基于GIS的桥梁结构健康监测与管理信息系统.pdf

《基于GIS的桥梁结构健康监测与管理信息系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于GIS的桥梁结构健康监测与管理信息系统.pdf（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 G I S 技 术 运 用 文章编号 : 1001 - 7291 ( 2002)06 - 0067 - 05 文献标识码: B 基于 GIS 的桥梁结构健康监测与管理信息系统 程朋根 1 , 史文中 2 , 高赞明 2 ( 1. 东华理工学院测量系, 江西 抚州 344000; 2. 香港理工大学建设及地政学院, 香港 九龙) 摘要 : 桥梁结构健康监测对桥梁管理与维护非常重要, 监测信息的采集、管理 、可视化是系 统必须解决的问题。以香港青马大桥的监测数据为例, 研究开发了基于G IS 的桥梁结构健康监 测与管理信息系统, 并从系统总体设计、技术方案 、数据库结构设计、系统功能及系统实现等

2、方 面进行阐述。 关键词 : 地理信息系统; 桥梁 ; 结构健康监测; 管理 ; 信息系统 结构健康监测工作为评估结构的耐久性和可靠性 提供有价值的信息, 监测系统采集的原始数据和分析 结果对桥梁的管理、维护和验证桥梁设计参数来讲是 十分重要的信息。为了监测青马大桥、汲水门大桥和 汀九大桥的结构健康, 并对其结构评估, 香港路政署 设 计 和 安 装 了 一 套 桥 梁 结 构 健 康 监 测 系 统 ( WASHM S) 。它由传感器系统、信 息采集系统、信 息处理和分析系统、系统操作与控制系统以及电缆网 络五个子系统组成。整个系统有1 200 个传感器 , 其 中青马大桥有400 个 ,

3、所采集的数据量是海量的。如 果采用传统的数据文件格式来保存这些海量数据, 在 数据的存贮和访问方面显得非常困难。除了存贮来自 传感器的采集信息外, 系统的其它信息, 如桥址地形 信息 、传感器在桥上的位置信息、桥梁主要构件的健 康信息 、传感器信息等等, 都应在系统中进行有效的 管理 。由于采集数据的海量特征和采样点( 传感器位 置)的空间分布特征, 使得传统的基于文件和单机形 式的关系数据库的管理方法制约了系统管理空间信息 的效率 。为进一步研究提高该系统在存储、访问和分 发海量监测数据能力的可行性, 研究开发了基于地理 信息系统( GIS)的桥梁结构健康监测与管理信息系 统 ( GIS -

4、 BSH2M S)原型 。它是一个集成大型商用 数据库 、GIS 和网络技术的可运行在局域网或因特网 上的系统 。本文主要从系统总体设计、技术方案 、数 据库结构设计、系统功能以及系统实现等方面来阐述 基于 GIS 的桥梁结构健康监测与管理信息系统。 1 系统总体设计 桥梁结构健康监测信息系统中, 需要管理各种各 样的数据 , 有静态和动态数据、图形和非图形数据、 常规与海量数据, 如表 1 所示 。系统研究的目的是建 立一个能够对数据进行管理、处理与分析以及可视化 的系统 。其特征为: 集成 GIS 软件与大型关系数 据库技术 ; 能在局域网或因特网上运行, 即具有 客户/ 服务器体系结构;

5、 能够自动地建立和更新中 央数据库 ; 能够方便地访问任意传感器任意时间 段所采集的数据、并能对得到的数据进行分析和可视 化 。 表 1数 据特征表 数据特征 数据名称 动态静态图形非图形海量 桥址地形图 桥梁信息 传感器信息 监测采样数据 统计与分析结果 大型关系数据库系统是信息管理的有效工具, 如 SQL Server、Oracle 。基于客户 / 服务器体系结构的关 系数据库系统为年信息的管理和共享提供了更为有效 的手段 , 因此可以利用它们来管理自传感器采集来的 海量数据 。 GIS 是采集 、存贮 、管理 、集成和分析与地理分 布有关的各种类型数据的有效工具。 它是空间信息系 统 ,

