、信道效率高、通信私密性高、擴展性靈活和通信組可以靈活增加等優(yōu)點，其缺點是系統(tǒng)建設(shè)成本高、信道利用率較低、容量有限而且由于集群系統(tǒng)一般采用大區(qū)制、多徑干擾和盲區(qū)問題比較突出、數(shù)據(jù)通信質(zhì)量較差。同時，由于衛(wèi)星通信的實時性不能保證，所以一般采用主動查詢的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和傳輸，也限制了其使用范圍。ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line) [23]，即非對稱數(shù)字用戶環(huán)路，是一種在普通電話線上進(jìn)行寬帶通信的技術(shù)。而ADSL2＋由于使用更寬的頻譜、更多的子載波數(shù)，當(dāng)距離較短時下行速率最高可達(dá)24Mbps，＋。以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了很多年，有很多的優(yōu)勢，如連接速度快、連接系統(tǒng)簡單、較高的可用性、便于擴充和良好的通信性能。從1982年提出到現(xiàn)在己經(jīng)在全世界100多個國家和地區(qū)投入運營。GPRS(General Packet Radio Service) [25] [26]，即通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，可以提供端到端的、廣域的無線IP連接。根據(jù)監(jiān)控信息的傳輸方式，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般可以分為有線和無線兩種。衛(wèi)星通信方式雖然覆蓋范圍廣，但設(shè)備費用和運行費用昂貴，且通信的時延也得不到保證。Modem傳輸數(shù)據(jù)方式不僅可以擺脫傳統(tǒng)的分布式總線系統(tǒng)繁瑣的布線、中繼、放大，以及運行過程中的維護(hù)問題，而且系統(tǒng)擴展極為方便，具有較大的推廣應(yīng)用前景。目前國內(nèi)一些網(wǎng)絡(luò)營運商也提供LAN方式的寬帶接入方式，可以采用LAN作為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接入手段通過Internet傳輸數(shù)據(jù)，在這種方式下可以提供充裕的傳輸帶寬。GPRS和CDMA[28]一般按流量計費，因此應(yīng)用于數(shù)據(jù)流量較小的結(jié)構(gòu)監(jiān)控時運行費用低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活可靠的移動數(shù)據(jù)接入，比GSM優(yōu)越很多。GPRS和CDMA可直接連接Internet，SMS雖然數(shù)據(jù)傳輸能力較弱但成本最為低廉。這四層分別為：應(yīng)用層實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)上不同主機的應(yīng)用程序間的溝通，如多文本傳輸協(xié)議、簡單電子郵件傳輸協(xié)議、文件傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問協(xié)議等；傳輸層提供了節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，如傳輸控制協(xié)議（TCP）、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）等，TCP和UDP給數(shù)據(jù)包加入傳輸數(shù)據(jù)并把它傳輸?shù)较乱粚又?，這一層負(fù)責(zé)實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳送，TCP協(xié)議還能確保數(shù)據(jù)的可靠發(fā)送；互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)提供基本的數(shù)據(jù)封包傳送功能，如網(wǎng)際協(xié)議（IP）讓每一塊數(shù)據(jù)包都能夠到達(dá)目的主機；網(wǎng)絡(luò)接口層則是對實際的網(wǎng)絡(luò)媒體進(jìn)行管理，定義如何使用物理網(wǎng)絡(luò)，如Ethernet、Serial Line等來傳送數(shù)據(jù)。TCP將包排序并進(jìn)行錯誤檢查，同時實現(xiàn)虛電路間的連接。面向連接的TCP和無連接的UDP這兩個傳輸層協(xié)議各有其優(yōu)缺點，TCP協(xié)議具有良好的可靠性和公平性，但連接管理的時延開銷浪費了一定的帶寬、降低了實時性；而UDP協(xié)議雖然沒有連接管理的開銷，但不能保證通信的可靠性、數(shù)據(jù)容易丟失，需要用戶在應(yīng)用軟件中自行解決可靠傳輸問題。而且，使用TCP/IP協(xié)議雖然解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信問題、可以將通信問題和應(yīng)用功能放在不同層次解決有其合理的一面，但淡化了通信網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)中的特殊地位，無法為不同的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)提供多樣、靈活和高效的通信鏈路選擇與性能保障。同時，考慮到混合通信過程中各數(shù)據(jù)傳輸方式的可靠性、安全性的差異，需統(tǒng)一提供可靠性、安全性的實現(xiàn)機制。針對各種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控指令與監(jiān)控數(shù)據(jù)的交換需求，設(shè)計和實現(xiàn)出一種能夠在不可靠和不安全通信信道及各種惡劣通信環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。