【正文】 data transmission. And then we propose a hybrid munication approach rendered for the use in remote monitoring system of large constructions structural safety.This thesis uses the hierarchy schema framework to design and develop such hybrid munication technology and its munication protocols. Based on the various mature, mercial and low cost munication networks, the proposed technique can scheme multiple munication modes and links to apply hybrid data exchange channels under the different munication conditions and meet the given requirements. The application functions layer of hybrid munication protocol provides the foundational functions of remote monitoring system, at the same time, it offers an open interface standards for expanding in different types of engineerings. The core of data exchange layer is a multiple priority data transmission buffer queue that can offer standby, redundancy and parallel modes. In unreliable and insecure munication channels, the munication interface layer has a buildin unified mechanism to assure monitoring mands and data exchanging effectively and reliably, also it can run under various poor munication environments, having breakageproof, antibugging and antireplaying.The hybrid munication protocol has been implemented with Java technology which is independent of platform, and it can be spread into different application of remote monitoring and data acquisition system. After testing on the functions and performance of this protocol, it has been used in remote monitoring system of one bridge structural damage for the practice. The adaptability, validity, reliability and security of this protocol have been preliminarily shown in remote monitoring system of large constructions structural safety.Key Words：Remote Monitoring， Hybrid Communication， Communication Protocol， Reliability， Safety目 錄引 言 11 緒論 2 研究背景 2 大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控的意義 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù) 5 一般性結(jié)構(gòu) 5 系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù) 6 傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 7 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 8 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究的重要性 9 數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量要求 9 目前存在的主要問題 10 本文的研究工作與內(nèi)容結(jié)構(gòu) 112 大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸 13 大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn) 13 現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分析 14 一般性數(shù)據(jù)通信方式 14 常規(guī)商用數(shù)據(jù)通信手段 15 現(xiàn)有技術(shù)的適應(yīng)性分析 16 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分析 18 大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控混合通信技術(shù)的提出 19 混合通信技術(shù)的提出原因 19 混合通信技術(shù)的設(shè)計(jì)思想 20 混合通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸能力分析 22 混合通信交換隊(duì)列性能分析 22 Internet傳輸?shù)臅r(shí)延影響 24 接入信道的時(shí)延影響 27 SMS傳輸?shù)臅r(shí)延影響 28 本章小結(jié) 303 大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控混合通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 31 協(xié)議層次設(shè)計(jì) 31 分層原則 31 層次結(jié)構(gòu) 31 層間接口 33 通信接口層設(shè)計(jì) 34 功能子層劃分 34 MPacket協(xié)議數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu) 35 數(shù)據(jù)傳輸可靠性設(shè)計(jì) 36 數(shù)據(jù)傳輸安全性設(shè)計(jì) 38 數(shù)據(jù)交換層設(shè)計(jì) 42 功能和設(shè)計(jì)思路 42 隊(duì)列管理 43 MData協(xié)議數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu) 44 功能應(yīng)用層設(shè)計(jì) 45 協(xié)議開放性 45 MMessage協(xié)議數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu) 45 功能應(yīng)用層主要監(jiān)控指令 46 本章小結(jié) 474 混合通信協(xié)議的開發(fā)實(shí)現(xiàn) 