6、 能同时管理空间信息和属性数据。在桥梁结构健 康监测系统中大多数信息与空间位置有关, 如桥梁的 地理位置 、一个桥梁连接点在桥的何处并连接那些桥 梁构件 、传感器在桥梁中的位置分布情况等, 这些与 位置有关的信息和关系属空间信息。 如果桥梁结构健 第 6 期 ( 总第 139 期)华东公路No . 6 ( Total No . 139) 2002 年 12 月 20 日EAST CHINAH IGHWAYDecember 2002 收稿日期: 2002 - 08 - 17 基金项目: 香港理工大学发展基金资助( 1 、31 、37、87A5) 康监测系统中采用GIS 技术 , 各种与桥梁有关的

7、大 到台风小到传感器等各种信息可以集成在一个系统中 进行管理 。此外 GIS 为系 统不同类型数据和分析结 果提供了有效的可视化手段。 图 1 系统框架示意 图 2 基于 ADO 技术方案示意 图 3 GIS 与 SQL 数据库连接示意 在基于 GIS 的桥梁结构健康监测与管理信息系 统中 , 大型数据库管理系用来管理从传感器采集来的 海量 数据 、桥梁与 传感器 的文 档和 各种 分析结 果 ; GIS 则是系统的核心, 它实现空间信息和非空间信息 的集成 , 即用于存贮、显示 、查询 、 分析和表示各种 与结构健康相关联的信息。系统概念框架设计图如图 68 华东公路2002年第 6 期 1

8、所示 。 在服务器端, 通过采用数据输入与数据库维护模 块 , 将来自监测系统的原始监测数据和分析结果被定 期地输入到动态变化的动态数据库中并定期进行备 份 。对于那些不变或很少变化的诸如桥址地形图、桥 梁图形信息、传感器信息等数据, 可以 利用 GIS 软 件建立一个静态数据库来存贮。利用系统的数据分析 功能 , 对传输来的数据进行诸如数据分类、过滤等预 处理 , 再按传感器或通道标识进行组织, 并输入中央 数据库中 。中央数据库是一个可以定期备份和更新的 动态数据库。 动 态数据库可以被不同目的用户所共 享 , 例如载荷响应监测、结构健康监测、损伤探测 、 疲劳分析等等。 用户通过系统的分

9、析模块控制界面选择特定的分 析模块调用中央数据库中的数据, 对分析结果可以图 形或报表的形式进行输出。有些分析结果, 尤其是统 计分析结果需要存贮以便长期使用, 因而需要建立静 态数据库 。静态数据库包含两种形式的数据, 一是系 统运行过程中逐渐生成的数据, 如对监测数据的统计 分析结果 ; 二是静态数据, 如桥梁结构信息和传感器 描述信息 。整个动态数据库、静态数据库和分析结果 数据库存贮在服务器端构成中央数据库。基于中央数 据库 , 用户可以进行数据输入、基于图形的查询、基 于条件的查询、各种分析及可视化。 在客户端 , 通过查询手段, 用户不仅可以从服务 器端得到不同传感器任意时间段的采

10、集数据, 而且可 以对得到的数据进行图形化显示或作进一步的分析处 理 。利用系统可视化功能, 对原始数据、分析结果和 图形信息以图形界面的形式展示给用户的功能。如监 测数据的历史曲线、统计分析直方图、受载荷和风力 影响的桥梁动态位移图、桥梁结构健康信息可视化, 以及桥梁 、传感器位置分布图等等。 2 技术方案 2. 1 系统开发环境 为更好地实现系统的功能, 集成不同的商业软件 来开发系统是非常重要的。根据总体设计方案, 系统 开发时集成的软件主要包括: 大型数据库系统( SQL Server) 、地理信息系统软件( Maptitude) 、高级程序 设计语言( VB6. 0) 、网页制作软件

