趙賢任，王立新，郭德順，嚴(yán)　琨，楊　芳，朱嘉健

（廣東省地震局中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，廣州　510070）

基于Java的橋梁強(qiáng)震動實時監(jiān)測及警報系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

趙賢任，王立新，郭德順，嚴(yán)琨，楊芳，朱嘉健

（廣東省地震局中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，廣州510070）

本文使用Java語言，在測震臺網(wǎng) 《數(shù)據(jù)采集與常規(guī)處理》區(qū)域版 （JOPENS）的基礎(chǔ)上結(jié)合Socket、多線程等技術(shù)，開發(fā)出基于Client/Server（C/S）模式的橋梁強(qiáng)震動實時監(jiān)測及警報系統(tǒng)，系統(tǒng)包括配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)瀏覽模塊、警報模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，可跨平臺安裝。該系統(tǒng)已在多座大橋上穩(wěn)定運行，可將其推廣到其他重大工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震動監(jiān)測及事件警報。

橋梁強(qiáng)震動監(jiān)測；警報系統(tǒng)；Java；Socket技術(shù)；多線程技術(shù)

趙賢任 ，王立新，郭德順，等.基于Java的橋梁強(qiáng)震動實時監(jiān)測及警報系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［J］.華南地震，2016，36（2）：101-106.［ZHAO Xianren，WANG Lixin，GUO Deshun，et al.Development and Application of Strong Motion Real-time Monitoring and Alarm System for Bridges Based on Java［J］.South china journal of seismology，2016，36（2）：101-106.］

0　引言

大型橋梁在長期的使用中，由于自身荷載、疲勞、老化和腐蝕以及遭受地震、颶風(fēng)、洪水等各種原因會發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，如果不能及時分析和排除這些結(jié)構(gòu)損傷，它將在結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)不斷地累加，并最終威脅到結(jié)構(gòu)的安全，造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來部分橋梁管理部門開始重視地震動對橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響，并將強(qiáng)震動監(jiān)測納入到了橋梁健康監(jiān)測范圍內(nèi)，廣東省內(nèi)相繼在汕頭礐石大橋［1］、佛開高速九江大橋［2］、珠江黃埔大橋［3］、東莞虎門大橋［4］上安裝了強(qiáng)震動監(jiān)測設(shè)備。由于橋梁強(qiáng)震動監(jiān)測系統(tǒng)采集到的結(jié)構(gòu)實時振動數(shù)據(jù)量大，且對碰撞、地震等事件的時效性要求高，因此需要建立橋梁強(qiáng)震動監(jiān)測及警報系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化的處理與示警。

本文首先介紹了橋梁強(qiáng)震動監(jiān)測及警報系統(tǒng)各部分的主要功能，然后使用Java語言，在測震臺網(wǎng) 《數(shù)據(jù)采集與常規(guī)處理》區(qū)域版（JOPENS）［5］的基礎(chǔ)上，結(jié)合Socket［6］、多線程［7］等技術(shù)開發(fā)了該系統(tǒng)，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說明，最后介紹了本系統(tǒng)在大橋上的應(yīng)用。

1　功能設(shè)計

橋梁強(qiáng)震動監(jiān)測系統(tǒng)在大橋的關(guān)鍵節(jié)點、自由地面、橋體特征部位都布置了力平衡式加速度計［8］，并通過網(wǎng)絡(luò)與省地震監(jiān)測中心、橋梁管理中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，對這些數(shù)據(jù)的收集、處理和展示成為了該系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要功能，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)功能圖Fig.1 Function of the system

1.1基礎(chǔ)功能子系統(tǒng)

1.1.1系統(tǒng)配置模塊

橋梁強(qiáng)震動監(jiān)測及警報系統(tǒng)由多個部分組成，每個部分都有不同的參數(shù)配置要求，包括數(shù)據(jù)源選擇、數(shù)據(jù)庫參數(shù)配置、地震及事件警報判斷條件參數(shù)配置、橋墩碰撞警報參數(shù)配置、警報聲音、日志文件配置等。完成系統(tǒng)的初始化，搭建系統(tǒng)的基本管理框架是本模塊的主要任務(wù)。

1.1.2數(shù)據(jù)采集模塊

連續(xù)采集橋梁實時振動信息是本系統(tǒng)的一個主要目標(biāo)。市面上的多通道強(qiáng)震數(shù)據(jù)采集器種類繁多，而且基本上都是以事件觸發(fā)為主，連續(xù)記錄一般只能保存相當(dāng)短的時間或者存儲在相當(dāng)有限的磁盤空間中，這就需要根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集器開發(fā)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取接口，將橋梁振動數(shù)據(jù)連續(xù)實時的進(jìn)行異地保存。

