【正文】 quirements. 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(guó)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(yǔ)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。以Internet為例，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性和可靠性無法達(dá)到較高的質(zhì)量，單純依賴以IPv4協(xié)議為核心的Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信時(shí)，對(duì)水庫(kù)大壩、大型橋梁[1]和電力設(shè)備等涉及公共利益、可靠性和安全性要求較高的遠(yuǎn)程監(jiān)控存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的大型建筑結(jié)構(gòu)保障體系以人工定期檢測(cè)為主要特征，測(cè)試手段雖然不斷進(jìn)步，但仍有其固有缺陷。其中，監(jiān)控中心系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析處理和存儲(chǔ)功能并可以通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)子系統(tǒng)發(fā)出監(jiān)控指令，監(jiān)測(cè)點(diǎn)子系統(tǒng)處理監(jiān)控指令并讀取傳感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)控查詢子系統(tǒng)則可以在任何遠(yuǎn)程位置查詢各監(jiān)控點(diǎn)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)各類監(jiān)控指令和數(shù)據(jù)的有效傳輸。通過將遠(yuǎn)程通信和Web技術(shù)運(yùn)用于監(jiān)控系統(tǒng)中，使地理上分散的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)得以統(tǒng)一的管理，同時(shí)還運(yùn)用了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)極大地方便了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。而且作為傳感元件，它有一個(gè)最為突出的優(yōu)點(diǎn)是感應(yīng)的信息用波長(zhǎng)編碼，而波長(zhǎng)這個(gè)絕對(duì)參量不受光源功率的波動(dòng)及連接或耦合損耗的影響。JAVA和Bayesian由于大型建筑結(jié)構(gòu)安全關(guān)系到國(guó)家、人民的利益，因此監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性要求較高，而通信鏈路是整個(gè)系統(tǒng)容量和性能的決定性因素，因此在選擇通信方案時(shí)必須考慮以下幾方面的因素和指標(biāo)：性能指標(biāo)，包括數(shù)據(jù)傳輸帶寬、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)等指標(biāo)；容量指標(biāo)，包括主要信道覆蓋范圍、接入節(jié)點(diǎn)密度、可移動(dòng)性等指標(biāo)；可靠性指標(biāo)，包括接通率、數(shù)據(jù)丟失率、誤碼率等指標(biāo)；安全性指標(biāo)，數(shù)據(jù)通信安全的能力，要求數(shù)據(jù)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(biāo)，包括通信網(wǎng)接入成本，設(shè)備、功耗和通信鏈路使用費(fèi)用、通信設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等指標(biāo)。本文組織結(jié)構(gòu)如下：第一章介紹了課題背景和研究現(xiàn)狀，確定了研究?jī)?nèi)容；第二章對(duì)大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)交換要求和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行了分析和對(duì)比研究后，提出了混合通信技術(shù)，并討論和分析了混合通信中的數(shù)據(jù)交換隊(duì)列模型及性能、各種通信信道傳輸時(shí)延；第三章提出了混合通信協(xié)議的層次架構(gòu)，設(shè)計(jì)了各層的主要功能和層間接口；第四章，介紹了用JAVA技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的混合通信協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)交換、可靠性和安全性處理等核心功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析；第五章，對(duì)協(xié)議的功能和性能進(jìn)行了測(cè)試、分析，并介紹其在一個(gè)示范性工程中的應(yīng)用；最后一章，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，展望了本文提出的混合通信技術(shù)未來的完善工作和進(jìn)一步研究的方向。 現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分析 一般性數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)，一般由電信營(yíng)運(yùn)商提供服務(wù)，具有性能穩(wěn)定、成本低廉、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，包括多種有線和無線通信技術(shù)，如窄帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)、寬帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)、LAN和ADSL技術(shù)、無線GSM和GPRS、CDMA技術(shù)等，是目前一般性遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以使用的主要通信手段。LAN (Local Area Network)，即以太局域網(wǎng)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式靈活多樣，針對(duì)不同的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)密度、傳輸?shù)囊?，可采用各種有線寬帶網(wǎng)絡(luò)、射頻通信、無線信道、衛(wèi)星通信等多種通信手段，尤其對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的利用為大型建筑結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)提供了很多便利。GSM移動(dòng)公網(wǎng)利用頻率復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率資源的有效利用，采用數(shù)字制式，網(wǎng)絡(luò)基本已經(jīng)覆蓋全國(guó)范圍，特別是大中城市和主要道路均有很好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。在IPv4下這兩種通信協(xié)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。分層設(shè)計(jì)時(shí)需合理區(qū)分監(jiān)控相關(guān)的功能和通信相關(guān)的功能，并將其分離開來，分別在不同的層次實(shí)現(xiàn)之。內(nèi)置安全性和可靠傳輸機(jī)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(wǎng)絡(luò)狀況下通信協(xié)議的表現(xiàn)也差異較大，在開發(fā)混合通信協(xié)議時(shí)要考慮最壞的情況，并按正常情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此在混合通信協(xié)議的設(shè)計(jì)中應(yīng)內(nèi)置安全性和可靠傳輸機(jī)制，以降低對(duì)信道特性的依賴性。