11、( InterDev) , 网 络软件 、Window s2000 等 。 2. 2 开发技术路线 系统开发的技术路线有两种模式, 即基于ADO 技术 模式 , 基 于 ASP 技 术模式。对于第 一种 模式 , 程序分别存贮在服务器端和客户端, 数据存贮在服务 器端 , 在客户端 , 用户通过局域网到服务器端得到所 需的数据 , 通过客户端的应用程序对访问的数据进行 可视化和输出。在这种模式中, 数据通过ADO 技术 进行传输 。就第二种方案而言, 数据和程序都存贮在 服务器端 , 用户通过局域网采用ASP 技术访问数据, 这种方案存在的主要问题是如何动态显示所采集的历 史数据 。由于通过A

12、SP 技术时生成动态图形比较困 难 , 因此在局域网环境下采用ADO 技术方案, 而在 因特网上则采用ASP 技术 。图 2 为基于 ADO 技术方 案示意图 。 2. 3 GIS 与 SQL 数据库的连接 由于空间数据采用GIS 软件进行管理, 所采集 的监 测数 据 采用 SQL Server 数据 库进 行 , 为实 现 GIS 与 SQL 数据库之间的交互, 需要采用一个连接 标识符作为图形与属性数据之间的连接值, 系统实现 时可采用传感器标识、通道标识 、桥梁对象标识等做 连接值 , 如图 3 所示 。基于图形的查询时, 在图形界 面上点击目标 , 通过 GIS 功 能得到 图形 对

13、象标 识 , 根据图形对象标识到相应的属性数据库中结合查询条 件 , 就可提取图形对象的属性值。 2. 4 GIS 系统中空间信息的管理 系统中地图信息 、桥梁图 形数据 直接利用GIS 软件的空间数据管理功能进行分层管理。空间信息的 输入可以通过数据交换模块将桥梁设计图件综合后转 换为 GIS 能管理的图形模式, 也可利用地图数字化 软件对地图进行数字化录入。 3 数据库设计 3. 1 数据源分析 系统中需要管理的信息有: 传感器数据、通道数 据 、传感器位置信息、桥梁文档 、桥址及其所在区域 地形图 、采集的原始监测数据( 包括历史数据、频谱 数据及其各种分析结果)等等 。正如表 1 所提

14、及的那 样 , 这些数据可以划分成图形与属性、动态与静态、 常规与海量等不同特征。不同特征的数据应采用不同 的数据管理模式, 它们的数据库结构和存贮环境也不 尽相同 。 3. 2 数据库组织设计 为方便数据库的管理、存贮和恢复, 可以设计不 同形式的数据库, 如公共数据库、日数据库 。公共数 据库主要存贮静态的、变化较小的、 需要更长时间保 存的信息 , 如桥梁信息、传感器信息、通道信息 、分 析结果等 。由于所采集的监测为海量数据, 建立数据 69 2002 年第 6 期 程朋根 , 史文中 , 高赞明 : 基于 GIS 的桥梁结构健康监测与管理信息系统 库的目的是为了提高对监测数据的访问效

15、率, 因此采 用了每天建立一个数据库的方法来组织监测系统所采 集的动态数据。公共数据库的命名规则是桥梁名称的 缩写 , 例如 , 青马大桥( Ting Kua Bridge)的公共数 据库名为 TKBridgeDB 。为了便于数据库的备份和恢 复 , 日数据库的命名方法是公共数据库名加日期字 段 。如青马大桥2001 年 9 月 12 日的日数据库名是 TKBridgeDB01sep12 。 考虑到计算机硬盘容量的限制, 数据库只能存贮 一定时间段内的数据, 一定时期以前的数据需要备份 在光盘( 阵列)中 。为了便于管理备份信息, 在公共 数据库中设计了一个备份信息管理表( BTable) ,

16、 当 需要访问的数据已经不在当前数据库中时, 可以通过 查询条件中的日期信息从Btable 中找到日数据库的备 份光盘的存放位置, 然后对数据库进行恢复, 之后就 可以访问到所需的数据。对 于图形数据, 主要采用 GIS 软件进行管理; 与图形信息相关联的属性数据可 以设计相应的表并存在放在公共数据库中或直接利用 GIS 的属性管理功能实现。 3. 3 表设计 系统中涉及的表格比较多, 如传感器信息表、通 道信息表 、频谱数据表、监测数据统计表、数据库备 份信息表 、监测原始数据表等等。限于篇幅 , 本文只 列举几个数据表的设计。 3. 3. 1 传感器信息表 传感器信息表包含的字段有: 传感

