【正文】 速度可達到153Kbps。一般基于窄帶調制解調器通過電話網絡進行遠程監(jiān)控數據傳輸的系統(tǒng)可以采用上/下位機結構，也即主叫/被叫結構，可利用單片機、Modem 芯片或模塊和現成的電話網絡即可實現遠程雙向通信。GSM可以用于低速率要求的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，由于其無線和移動的特點可以適應移動監(jiān)控的需要，也能解決ADSL、LAN的覆蓋和接入距離的問題。確切地說，TCP/IP[30]協議是一組包括TCP協議、UDP[31]（User Datagram Protocol）協議和IP協議、ICMP（Internet Control Message Protocol）協議和其他一些協議的協議組。UDP與TCP位于同一層，但對于數據包的順序錯誤或重發(fā)處理是不同的。 大型建筑結構安全遠程監(jiān)控混合通信技術的提出 混合通信技術的提出原因各種數據傳輸方式應用于不同的大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，各有其優(yōu)越性，但同時也有其局限性。 混合通信技術的設計思想分層設計由于監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信過程十分復雜，開發(fā)混合通信技術并為其制定相應的協議有較大的困難。例如可以調整速率、功率和編碼以滿足當前信道和網絡狀況下應用的需要，也可根據當前的鏈路、網絡和業(yè)務狀況來進行適當調整，或區(qū)分處理阻塞或非阻塞造成的數據包丟失等。采用數據發(fā)送緩沖隊列可有效降低各子系統(tǒng)之間的耦合度，在發(fā)送進程的執(zhí)行過程中引進一個異步環(huán)節(jié)，可以降低發(fā)送環(huán)節(jié)的資源消耗和出錯概率，并有助于分布式數據采集、集中式數據傳輸的分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)實現。高優(yōu)先級隊列采用完全服務規(guī)則，即如果該隊列有數據，則系統(tǒng)只有在處理完這些數據后才轉去處理低優(yōu)先級隊列中的數據。所謂搶占式服務模式是指當系統(tǒng)正在為低優(yōu)先級數據提供服務時，如果有高優(yōu)先級的數據信息到達，系統(tǒng)會中止對當前低優(yōu)先級信息的服務而轉向為新到達的高優(yōu)先級數據提供服務；所謂非搶占式服務模式則是指當上述情況發(fā)生時，系統(tǒng)并不中止當前服務，而只是在當前對低優(yōu)先級數據的服務結束時再轉向為新到達的高優(yōu)先級數據服務。因此，： ()： ()對系統(tǒng)平均總時延詳細的計算分析參見附錄A所述。其一、網絡本身的性能，即完全獨立于網絡測量方法，僅與網絡本身的硬件特性相關，主要包括以下三個方面的因素：網絡的物理介質：不同的物理介質，例如光纖、以太網、無線網絡等，隨著底層物理信號實現、轉換的不同，導致網絡本身帶寬各不相同，因此對于具有一定長度的數據報文而言，其傳輸速度也各不相同。其二、測量報文的特定性能，相對因素一而言，這與網絡具體的測量方式密切相關，主要可以分成如下兩個方面：承載測量報文的協議類型：網絡的傳輸延時，往往要根據實際的情況(如對方防火墻設定的過濾協議)來選取合適的通信協議。對因特網路由行為的研究表明通信雙方或多方在會話期間路由很少改變，大部分的數據流沿同一條物理路徑傳輸，也被稱為路由的持久性。這是延時不確定性產生的主要原因。合理的解釋是負載的不確定性變化導致了網絡延時變化的不確定性。當網絡或處理機處于重載時，其傳輸速度、響應處理速度會大大下降，此時若測量網絡傳輸延時，測量結果將比輕載時大。同樣，在經過防火墻時，防火墻會對報文進行掃描、過濾，不同效率的防火墻、不同的過濾次數(經過防火墻的個數)等，都會對報文的傳輸延時產生影響；網絡數據鏈路層協議的不同實現方式：數據鏈路層對數據報文的傳輸存在多種實現方式，在完全相同的上層協議和底層的物理鏈路上，不同傳輸機制的實現對傳輸延時會產生不同的影響。還有，雖然有數據包的大小限制，但在實際的監(jiān)控應用中監(jiān)控指令和數據的大小是各不相同的，就單個數據包而言，數據包的大小越大傳輸的延時越大。而在當前的軟硬件條件下，混合通信轉發(fā)數據的速率非常快，所以實際上兩種處理模式的實時特性差別并不明顯。數據轉發(fā)時間與數據到達時間相互獨立，且每一個時刻只能轉發(fā)一條信息，速率為定值μ；所有數據等概率地轉發(fā)到各輸出隊列，各輸出隊列數據到達率為λ0，其數據的傳輸速率為μ0。內置安全性和可靠傳輸機制由于不同接入信道的安全性和可靠性不同，不同通信環(huán)境和不同網絡狀況下通信協議的表現也差異較大，在開發(fā)混合通信協議時要考慮最壞的情況，并按正常情況進行優(yōu)化設計，因此在混合通信協議的設計中應內置安全性和可靠傳輸機制，以降低對信道特性的依賴性。傳統(tǒng)的、嚴格劃分層次的網絡結構缺乏靈活性，層次的設計目的是使之能在最壞的條件下工作，而不是為了適應條件的變化，這必然會降低頻譜和功率的效率。