1.1.3數(shù)據(jù)存儲模塊

本系統(tǒng)繼承JOPENS的存儲功能，以數(shù)據(jù)庫的形式保存數(shù)據(jù)，嚴(yán)格遵循 “十五”《中國數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)范》，提供完備和規(guī)范的數(shù)據(jù)模型，保證數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、管理和交換等關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)層次能統(tǒng)一規(guī)劃，產(chǎn)出的數(shù)據(jù)采用數(shù)字地震波形數(shù)據(jù)交換的國際通用格式SEED（The StandardfortheExchangeofEarthquakeData）［9］。

1.2客戶服務(wù)子系統(tǒng)

1.2.1力平衡式加速度計監(jiān)測模塊

客戶對于技術(shù)性的細(xì)節(jié)了解要求不高，過于深奧的技術(shù)介紹和使用也會使程序顯得機(jī)械化和枯燥乏味，所以本模塊將形象具體的顯示力平衡式加速度計的安裝位置，對應(yīng)的通道標(biāo)識、事件觸發(fā)后的提醒等功能都融合到客戶端的界面上，形成一個簡潔、美觀、實用的監(jiān)測模塊。

1.2.2橋梁實時振動數(shù)據(jù)瀏覽模塊

為了便于技術(shù)人員的檢查、維護(hù)以及管理者的監(jiān)督查看，在客戶端加入了橋梁實時振動數(shù)據(jù)瀏覽模塊，并以波形的形式來組織數(shù)據(jù)，這樣能夠形象具體的顯示橋梁的實時振動。

1.2.3地震及事件警報模塊

地震及事件警報模塊能夠使監(jiān)測人員從不間斷的屏幕監(jiān)視工作中解放出來，在大橋遭受突發(fā)事件后，通過設(shè)置的警報提醒功能模塊來輔助工作人員，及時為管理人員提供決策支持。另外，本系統(tǒng)引入省地震臺網(wǎng)中心的地震自動速報信息［10］，省測震臺網(wǎng)能準(zhǔn)確快速地得到發(fā)生在大橋周圍區(qū)域的地震信息，這些信息能為橋梁管理方在應(yīng)對地震事件的時候提供一定程度的決策支持。

1.2.4數(shù)據(jù)分析模塊

系統(tǒng)要達(dá)到實時監(jiān)控大橋振動狀態(tài)的目標(biāo)，需要對橋梁連續(xù)振動數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和判斷，本模塊讀取服務(wù)器實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理計算后，根據(jù)配置文件設(shè)置的條件得到相應(yīng)的判斷結(jié)果。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計

本軟件的一個主要功能是分析橋梁實時振動數(shù)據(jù)，判斷計算結(jié)果，同時根據(jù)判斷結(jié)果給出初步的警報信息，這些功能對客戶端的時效性要求比較高，所以本系統(tǒng)采用了Client/Server軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。它可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來實現(xiàn)，充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力和響應(yīng)速度。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the system

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在服務(wù)器端，本系統(tǒng)基于大型區(qū)域地震臺網(wǎng)JOPENS處理系統(tǒng)開發(fā)，在大橋管理中心搭建數(shù)據(jù)流服務(wù)器接收并保存橋梁實時振動數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)與省臺網(wǎng)中心建立連接，共享數(shù)據(jù)，并接收臺網(wǎng)自動速報信息；在客戶端，根據(jù)功能劃分、模塊化管理，將客戶端軟件劃分為5大模塊，包括儀器監(jiān)測模塊、橋梁實時振動數(shù)據(jù)瀏覽模塊、地震及事件判斷模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、警報模塊等，每個模塊從數(shù)據(jù)流服務(wù)里面獲取各自所需的數(shù)據(jù)，并作獨立的計算或者顯示，然后模塊會將計算結(jié)果與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行對比，以此做出示警、結(jié)果保存或者略去的動作。

3　關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1Java技術(shù)

Java是一項用于開發(fā)應(yīng)用程序的技術(shù)，是個簡單、面向?qū)ο?、分布式、解釋性、健壯、安全與系統(tǒng)無關(guān)、可移植、高性能、多線程和靜態(tài)的語言。本研究應(yīng)用Java語言的這些特點，設(shè)計上實現(xiàn)了系統(tǒng)各個功能模塊以及監(jiān)測警報界面，通過使應(yīng)用程序在異構(gòu)環(huán)境之間可用，從而顯著降低了開發(fā)成本。

3.2數(shù)據(jù)采集器接口

能否與數(shù)據(jù)采集器建立數(shù)字連接，自動收集并存儲實時振動數(shù)據(jù)，關(guān)乎整個系統(tǒng)的自動化程度，所以要根據(jù)數(shù)據(jù)采集器的文檔［11］以及SEED格式，分析接口協(xié)議和數(shù)據(jù)包格式，編寫數(shù)據(jù)采集模塊。首先客戶端根據(jù)指定的數(shù)據(jù)采集器Socket的地址和端口號提出連接請求，然后數(shù)據(jù)采集器響應(yīng)客戶端Socket的請求，建立一個新的線程，把數(shù)據(jù)采集器Socket的描述發(fā)給客戶端，最后客戶端確認(rèn)此描述并建立連接，開始read/write的動作［12］，其流程見圖3所示。