49 協(xié)議開發(fā)實(shí)現(xiàn) 49 開發(fā)語言的選擇 49 開發(fā)框架的選擇 50 開發(fā)模式選取 51 協(xié)議軟件組成與結(jié)構(gòu) 52 ApplicationFunctionLayer包 52 DataExchangeLayer包 53 CommunicateInterfaceLayer包 55 協(xié)議核心功能的實(shí)現(xiàn) 58 隊(duì)列管理 58 數(shù)據(jù)交換層發(fā)送和接收管理 59 協(xié)議可靠性的實(shí)現(xiàn) 61 協(xié)議安全性的實(shí)現(xiàn) 67 子信道接口 71 本章小結(jié) 745 混合通信協(xié)議測(cè)試分析與應(yīng)用 76 一致性測(cè)試和互操作測(cè)試 76 協(xié)議測(cè)試原理 76 協(xié)議功能測(cè)試 80 協(xié)議性能測(cè)試分析 84 數(shù)據(jù)載荷對(duì)RTT影響的測(cè)試與分析 84 安全性處理對(duì)RTT影響的測(cè)試與分析 87 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)RTT影響的測(cè)試與分析 88 混合通信協(xié)議的應(yīng)用實(shí)踐 91 工程背景 91 系統(tǒng)構(gòu)架 93 運(yùn)行狀況 95 本章小結(jié) 986 結(jié)論 99 本文總結(jié) 99 進(jìn)一步的工作 100參考文獻(xiàn) 102附錄A 多優(yōu)先級(jí)緩存隊(duì)列性能計(jì)算 106在學(xué)研究成果 110致 謝 111引 言橋梁、隧道、抗洪工程、海防工程、水利工程和高等級(jí)公路等是具有重大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治乃至軍事意義的大型建筑，為保障其正常運(yùn)營(yíng)和服務(wù)、防止結(jié)構(gòu)災(zāi)害事故的發(fā)生，需要對(duì)其進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控。1 緒論 研究背景 大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控的意義我國是目前世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度最快的國家之一，每年基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入都占到國民生產(chǎn)總值的較大比例。煤礦、公路、隧道和水庫大壩[4]等大型建筑一旦發(fā)生事故也極易形成災(zāi)難，不僅會(huì)造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)產(chǎn)生極壞的社會(huì)影響，甚至威脅到國計(jì)民生和國防安全。近些年來，許多國家和地區(qū)在大型建筑結(jié)構(gòu)上嘗試著布設(shè)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，堅(jiān)持常年的檢測(cè)并逐步完善之。雖然這些年來先進(jìn)傳感元件和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了快速發(fā)展，但由于成本過高只能作一些嘗試性研究或小范圍關(guān)鍵場(chǎng)合的應(yīng)用。根據(jù)這些配置參數(shù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)子系統(tǒng)定時(shí)調(diào)用各采集模塊，并通過各種采集接口采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和物理量換算。隨著應(yīng)用系統(tǒng)的大型化以及用戶對(duì)系統(tǒng)性能要求的不斷提高，近年來已普遍采用三層方式的C/S模式。利用OPC技術(shù)可以構(gòu)建開放的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警處理、歷史數(shù)據(jù)處理等功能。其中，由于光導(dǎo)纖維材料具有徑細(xì)、柔韌、體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、抗電磁干擾強(qiáng)、能耗少、造價(jià)低廉、便于實(shí)現(xiàn)分布式和準(zhǔn)分布式監(jiān)測(cè)、集信息傳輸和傳感于一體，寬頻帶和高數(shù)據(jù)率以及耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)良特性，因此在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)中應(yīng)用光纖傳感器較為理想，其中尤以光纖光柵傳感器的性能和功能最為突出。隨著傳感器智能化、低功耗、高可靠、高性能的發(fā)展，為遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集帶來了方便的同時(shí)，也增加了數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件體系結(jié)構(gòu)、通信信道和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也提出了更高的要求。于此同時(shí)，由斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院合作開發(fā)基于Internet的下一代遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷示范系統(tǒng)，也得到了制造業(yè)、計(jì)算機(jī)業(yè)和儀器儀表業(yè)的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的支持和配合。DDE)的方式向遠(yuǎn)程終端發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，著名的National波特率，波特率指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來表示，其單位為波特(Baud)，波特率與比特率的關(guān)系為：比特率=波特率單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。移動(dòng)通信技術(shù)[19]的出現(xiàn)使人類擺脫了長(zhǎng)期以來對(duì)有線通信線路的依賴和束縛，也解決了網(wǎng)絡(luò)布設(shè)困難的問題，其移動(dòng)性、便捷性和即時(shí)性徹底變革了信息交流的方式，但是移動(dòng)通信技術(shù)在賦予用戶通信自由的同時(shí)也帶來一些不安全因素。根據(jù)大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控指令與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交換和傳輸?shù)奶攸c(diǎn)及要求，本文對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行了分析、對(duì)比研究后，提出了一種適用于大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的混合通信技術(shù)，可以解決現(xiàn)有大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控中的通信子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和開放性不足的問題，可以不依賴于單一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、并支持多個(gè)鏈路的通信網(wǎng)絡(luò)?？