17、器标识、传感 器类型 、维特征 、采样频率 、位置编码 、传感器图片 信息 、传感器历史记录等。 3. 3. 2 数据库备份信息表 备份信息表的特点是结构固定, 动态变化但每天 增加一条记录, 增长速度慢 , 因此可以将该表放在公 共数据库中 , 该表的记录字段包括: 备份标识 、桥梁 名 、数据库名 、数据库备份日期、备份文件名、备份 光盘当前状态、备份者 、备份使用历史记录等。 3. 3. 3 监测采样数据表 采样数 据具有数据量大 、动态性和非图形的特 点 。例如 , 加速 计 15 个 通道 1h 采集的 文本数据为 21 M , 一天 500 M , 这样具有67 个通道加速计传感

18、器的青马大桥一天的数据就达2 G。采样数据建表的 原则是 , 一个通道一天的数据应该存放在一个表中, 相同类型的传感器采集的数据放在一个表中或多个表 中 , 但它们存放的表名以及在表中的顺序号必须预先 设计并固定 , 这样会给数据的访问带来较大的方便。 为提高访问效率, 一个表所含的通道数最好不超过 20 。 实验过程中, 采用 5 个表存放青马大桥67 个加 速计的采样数据, 1 个表存放风速计的采样数据。采 样数据表的格式为: 采样时间 , 通道 1 的数据 , 通道 2的数据 , , 通道 m 的数据 。 图 4 服务器端系统操作界面示意 图 5 采样数据的历史记录可视化示意 4 系统功

19、能 根据系 统总体设计方案 , 系统应该具有如下功 能 : 数据输入 、数据管理 、数据备份和恢复、数据分 析与可视化。 4. 1 数据输入 通过局域网的形式, 接收来自信息采集站的数据 并连续不断地输入到中央数据库中。 对于地图 、桥梁 和传感器图形与位置信息可以直接利用GIS 软件的 数据输入功能实现。 4. 2 数据管理 数据管理有两种方式, 其一是采样数据与分析结 果 , 它们可以采用SQL Server 数据 库进行管理。另 一数据为地图和桥梁图形及其属性信息, 则采用 GIS 软件进行管理。为使用户方便操作系统, 两个系统应 统一在一个图形界面下。 70 华东公路2002年第 6

20、期 4. 3 数据库备份与恢复 对于动态数据库中一定时期之前( 如一个星期) 的数据必须备份到光盘或磁带等数据备份介质上, 并 在备份信息表中随时增加相应的备份信息。 4. 4 数据查询 数据查询有两种形式, 即基于空间的查询和基于 条件的查询。前者是基于位置的查询, 它需要通过 GIS 提供的图形界面来实现。例如 , 在地形图上选中 某桥梁可以得到该桥梁属性信息和桥梁图形, 在此基 础上点击传感器可以得到传感器的信息, 结合有关对 话框 , 可以得到该传感器某个通道从时间t 1 到时间 t 2 的采样数据。后者是用户直接从查询条件输入对 话框中输入条件信息后, 系统自动地根据输入条件访 问数

21、据库 , 并将满足条件的信息提供给用户, 如要获 得某传感器所有通道从t 1 时刻到t 2 时刻时间段内 的采样信息 , 则采用基于条件的查询比较方便。 4. 5 数据分析 数据分析分简单分析和复杂分析。复杂分析包括 对采样数据的频谱分析、损伤探测分析、基于神经元 的各种分析等; 而简单分析则指统计分析, 图形与采 样数据的压缩操作等等。 此外 , 利用 GIS 的空间分析功能可分析桥梁在 地震 、暴风等自然灾害破坏下, 对交通影响的程度。 4. 6 可视化 可视化内容包括对不同类型传感器采样的历史数 据的以时程曲线显示、频谱分析结果的图形显示、桥 梁结构健康信息的不同纹理或颜色的表示、地图信

