【正文】 多優(yōu)先級別，如本文中設計的協(xié)議最多允許發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級為八個級別。并且，在某些介質(zhì)中，還需要對數(shù)字信號進行調(diào)制和解調(diào)，以實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號甚至是光信號的相互轉變，因此相對而言額外的時間開銷較大；當前傳輸所需經(jīng)過的路由、轉發(fā)次數(shù)、過濾次數(shù)：路由器的路由、轉發(fā)實現(xiàn)需要時間，而在路由上等待轉發(fā)也同樣需要時間。而不同的協(xié)議，有著不同的發(fā)送機制和速率控制模式，其實現(xiàn)方式也各不相同。但由于路由持久性的存在，動態(tài)路由機制并不能使信息傳遞路由跳數(shù)不斷產(chǎn)生變化。 接入。因此，動態(tài)路由機制并不是延時不確定性產(chǎn)生的根本原因。因此，報文越長，頻率越高，其傳輸時延也就越大；此外，當前的網(wǎng)絡流量、處理機性能(包括其接收、處理數(shù)據(jù)報文的速度)和其當前的作業(yè)量等，也對網(wǎng)絡傳輸時延產(chǎn)生影響。同時，網(wǎng)絡中的交換機或路由器均有輸入和輸出緩沖隊列，當路由器負荷越重，等待隊列越長，延時也就越大。另外，本文還提出了隊列數(shù)據(jù)發(fā)送失敗和換信道直接重發(fā)的機制，可以看作是一種帶有反饋的多優(yōu)先級隊列[42]，會增加系統(tǒng)平均總延時；而如果允許發(fā)往同一目的地的數(shù)據(jù)包進行復用處理，則會將降低系統(tǒng)平均總延時。其次，兩種信息處理模式的性能差別主要是由單個數(shù)據(jù)的平均處理速率決定的。根據(jù)大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的實際情況，結合隊列模型[41]所需的條件，對混合通信中的數(shù)據(jù)交換作如下假設：每條信息長度相等，且不作復用，到達概率服從泊松分布，速率為λ(高、低優(yōu)先級分別為λ1和λ2)，其中高優(yōu)先級所占比率為α。實際上緩存隊列的設置也降低了產(chǎn)生數(shù)據(jù)的應用進程和信道間的耦合度，提高了系統(tǒng)的開發(fā)和運行效率?？鐚釉O計的核心思想就是實現(xiàn)兩個或更多協(xié)議層之間的優(yōu)化和控制，以及相互間信息的交換，從而達到顯著的網(wǎng)絡系統(tǒng)性能改善的目的。混合通信技術采用分層的設計思想，同時考慮到混合通信協(xié)議向下需要支持不同種類和數(shù)量的通信鏈路接口，向上需要對遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等不同功能應用提供可裁減的開放性支持。并且為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，應正視通信子系統(tǒng)的地位，盡量提高通信子系統(tǒng)的效率。同時，依賴于單一通信信道的監(jiān)控系統(tǒng)容易因信號干擾、網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量和網(wǎng)絡擁塞等因素引起鏈路中斷，影響應用系統(tǒng)的有效性和可用性。其中IP層接收由網(wǎng)絡接口層發(fā)來的數(shù)據(jù)包，并把該數(shù)據(jù)包發(fā)送到更高的TCP或UDP層；相反，IP層也把從TCP或UDP層接收來的數(shù)據(jù)包傳送到更低層。但由于其發(fā)展時間短，所以目前只覆蓋了大中城市的主要地區(qū)，而SMS的覆蓋范圍幾乎與GSM網(wǎng)的覆蓋范圍相同。但是，利用電話網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信時，通過握手應答建立數(shù)據(jù)鏈路的時間較長，如果數(shù)據(jù)采集點較多，則通信效率將大幅度降低、費用相對比較昂貴，不適合于大容量系統(tǒng)。有線監(jiān)控一般可以實現(xiàn)視頻監(jiān)控、實時監(jiān)控等實時性要求高、數(shù)據(jù)量大、監(jiān)控點較為集中的情形，無線監(jiān)控則適合于監(jiān)控范圍隨機變化或者難以布線、數(shù)據(jù)量不大、實時性要求不太高的場合。我國于1993年開始建立GSM實驗網(wǎng)，目前已建立了覆蓋全國的數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)。ADSL的傳輸距離限制在5km以內(nèi)，而ADSL2/ADSL2＋則在距離7km的情況下提供下行192kbps和上行128kbps的速率。 常規(guī)商用數(shù)據(jù)通信手段常規(guī)的商用數(shù)據(jù)通信手段的獲取比較容易，成本也較低廉，因此討論基于常規(guī)商用數(shù)據(jù)通信手段建立大型建筑結構安全遠程監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸技術具有一般性意義和推廣價值?？梢詮谋举|(zhì)上把這些信息抽象為消息形態(tài)進行表達和傳輸，可以簡單的把并行訪問變成串行訪問，把大型建筑遠程監(jiān)控的遠程數(shù)據(jù)傳輸任務確定為進行安全、可靠、有效的遠程消息交換。另外，可靠性低引起的數(shù)據(jù)重復也會進一步造成通信鏈路的擁塞，從而導致重要的數(shù)據(jù)無法及時到達，而到達的數(shù)據(jù)若無法保證其正確性也將影響監(jiān)控系統(tǒng)的判斷。同時，本文基于該技術設計了一個用于大型建筑結構安全遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕旌贤ㄐ艆f(xié)議并用JAVA技術開發(fā)實現(xiàn)，在進行一系列的性能和功能測試后在某大橋結構損傷遠程監(jiān)控系統(tǒng)中進行了實踐應用。由于和有線網(wǎng)絡的巨大差異，現(xiàn)有眾多的數(shù)據(jù)安全和可靠性保護的方案和技術并不能直接用于無線網(wǎng)絡。誤碼率，誤碼率指在數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤率，在計算機網(wǎng)絡中一般要求數(shù)字信號誤碼率低于106。