圖3　接口程序流程圖Fig.3 Flowchart of the interface programming

3.3多線程

Java的線程功能是一種在一個程序或進(jìn)程中處理多個控制流的功能，通過多線程，一個程序或進(jìn)程表面上看同時可以執(zhí)行一個以上的任務(wù)，這樣就能實現(xiàn)交互性更好和更敏捷的GUI程序。編寫一個多線程的程序只要編寫實現(xiàn)Runnable的代碼，而Runnable只有一個方法public void run（），所以只要提供run（）方法的實現(xiàn)代碼，然后實例化并啟動Runnable。本研究需要在持續(xù)采集數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)的同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和響應(yīng)，其系統(tǒng)線程圖見圖4所示，包括數(shù)據(jù)采集存儲、數(shù)據(jù)瀏覽、地震及事件判斷、數(shù)據(jù)分析等線程。

4　應(yīng)用

本系統(tǒng)已經(jīng)部署在廣東省珠江黃埔大橋、東莞虎門大橋以及佛山佛開高速九江大橋上，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，期間，系統(tǒng)多次對廣東省內(nèi)地震作出快速響應(yīng)，其功能界面見圖5所示。

圖5（a）為監(jiān)測及警報系統(tǒng)界面圖。界面由3大區(qū)域組成，從上往下，第一部分是加速度計監(jiān)測區(qū)，可以查詢加速度計所在的位置、通道號和所對應(yīng)的方向，可以查詢該測點橋梁實時振動信息，第二部分是地震、碰撞相關(guān)通道的計算結(jié)果顯示區(qū)，第三部分是綜合信息顯示區(qū)，包括地震及事件警報等內(nèi)容；圖5（b）為地震及事件警報觸發(fā)效果圖。本系統(tǒng)實時分析判斷橋梁的振動，假如振動超過設(shè)定閾值，或者監(jiān)測范圍內(nèi)發(fā)生地震后，會以對話框的形式彈出事件發(fā)生的時間、地點、內(nèi)容、震級以及離大橋的距離等信息，同時以聲音示警，超過閾值的測點變?yōu)榧t色。

圖4　系統(tǒng)線程圖Fig.4 Multi-thread of the system

圖5　功能界面圖Fig.5 Function interface of the system

5　結(jié)語

本文結(jié)合Java、Socket、多線程等技術(shù)開發(fā)出橋梁強(qiáng)震動實時監(jiān)測及警報系統(tǒng)，其功能模塊包括：配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)瀏覽模塊、警報模塊和數(shù)據(jù)分析模塊等，具有跨平臺運行的特點，移植性強(qiáng)。系統(tǒng)長期接收保存橋梁連續(xù)振動數(shù)據(jù)，實時判斷分析振動信息，為客戶提供地震及事件警報信號，同時融合地震自動速報消息，幫助橋梁管理方快速、初步分析地震對橋梁的影響，提高了對突發(fā)事件處理的時效性。

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Development and Application of Strong Motion Real-time Monitoring and Alarm System for Bridges Based on Java

ZHAO Xianren，WANG Lixin，GUO Deshun，YAN Kun，YANG Fang，ZHU Jiajian
（CEA Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

Strong motion monitoring arrays have been built on Queshi Bridge in Shantou，Jiujiang Bridge in Fokai highway，Huangpu Bridge over Zhujiang River and Humen Bridge in Dongguan.The amount of structural real-time vibration data of long-span bridges collected by the strong motion monitoring arrays are huge，and the timeliness requirement of earthquake，collision and other events is high.Therefore，it is necessary to establish a rapid response monitoring data processing and alarm system.This paper develops the strong motion real-time monitoring and alarm system based on Client/Server（C/S）mode for bridges by using Java language and combining with Socket and multi-threading technology based on JOPENS.The system comprises configurationmodule，data acquisition module，data storage module，monitoring module，data browsing module，alarm module and data analysis module.The system can be installed across different platform，and the interface is simple and easy to operate.The system has been running steadily for 2 to 6 years on several bridges，and it can be applied to the strong motion monitoring and alerts of other major engineering structures.

Bridge strong motion monitoring；Alarm system；Java；Socket technique；Multi-thread technique

U446

A

1001-8662（2016）02-0101-05

10.13512/j.hndz.2016.02.016

2015-10-06

廣東省重大科技專項（2012A080102008）、中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室開放基金、廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室建設(shè)項目（2011A060901006）、地震科技星火計劃（XH16031）資助

趙賢任 （1982-），男，工程師，主要從事強(qiáng)震動監(jiān)測方面研究工作.

E-mail：felix0930@me.com.