22、息 的表示以及桥梁图形的显示等等。 5 系统实现 实验结果表明, 所采用的技术路线是可行的。系 统实现分两部分: 客户端程序和服务器端程序。客户 端应用程序除功能受到一定的限制而比服务器端少 外 , 它 们 的 编 程 技 巧 和 系 统 操 作 风 格 非 常 类 似 。 VB6 . 0 高级程序设计语 言作为 系统 的主 开发环 境 , 通过 ADO 技术对 SQL Server 数据库进行操作, 通过 GIS 软件 Maptitute的 GIS 开 发工具包GISDK 实现 GIS 与用户程度之间的交互。程序实现了系统所设计 的功能 , 利用这 些功能用户可以注册登记使用该系 统 、向系

23、统输入数据、对数据库进行备份和恢复、通 过局域网访问数据库、对访问的信息提供多种可视化 功能 。限于篇幅, 本文仅 给出两个系统操作图形界 面 , 图 4 为系统操作界面、图 5 为利用系统查询功能 所得到的某传感器三个通道的历史记录曲线( 部分 ) 。 6 结 论 通过对本项目的研究, 建立了系统的原型, 并利 用青马大桥的加速计传感器和风速计传感器的数据对 系统进行了测试, 各项功能达到设计要求。可以得出 如下结论 。 建立基于 GIS 的结构健康监测与管理信息系统 从技术和方法上来讲是切实可行的; GIS 的应用丰富 了系统对桥梁和传感器的图形和属性数据进行存贮、 管理 、分析和可视化方

24、面的能力; 所采集的监测数据 由于具有海量特征, 利用 GIS 软件来管理比较困难, 采用大 型关系 数据库 进行 管理可 以克服 这个问 题 ; SQL Sever数据库具有管理海量数据的能力, 以日数 据库建立动态数据库、建立备份信息表的措施方便了 对数据库的创建 、备份和访 问 ; 通过图 形的对象标 识 , GIS 和大型关系数据库的能够进行有效的集成; 桥梁和传感器的动态监测数据和静态信息可以在基于 局域网和因特网的环境下进行管理, 利用 ADO 技术 实现数据共享。 当然 , 目前开发的系统是一个实验型系统, 要使 本系统能够发挥更好的作用还需要不断完善。如基于 二维 GIS 向三

25、维GIS 括展 、分析结果与桥梁构件之 间的实时交互、桥梁健康状态的可视化方法研究等。 参考文献 1张宁勇 等 .基于GIS 的 桥梁 管理 系统 分 析与 研究 .华东 公 路 , 2001 , 4. 2C . K .Lau & K .Y .Wong , ”Design ,construction and monitoring of the three key cable -s upported bridge”, Structures inthe new minllennium , Lee ( ed.) , 105 - 115 , Balkema,Rotterdam , 1997. 3K .

26、Bergmeister ,U.Santa, ”GlobalM onitoringConceptsfor Bridge”,In Nondestructive Evaluation of Highw ays,Util ities , and Pipeline IV , A . EminAktan ,Stephen R.Gosselin , SPIE Pro- ceedings of Vol .3995,266 - 275, SPIE ,Newport Beach, USA , 2000. 4K . Y .Wong , C. K .Lau , A .R.Flint , ”Planning and I

27、mple- mentation of the Structural Health Monitoring System for Cable- Sup - ported Bridges in Hong Kong ”,InNondestructiveEvaluationof Highways ,Utilities , and Pipeline IV , A .EminAk tan,Stephen R. Gosselin,Proceedings of SPIE Vol .3995 ,266 - 275 , SPIE , Newport Beach, 2000. 5T .H .She, ” A Geographic lnformationSystem ( GIS)- Based Bridge M anagement System”, Computer - Aided Civil and Infrastruc- ture Engineering , 1999 ( 14) , 417 - 427 , 1999. 71 2002 年第 6 期 程朋根 , 史文中 , 高赞明 : 基于 GIS 的桥梁结构健康监测与管理信息系统