煽啃砸螅捍笮徒ㄖY(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控具有重大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治乃至軍事意義，其數(shù)據(jù)通信的可靠性能一向受到高度重視，特別是在信息戰(zhàn)興起的今天更是如此。數(shù)據(jù)和指令傳輸方式：一般的遠(yuǎn)程監(jiān)控多數(shù)采用一個(gè)監(jiān)控中心系統(tǒng)通過通信子系統(tǒng)連接多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的方式構(gòu)建，監(jiān)測(cè)點(diǎn)子系統(tǒng)可以采用上位機(jī)和下位機(jī)的組合構(gòu)建分布式、分級(jí)的監(jiān)控系統(tǒng)。衛(wèi)星通信方式是可以覆蓋全國乃至全球的通信手段，但該類系統(tǒng)的通信終端價(jià)格高，而且通信費(fèi)用昂貴，通常僅用于其他通信方式無法覆蓋的如海洋、荒漠等地區(qū)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。新型的ADSL2由于幀結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化的RS編碼，最高下行速率可達(dá)12Mbps。GSM(Global System for Mobile Communications) [24]，是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)設(shè)計(jì)的一種蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通信體制中最成熟、最完善、應(yīng)用最廣的一種。 現(xiàn)有技術(shù)的適應(yīng)性分析隨著以寬帶互聯(lián)網(wǎng)和無線移動(dòng)通信為代表的現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)分散在不同地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、監(jiān)視或控制成為可能，而且寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的帶寬較寬，選用其作為數(shù)據(jù)傳輸手段，可以突破傳統(tǒng)的橋梁等大型建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)僅靠定期目測(cè)、外觀檢測(cè)的靜態(tài)模式或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模式的局限，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，節(jié)約了人力和財(cái)力、提高了準(zhǔn)確性。上位機(jī)由PC和主叫Modem組成，下位機(jī)控制、數(shù)據(jù)管理等，下位機(jī)由被叫Modem和數(shù)據(jù)采集模塊組成。而GSM/SMS[27]更是一種經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)傳輸手段，對(duì)數(shù)據(jù)量較小的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用十分合適，但其實(shí)時(shí)性不好，在短信高峰時(shí)期短信隊(duì)列會(huì)影響傳輸延時(shí)甚至丟包，并且通信數(shù)據(jù)包有大小限制。TCP/IP通信協(xié)議采用了四層的協(xié)議結(jié)構(gòu)，每一層都調(diào)用下層提供的服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。因此，UDP不被應(yīng)用于那些使用虛電路的面向連接的服務(wù)，而主要用于那些面向查詢/應(yīng)答的服務(wù)，這些服務(wù)需要交換的信息量較小。對(duì)大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而言，其數(shù)據(jù)通信的構(gòu)建應(yīng)根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件和需要采集的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)密度、分布范圍、傳輸要求的不同靈活選用相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，并能根據(jù)監(jiān)控的需要采用多種通信方式進(jìn)行組合通信，或利用多個(gè)信道實(shí)現(xiàn)備用、冗余、并行等通信方式，構(gòu)建適用于大型建筑遠(yuǎn)程監(jiān)控的混合通信[33]方式。通常，為了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上的方便，把復(fù)雜的協(xié)議分解為一些較為簡(jiǎn)單的部分，然后通過各部分之間的接口組合起來，構(gòu)建分層的協(xié)議[38]?？鐚訉?shí)現(xiàn)和優(yōu)化是一種嶄新的設(shè)計(jì)模式，其目的就是通過跨層信息的交互來改善網(wǎng)絡(luò)總的系統(tǒng)性能，諸如網(wǎng)絡(luò)容量，能效以及對(duì)大量業(yè)務(wù)的QoS的支持等，也可以采用跨層技術(shù)支持無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的繼承和不同網(wǎng)絡(luò)的融合?？紤]到大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中常常有不同重要程度的數(shù)據(jù)發(fā)送，尤其對(duì)于報(bào)警數(shù)據(jù)和調(diào)度指令的傳輸需要確保其優(yōu)先級(jí)，因此在數(shù)據(jù)輸入緩存隊(duì)列時(shí)可能需要區(qū)分優(yōu)先級(jí)別，所以本文實(shí)際上采用的是一個(gè)多優(yōu)先級(jí)先入先出FIFO的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列。低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列采用限定服務(wù)規(guī)則，即系統(tǒng)每處理完本隊(duì)列一條信息后要檢查高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，只有當(dāng)高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為空時(shí)，才處理下一條?；旌贤ㄐ胖械臄?shù)據(jù)交換選用了非搶占式的信息處理模式，主要是考慮以下三個(gè)原因：首先，混合通信中的數(shù)據(jù)交換不容易實(shí)現(xiàn)搶占式服務(wù)。在緩沖排隊(duì)模型中輸入隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)為高低兩級(jí)，在實(shí)際使用中可根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的需要將輸入隊(duì)列設(shè)為更