分層設計時需合理區(qū)分監(jiān)控相關的功能和通信相關的功能，并將其分離開來，分別在不同的層次實現之?？紤]到大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實用性和可擴展性、可維護性，在取得這三方面平衡后，這種可用于大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)的通用數據傳輸方法的設計目標可分解為：經濟性：可使用現有的通信技術，具有合理的開發(fā)和實施、維護成本；開放性：可適用于不同監(jiān)控應用要求，具備通用的監(jiān)控數據交換功能；適應性：可以適用于不同的通信條件、通信環(huán)境和應用要求；組合性：可以組合和配置使用不同的通信技術或多個通信信道；可靠性：可以避免數據丟失、錯誤和重復等傳輸錯誤和問題；安全性：可以防竊聽、偽造、 干擾和重放攻擊；有效性：可以避免由于單一數據傳輸鏈路失效帶來的系統(tǒng)中斷等。在IPv4下這兩種通信協議均不能保證安全性，容易受到人為的竊聽、偽造、重放和破壞。IP數據包是不可靠的，因為IP層并不確保數據包是否按順序發(fā)送或者是否有被破壞。GSM移動公網利用頻率復用技術實現頻率資源的有效利用，采用數字制式，網絡基本已經覆蓋全國范圍，特別是大中城市和主要道路均有很好的網絡服務質量。采用ADSL作為網絡接入手段構建的遠程監(jiān)控系統(tǒng)其實是基于Internet架構實現的，一般其帶寬和速率能滿足大多數應用的要求，但ADSL的傳輸距離和營運商的網絡覆蓋限制了其應用領域。遠程數據傳輸方式靈活多樣，針對不同的監(jiān)控系統(tǒng)對采集的數據量、數據密度、傳輸的要求，可采用各種有線寬帶網絡、射頻通信、無線信道、衛(wèi)星通信等多種通信手段，尤其對無線網絡的利用為大型建筑結構遠程監(jiān)控系統(tǒng)的建設提供了很多便利。GSM采用頻率—時間分隔的蜂窩結構，具有較高的頻譜效率，其安全性、穩(wěn)定性好，而且集成度高、容量大、接口開放、抗噪聲性能強、覆蓋范圍廣等優(yōu)點。LAN (Local Area Network)，即以太局域網。目前國內主要的常規(guī)商用數據通信手段有：Modem，即窄帶調制解調器，用于模擬信號和數字信號之間的轉換，可以在公用電話網上實現遠程數據傳輸。 現有數據傳輸技術分析 一般性數據通信方式常規(guī)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(wěn)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、CDMA技術等，是目前一般性遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以使用的主要通信手段。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(fā)監(jiān)控數據和監(jiān)控指令。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(jiān)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(fā)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。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(huán)節(jié)泄密或被破壞。由于大型建筑結構安全關系到國家、人民的利益，因此監(jiān)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(tǒng)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(jié)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(fā)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。衛(wèi)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(xù)準確的結構信息，給通信技術帶來了革命性的變化。JAVA和Bayesian數據傳輸技術[16]是決定大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)性能的一個關鍵因素，在大型建筑結構安全遠程監(jiān)控中如果監(jiān)控數據無法及時傳送到監(jiān)控中心，都無法達到實時監(jiān)控、預警和調度的目的。而且作為傳感元件，它有一個最為突出的優(yōu)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。 傳感器和傳感網絡技術大型建筑的監(jiān)測對象以結構安全的狀態(tài)信息為主，需要依靠鋪設或安置在大型建筑物各個部位的各種傳感器系統(tǒng)以及所使用的傳感技術，及時準確地將所收集到的各類結構參數信息傳送到采集下位機[13]進行監(jiān)控數據分析處理。