實際上，通信協(xié)議最適合的架構(gòu)方式就是層次系統(tǒng)[39]，采用層次結(jié)構(gòu)的協(xié)議有以下優(yōu)點：首先，各層之間是獨立的，某一層并不需要知道它的下一層是如何實現(xiàn)的，而僅需要知道該層通過層間的接口所提供的服務(wù)；其次，靈活性好，當(dāng)任何一層發(fā)生變化時，只要接口關(guān)系保持不變則在這層以上和以下各層均不受影響；再者，結(jié)構(gòu)上可分割，各層都可以采用最合適的實現(xiàn)技術(shù)；同時，易于實現(xiàn)和維護(hù)，分層結(jié)構(gòu)使得實現(xiàn)和調(diào)試一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)變得易于處理，整個系統(tǒng)已被分解為若干個易于處理的范圍更小的部分；最后，由于每一層的功能和所提供的服務(wù)都已有精確的說明，能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。各層通過層次間的接口進(jìn)行耦合，使其能夠構(gòu)成一個有機的整體，在保障可靠性和安全性的同時能夠兼顧協(xié)議的高效性和開放性，且便于開發(fā)和維護(hù)。無論是有線網(wǎng)絡(luò)還是無線網(wǎng)絡(luò)，都可用該技術(shù)來改善網(wǎng)絡(luò)的性能。此外，混合通信技術(shù)還將為特殊的通信網(wǎng)絡(luò)和特殊的應(yīng)用預(yù)留直通方案，例如視頻流的傳輸和射頻網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使其實現(xiàn)內(nèi)部跨層傳遞。而這個多優(yōu)先級發(fā)送數(shù)據(jù)緩存隊列的輸出則是系統(tǒng)預(yù)先配置好的多個或多種輸出信道，信道的特性不同則隊列的數(shù)據(jù)輸出效率也不同。 混合通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸能力分析 混合通信交換隊列性能分析混合通信中實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的核心是一個具有多優(yōu)先級的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存隊列機制，由輸入和輸出兩種隊列[40]組成，均采用先到先服務(wù)(FCFS)的信息處理方式。輸出緩沖隊列緩存發(fā)往信道相關(guān)的通信接口層的數(shù)據(jù)，每個信道連接設(shè)一個輸出隊列，兩種優(yōu)先級的數(shù)據(jù)共享同一隊列。這意味著在數(shù)據(jù)交換的層內(nèi)部不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。要實現(xiàn)搶占式處理，必須能夠?qū)崟r地獲得高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的到達(dá)信息，而目前的操作系統(tǒng)一般都是消息驅(qū)動的分時系統(tǒng)，無法保證在運行信息處理程序時，一定會馬上對新到達(dá)的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的消息進(jìn)行處理，所以實現(xiàn)起來難度較大。而搶占式的服務(wù)模式盡管提高了高優(yōu)先級的實時性，但效果不明顯，卻降低了低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的實時性，犧牲了數(shù)據(jù)交換的整體性能，同時增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。模型中已假設(shè)各網(wǎng)絡(luò)信道的時延對網(wǎng)絡(luò)阻塞的影響是一樣的，而實際上不同時延的網(wǎng)絡(luò)信道將有不同程度的影響。網(wǎng)絡(luò)傳輸時延[43]總是隨著網(wǎng)絡(luò)的運行狀況而不斷地變化，在因特網(wǎng)信息的傳遞過程中將產(chǎn)生較大的延時并有一定的延時不確定性，使得信息傳遞的連續(xù)性遭到破壞，因此需要找出影響時延的各因素并改進(jìn)之。因此經(jīng)過的路由器個數(shù)越多，轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)越多，帶來延時也就越大。而相比之下，現(xiàn)在新的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，采用RED (Random Early Detection)機制，在緩存區(qū)沒有達(dá)到滿時，就開始有選擇，例如可以根據(jù)報文的QoS請求級別進(jìn)行報文丟棄，這樣使得網(wǎng)絡(luò)抗猝發(fā)的性能大為增強，也使得傳輸延時比較穩(wěn)定。對接收方而言，從收到承載報文到給出反饋報文的實現(xiàn)過程，也隨著協(xié)議的不同而各不相同，響應(yīng)的時間、處理的時間都不一樣，因此選用不同協(xié)議測試的結(jié)果可能會存在一定的差異；報文長度、發(fā)送頻率：在一段具體的鏈路上，帶寬一定的情況下，報文的長度、發(fā)送頻率與傳輸延時成正比。因此，網(wǎng)絡(luò)延時及其不確定性主要決定于數(shù)據(jù)所經(jīng)過的跳數(shù)以及在每一跳上所花費的時間。而數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)延時則是不斷地發(fā)生著變化，即使相鄰的兩個數(shù)據(jù)報其延時也不盡相同，即有著不確定性。而網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸有一種突發(fā)性的特點，由于共享帶寬的原因，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量突然增大時，將造成其經(jīng)過的路由器的負(fù)載增大，從而等待路由器進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)增多，這樣數(shù)據(jù)排隊等待處理的時間增長，使得數(shù)據(jù)報的延時增大，即造成了整體時延的