而在當(dāng)前的軟硬件條件下，混合通信轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的速率非?？欤詫?shí)際上兩種處理模式的實(shí)時(shí)特性差別并不明顯。同樣，在經(jīng)過防火墻時(shí)，防火墻會(huì)對(duì)報(bào)文進(jìn)行掃描、過濾，不同效率的防火墻、不同的過濾次數(shù)(經(jīng)過防火墻的個(gè)數(shù))等，都會(huì)對(duì)報(bào)文的傳輸延時(shí)產(chǎn)生影響；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的不同實(shí)現(xiàn)方式：數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的傳輸存在多種實(shí)現(xiàn)方式，在完全相同的上層協(xié)議和底層的物理鏈路上，不同傳輸機(jī)制的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸延時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。合理的解釋是負(fù)載的不確定性變化導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)變化的不確定性。對(duì)因特網(wǎng)路由行為的研究表明通信雙方或多方在會(huì)話期間路由很少改變，大部分的數(shù)據(jù)流沿同一條物理路徑傳輸，也被稱為路由的持久性。其一、網(wǎng)絡(luò)本身的性能，即完全獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法，僅與網(wǎng)絡(luò)本身的硬件特性相關(guān)，主要包括以下三個(gè)方面的因素：網(wǎng)絡(luò)的物理介質(zhì)：不同的物理介質(zhì)，例如光纖、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等，隨著底層物理信號(hào)實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)換的不同，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)本身帶寬各不相同，因此對(duì)于具有一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)報(bào)文而言，其傳輸速度也各不相同。所謂搶占式服務(wù)模式是指當(dāng)系統(tǒng)正在為低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)提供服務(wù)時(shí)，如果有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)信息到達(dá)，系統(tǒng)會(huì)中止對(duì)當(dāng)前低優(yōu)先級(jí)信息的服務(wù)而轉(zhuǎn)向?yàn)樾碌竭_(dá)的高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)提供服務(wù)；所謂非搶占式服務(wù)模式則是指當(dāng)上述情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)并不中止當(dāng)前服務(wù)，而只是在當(dāng)前對(duì)低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的服務(wù)結(jié)束時(shí)再轉(zhuǎn)向?yàn)樾碌竭_(dá)的高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)。采用數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖隊(duì)列可有效降低各子系統(tǒng)之間的耦合度，在發(fā)送進(jìn)程的執(zhí)行過程中引進(jìn)一個(gè)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(cuò)概率，并有助于分布式數(shù)據(jù)采集、集中式數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。 混合通信技術(shù)的設(shè)計(jì)思想分層設(shè)計(jì)由于監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信過程十分復(fù)雜，開發(fā)混合通信技術(shù)并為其制定相應(yīng)的協(xié)議有較大的困難。UDP與TCP位于同一層，但對(duì)于數(shù)據(jù)包的順序錯(cuò)誤或重發(fā)處理是不同的。GSM可以用于低速率要求的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，由于其無線和移動(dòng)的特點(diǎn)可以適應(yīng)移動(dòng)監(jiān)控的需要，也能解決ADSL、LAN的覆蓋和接入距離的問題。CDMA(Code division multiple access )，又稱為碼分多址，為現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換、國(guó)際漫游等要求而設(shè)計(jì)的一種移動(dòng)通訊技術(shù)，CDMA基于擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)，傳輸速度可達(dá)到153Kbps。ADSL采用的是專線的連接方式，ADSL調(diào)制解調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)總是處于連接的狀態(tài)，免去了撥號(hào)上網(wǎng)的麻煩。因此為防止非法入侵，惡意破壞，就要做好數(shù)據(jù)加密傳輸和監(jiān)控點(diǎn)認(rèn)證等一系列安全性處理。 本文的研究工作與內(nèi)容結(jié)構(gòu)本課題來自浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目—※※※※※※※※※※※※方法研究(編號(hào)※※※※※※※)，主要研究大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸方法。比特率，在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，它用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位(bit)數(shù)來表示，其單位為每秒比特?cái)?shù)bit/s(bps)、每秒千比特?cái)?shù)(Kbps)或每秒兆比特?cái)?shù)(Mbps)來表示。1997年1月，首屆基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷工作會(huì)議由斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合主辦，會(huì)議主要討論了有關(guān)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開放式體系、診斷信息規(guī)程、傳輸協(xié)議及對(duì)用戶的合法限制。目前，常用的傳感器材料主要有壓電材料、形狀記憶合金材料和光導(dǎo)纖維材料。目前的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大多基于客戶機(jī)/服務(wù)器C/S體系結(jié)構(gòu)(或其擴(kuò)展結(jié)構(gòu))開發(fā)的，早期的2層C/S結(jié)構(gòu)比較適合于在小規(guī)模、用戶較少、單一數(shù)據(jù)庫(kù)且有安全性和快速性保障的局域網(wǎng)環(huán)境中運(yùn)行。工程應(yīng)用的需求和大量的實(shí)踐使得大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控取得了長(zhǎng)足