而隨著無線通信技術[18]的迅速發(fā)展，基于GSM/SMS、GPRS和CDMA等數(shù)字無線移動通信的覆蓋范圍和通信質(zhì)量日益完善，也開始應用于遠程監(jiān)控，特別適合于移動監(jiān)控點、監(jiān)控范圍多變或者難以布線、有線通信網(wǎng)絡和寬帶接入無法到達的場所，但其帶寬較小、抗干擾能力較弱，只適合于要求不太高的場合。Testbed用嵌入式Web組網(wǎng)、用實時大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)在應用領域不斷開闊的同時，對安全性、可靠性要求也越來越高。同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器在傳感網(wǎng)絡應用中具有非常明顯的技術優(yōu)勢。在此基礎上利用通信網(wǎng)絡構建的分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)符合OPC規(guī)范，可以采用面向對象的Java技術作為分布式計算手段，充分集成了OPC技術與Java技術的優(yōu)點，具有良好的開放性、可擴展性、平臺無關性以及較大的先進性等特點。在這類架構中，一般監(jiān)控管理終端采用瀏覽器實現(xiàn)，作為系統(tǒng)面向用戶的窗口為維護操作人員提供實施各類監(jiān)控操作、管理操作和進行相關數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析與生成統(tǒng)計分析圖表操作的人機界面。監(jiān)控查詢子系統(tǒng)需要提供系統(tǒng)管理以及維護人員在遠程進行查詢和控制功能，包括在線電子地圖、數(shù)值標注、閾值報警和監(jiān)控指令查詢等功能，報警的結果也可以通過短信、郵件等方式進行通知。 大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)及其關鍵技術 一般性結構一般大型建筑遠程監(jiān)控系統(tǒng)[10]架設在一個地理位置分散的廣域通信網(wǎng)絡上，可以分解為監(jiān)控中心系統(tǒng)、現(xiàn)場的監(jiān)測點子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和遠程的監(jiān)控查詢子系統(tǒng)。美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設監(jiān)測傳感器，如佛羅里達州Sunshine Skyway Bridge橋上安裝了500多個傳感器，英國80年代后期開始研制和安裝大型橋梁的監(jiān)測儀器和設備，并調(diào)查和比較了多種長期監(jiān)測系統(tǒng)的方案優(yōu)缺點。為了保障大型建筑正常工作、防止因結構受損或老化而造成重大公共安全事故，需做好其結構特性的定期或實時測量、監(jiān)視和控制，并建立起相應的數(shù)據(jù)分析模型和預警體系。以道路和橋梁設施的建設為例，根據(jù)國家統(tǒng)計局2007年公布的最新數(shù)據(jù)，、公路里程由2002年的177萬公里增至2006年的346萬公里，%（2006年含農(nóng)村公路，增長速度按可比口徑計算），%，公路等級明顯提高，路況明顯改善。目前擁有多種通信技術和商用通信網(wǎng)絡，但還不能完全適應大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的要求。大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸方法研究摘 要對大型建筑結構安全進行遠程監(jiān)控是避免其發(fā)生災難性事故的重要手段之一，其方法主要是運用現(xiàn)代傳感與通信技術，通過實時獲取結構狀態(tài)數(shù)據(jù)和各種環(huán)境信息，對大型建筑運營階段的結構響應與性態(tài)行為進行遠程監(jiān)測，并分析評估其結構的健康狀態(tài)、提供相應的決策支持。遠程數(shù)據(jù)傳輸技術是實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的關鍵技術，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，也將影響系統(tǒng)的建設、運營和維護成本等經(jīng)濟指標。其中，2003年至2006年間基礎產(chǎn)業(yè)和基礎設施建設固定資產(chǎn)投資總額為120271億元，是1978年到2002年的近兩倍，％。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)測預警系統(tǒng)，仍難避免事故的發(fā)生。以橋梁為例，目前超大跨度橋梁[6]設計中許多問題有待進一步研究，由運營中的大橋結構及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究的補充，而且可以提供有關環(huán)境橋梁結構行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。結合智能材料與結構、計算機技術、傳感網(wǎng)絡等學科的迅猛發(fā)展，并充分考慮大型建筑的客觀需要，大型建筑結構安全遠程監(jiān)控研究的重要領域和發(fā)展方向[8]主要包括：先進的智能傳感元件及分布式、大規(guī)模傳感網(wǎng)絡；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；結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)的合理架構和開發(fā)技術；結構安全實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與決策支持技術；結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩匝芯?；結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)自適應、低成本數(shù)據(jù)傳輸技術。數(shù)據(jù)采集處理的結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成，主要用來負責數(shù)據(jù)和指令的傳送。