通過將遠程通信和Web技術運用于監(jiān)控系統(tǒng)中，使地理上分散的監(jiān)控現場得以統(tǒng)一的管理，同時還運用了數據庫技術極大地方便了監(jiān)控數據的存儲和處理。監(jiān)控中心系統(tǒng)需要提供相應的中心支持和服務，當監(jiān)測點子系統(tǒng)上傳監(jiān)測數據后，在監(jiān)控中心系統(tǒng)進行數據的匯總分析和處理，更新對應監(jiān)測點的當前狀態(tài)和數值、追加歷史記錄，并根據預設的閾值信息進行報警或進行相應的控制響應和處理，還需要為監(jiān)控查詢子系統(tǒng)的各種監(jiān)視和控制功能提供服務。其中，監(jiān)控中心系統(tǒng)提供數據分析處理和存儲功能并可以通過數據傳輸子系統(tǒng)向監(jiān)測點子系統(tǒng)發(fā)出監(jiān)控指令，監(jiān)測點子系統(tǒng)處理監(jiān)控指令并讀取傳感監(jiān)測數據，監(jiān)控查詢子系統(tǒng)則可以在任何遠程位置查詢各監(jiān)控點的狀態(tài)，數據傳輸子系統(tǒng)主要負責各類監(jiān)控指令和數據的有效傳輸。目前，橋梁健康監(jiān)測的研究主要集中于測點優(yōu)化布置、振動模態(tài)識別、結構狀態(tài)特征提取、結構整體性評估、異常診斷與損傷識別以及海量數據流處理等方面，取得了一定的進展，然而面對大跨度橋梁，國際上至今還沒有公認有效的利用測量信息診斷橋梁損傷或健康狀態(tài)的方法。傳統(tǒng)的大型建筑結構保障體系以人工定期檢測為主要特征，測試手段雖然不斷進步，但仍有其固有缺陷。截至2006年底，、其中特大橋梁1036座、大橋30982座、比上年增加了218座、。以Internet為例，由于網絡結構復雜、安全性和可靠性無法達到較高的質量，單純依賴以IPv4協議為核心的Internet進行遠程數據通信時，對水庫大壩、大型橋梁[1]和電力設備等涉及公共利益、可靠性和安全性要求較高的遠程監(jiān)控存在很大的風險。本文主要研究大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的數據傳輸方法，在研究其數據交換特點的基礎上提出了多優(yōu)先級數據發(fā)送緩存隊列的核心交換機制，在考察了各種監(jiān)控現場的通信條件、分析了各種通信技術特征的基礎上提出了混合使用多種或多個通信信道進行數據傳輸的混合通信機制，進而提出了一種適用于大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)的混合通信技術。關鍵詞：遠程監(jiān)控， 混合通信， 通信協議， 可靠性， 安全性Research on Data Transmission in Remote Monitoring System of Large Constructions Structural SafetyAbstractRemote monitoring for large constructions structural safety is one of the important means to avoid the occurrence of disastrous accidents. It can use modern technique of sensor and munication to acquire real time structural state and various environmental informations of large constructions structural, and monitor its response and behavior during its operation. It also analyses and evaluates this construction structural health to provide corresponding decision support.This paper makes a research on data transmission in remote monitoring system of large constructions structural safety. With profound analyzing on the features of data exchange, a core exchange mechanism is put forward, which supports multiple priority data buffer queues. Based on the investigation of the munication conditions in various monitor systems and analyses the characteristic of each munication technology, a hybrid munication mechanism is presented, which mixes multiple modes or links for