数据采集以及传输模块

隧道工程健康监测系统数据采集与传输模块由分布在隧道的外场数据采集站和光纤信号传输网络组成。外场数据采集站由多个数据采集模块组成，模块采用技术上先进成熟的产品，以确保系统的稳定性、耐久性和高精度。光纤信号传输网络采用FDDI双环拓扑结构，以保证信号传输的可靠性。

1.总体技术目标

为保证数据采集与传输系统的稳定性、可靠性和耐久性，其总体技术目标应满足如下要求。

（1）系统应具有与其安装位置、功能和预期寿命相适应的质量和标准。通信协议、电气、机械、安装规范应采用相应国家标准或兼容规范。

（2）系统应能在无人职守条件下连续运行，采集得到的数据可供远程传输和共享，采样参数可远程操作来进行在线设置。

（3）数据采集子站能24小时连续采样，在报警状态下（地震等）能够进行特殊采样和人工干预采样。

（4）数据采集软件应具有数据采集和管理功能，并能对现场数据进行基本的统计运算，以便显示相应信息。

（5）系统管理员可以在数据服务器上通过远程操作实现对模拟、数字和视频等所有信号的采样频率、触发阈值、时间间隔等参数进行调整。

（6）系统软件操作权限分为多级。只有系统管理员具有运行数据库、修改传感器的校准数据等在内的操作权限，而普通管理员不应被赋予上述操作权限，以保证系统安全。

（7）系统具有实时自诊断功能，能够识别传感器失效、信号异常、子系统功能失效或系统异常等。出现故障时，系统应能立即自动地将故障信息上传至数据服务器，并激活警报信息，同时，隔离故障传感器或子系统以保障其余部分正常工作。

（8）当系统的一个或多个部分暂时断电时，系统的各个部分应无需人为干涉即可自动重新启动、同步校准和继续正确运行。

（9）光纤信号传输网络的设计和构造要考虑将来的扩展，且扩展无需中断系统操作和影响现有的用户。在各站之间的数据交换应符合ISO或CCITT标准。

（10）为了与其他基于TCP/IP的设备和网络相协调，光纤信号传输网络应基于TCP/IP标准。

（11）外场采集站间光纤信号传输网络采用FDDI双环拓扑结构，网络至少包括4根光纤。在光纤局部损伤或个别节点失效的情况下，它将自动重构以便维持数据通讯，自动重构应在失效后10秒内完成。

（12）外场采集站与监控中心之间采用预留的单路光缆实现远程通信。

（13）通讯故障和自动重构都能在数据服务器上显示并发出警报。

2.数据采集系统的总体设计

外场数据采集站（DAS）位于隧道内，采集模块根据传感器的空间分布情况而布置，主要考虑的因素是数据采集模块的数量和传感器布线长度。

在一个综合数据采集站中融合各种不同类型的信号输入形式，在不增加数据采集模块的情况下，尽量缩短传感器信号馈线，减小干扰，降低成本。(www.xing528.com)

采用光纤构建数据传输网络，隧道现场采集站间采用双环自愈冗余光纤网连接；位于监控中心的数据处理和存储服务器，通过双环冗余光纤网络实现与3个外场数据采集站的通信。该服务器实时接收3个外场数据采集站的数据，融合不同类型的数据，生成必要的数据格式，并管理所有数据。

结构安全状况评估系统服务器和Web服务器从数据处理与存储服务器上获取数据，其本身不作为网络节点。

3.外场数据采集站的设计

外场数据采集站的设计思路如下。

（1）外场数据采集站应具有适当的数据预处理能力和充足的缓冲存储器容量，以保存一定时段的采样数据。当数据传输出现故障时，外场数据采集站不中断采集工作，并将数据备份到外场数据采集站中。采用远程数据存储+现场采集子站备份方式进行数据存储，以保证在传输出现故障时，数据不会丢失。

（2）外场数据采集站包括传感器输入输出调理通道和网络控制器。

（3）外场数据采集站应有线路保护设备、输入输出端口。

外场数据采集站的优化布置要求：本监测系统所包含的传感器种类多、分布广，为防止长距离传输造成的信号失真，同时又不大量增加数据采集单元的数量，外场数据采集站采用集中控制、分布采集、远程存储、本地备份的采集模式。

外场数据采集站包括数据采集主机和数据采集单元。数据采集单元与数据采集主机通过RS485总线相连，各采集单元分别采集不同的电压、电流信号、温湿度信号，对沉降、应力、位移、温湿度等多种参量进行采集。RS485总线连接距离最大可达1200m，也可通过增加RS485信号中继器来延长总线传输距离。

数据采集单元（包括外场数据采集站和采集模块）的供配电要求：外场数据采集站和数据采集模块均需220V单相交流供电；外场数据采集站（包括采集模块和采集计算机）的供电负荷为3000W，应提供3000W具有电源净化功能的不间断电源（UPS）。外场数据采集站和数据采集模块均应配备防雷击设备，以避免雷击。

4.数据传输网络的设计

数据传输网络由两大传输系统组成：主干光纤传输网络、光纤光栅应力监测网络。

（1）主干光纤传输网络。该网络完成外场各采集站与监控中心的数据交互，为保证数据传输的可靠性，系统采用FDDI双环光纤网络进行数据传输。系统包括2个传输节点、1个数据存储服务器和1个外场数据采集站。2个传输节点通过双环冗余工业交换机组成FDDI双环光纤网络（图12-10）。光缆的敷设标准和工艺要求与普通通信光缆相同。

图12-10　FDDI双环光纤网络示意图

（2）光纤光栅应力监测网络。光纤光栅测试系统完成对支护结构应力监测，其终端解算设备为光纤光栅解调仪。解调仪通过以太网将解算结果写入数据存储与管理服务器，以备调用和查询。监测系统的数据传输数据流流向见图12-11。

图12-11　隧道监测系统数据传输数据流流向图