在C/S架構的基礎上，[11]的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。并在遠程異構平臺上實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的遠程監(jiān)測。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。 數(shù)據(jù)傳輸技術隨著我國基礎設施建設規(guī)模的不斷壯大，需要進行結構安全遠程監(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。之后，由這些公司共同推出了一個實驗性的系統(tǒng)Testbed。Instruments公司也在它的產(chǎn)品LabWindows/CVI以及LabVIEW中加入了網(wǎng)絡通信處理模塊，可以通過WWW、FTP、E_mail方式在網(wǎng)絡范圍內(nèi)進行監(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)進行了長期研究并在多個項目中進行了應用。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，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。該技術采用層次式架構設計，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建混合通信鏈路，可以針對不同通信條件和通信要求的應用構建簡單、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。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的監(jiān)控操作。良好的系統(tǒng)構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。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行遠程數(shù)據(jù)的采集和傳輸，也限制了其使用范圍。而ADSL2＋由于使用更寬的頻譜、更多的子載波數(shù)，當距離較短時下行速率最高可達24Mbps，＋。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。根據(jù)監(jiān)控信息的傳輸方式，遠程監(jiān)控系統(tǒng)一般可以分為有線和無線兩種。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問題，而且系統(tǒng)擴展極為方便，具有較大的推廣應用前景。GPRS和CDMA[28]一般按流量計費，因此應用于數(shù)據(jù)流量較小的結構監(jiān)控時運行費用低廉，能夠實現(xiàn)靈活可靠的移動數(shù)據(jù)接入，比GSM優(yōu)越很多。這四層分別為：應用層實現(xiàn)了網(wǎng)絡上不同主機的應用程序間的溝通，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)絡遠程訪問協(xié)議等；傳輸層提供了節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳送服務，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?，這一層負責實現(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)絡層負責提供基本的數(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)包都能夠到達目的主機；網(wǎng)絡接口層則是對實際的網(wǎng)絡媒體進行管理，定義如何使用物理網(wǎng)絡，如Ethernet、Serial Line等來傳送數(shù)據(jù)。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，需要用戶在應用軟件中自行解決可靠傳輸問題。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。實際上，通信協(xié)議最適合的架構方式就是層次系統(tǒng)[39]，采用層次結構的協(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；其次，靈活性好，當任何一層發(fā)生變化時，只要接口關系保持不變則在這層以上和以下各層均不受影響；再者，結構上可分割，各層都可以采用最合適的實現(xiàn)技術；同時，易于實現(xiàn)和維護，分層結構使得實現(xiàn)和調(diào)試一個龐大而復雜的系統(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都已有精確的說明，能促進標準化工作。無論是有線網(wǎng)絡還是無線網(wǎng)絡，都可用該技術來改善網(wǎng)絡的性能。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。輸出緩沖隊列緩存發(fā)往信道相關的通信接口層的數(shù)據(jù)，每個信道連接設一個輸出隊列，兩種優(yōu)先級的數(shù)據(jù)共享同一隊列。要實現(xiàn)搶占式處理，必須能夠實時地獲得高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的到達信息，而目前的操作系統(tǒng)一般都是消息驅動的分時系統(tǒng)，無法保證在運行信息處理程序時，一定會馬上對新到達的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的消息進行處理，所以實現(xiàn)起來難度較大。模型中已假設各網(wǎng)絡信道的時延對網(wǎng)絡阻塞的影響是一樣的，而實際上不同時延的網(wǎng)絡信道將有不同程度的影響。因此經(jīng)過的路由器個數(shù)越多，轉發(fā)的次數(shù)越多，帶來延時也就越大。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。而數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡延時則是不斷地發(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