快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在公路工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用與實(shí)踐

董勝利，路 嚴(yán)，李長建，張亮亮，張瑞德，李 劍

（1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.哈爾濱建成集團(tuán)，黑龍江 哈爾濱 150030；3.黑龍江省公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，黑龍江 哈爾濱 150090）

1 快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成

1.1 系統(tǒng)并行處理過程

公路工程質(zhì)量檢測(cè)工作是一個(gè)動(dòng)態(tài)的工作流程，在工程現(xiàn)場(chǎng)要依據(jù)檢測(cè)計(jì)劃開展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)作業(yè)。傳統(tǒng)檢測(cè)過程一般是線性作業(yè)過程，檢測(cè)者核檢完成一個(gè)目標(biāo)后，順序進(jìn)入下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行操作，而在信息化條件下開發(fā)的公路工程質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)則是一個(gè)并行處理過程，在檢測(cè)點(diǎn)為離散型的檢測(cè)項(xiàng)目中，可以擺脫傳統(tǒng)手工檢測(cè)的線性化流水檢測(cè)方式，采用并行技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)高效的并行化檢測(cè)，快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成為此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心研究對(duì)象。

由圖1可知，在檢目標(biāo)為n個(gè)離散檢測(cè)點(diǎn)，用于檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量對(duì)應(yīng)的采集器，將檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過快速部署網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)向并行預(yù)處理池傳送，由于采集點(diǎn)處理和響應(yīng)數(shù)據(jù)的差異，匯入并行預(yù)處理池的速度也會(huì)有差異。在預(yù)處理池的數(shù)據(jù)可形成堆棧，按優(yōu)化的算法送入檢測(cè)作業(yè)處理機(jī)進(jìn)行處理，最終將數(shù)據(jù)及計(jì)算成果存入數(shù)據(jù)庫并進(jìn)入顯示與輸出流程。為實(shí)現(xiàn)高效并行的數(shù)據(jù)傳送，快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承擔(dān)了檢測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)送的核心任務(wù)。

圖1 快速部署網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)處理過程

1.2 快速部署網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.1 檢測(cè)總部與檢測(cè)站點(diǎn)采用樹形結(jié)構(gòu)

根據(jù)管理模式的需要，檢測(cè)總部與檢測(cè)站點(diǎn)采用樹形結(jié)構(gòu)。各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與測(cè)站節(jié)點(diǎn)通訊，測(cè)站節(jié)點(diǎn)與總部節(jié)點(diǎn)通訊。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以保證整個(gè)系統(tǒng)有明確的組織結(jié)構(gòu)，總部管理檢測(cè)節(jié)點(diǎn)可以通過每個(gè)測(cè)站節(jié)點(diǎn)查詢、分析、管控，總部節(jié)點(diǎn)可以通過樹形結(jié)構(gòu)遍歷每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、獲取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)可以通過測(cè)站節(jié)點(diǎn)向總部發(fā)送數(shù)據(jù)，請(qǐng)求查詢等數(shù)據(jù)通訊，而每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)間是隔離的、每個(gè)測(cè)站節(jié)點(diǎn)也是隔離的；一方面，可保證整體網(wǎng)絡(luò)的均衡負(fù)荷；另一方面，也使系統(tǒng)具備良好的維護(hù)性。當(dāng)某一檢測(cè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，不會(huì)影響其它檢測(cè)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)某一測(cè)站節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，不會(huì)影響其它測(cè)站，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測(cè)總部與檢測(cè)站點(diǎn)樹形結(jié)構(gòu)

1.2.2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采用混合結(jié)構(gòu)

如圖3所示，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)x接收來自附近的多個(gè)傳感器Sensor1～n 的數(shù)據(jù)，由于與傳感器距離較近，可采用直接電纜數(shù)據(jù)通道或近場(chǎng)通訊快速部署該部分網(wǎng)絡(luò)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)x與測(cè)站節(jié)點(diǎn)的連接可達(dá)到10～1 000m 的距離級(jí)別，甚至更遠(yuǎn)。在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)存在著土石方、工料、建構(gòu)筑物的靜態(tài)障礙物和大型施工機(jī)械等動(dòng)態(tài)障礙物，為使無線信號(hào)突破障礙，可在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)x與測(cè)站節(jié)點(diǎn)間設(shè)置0～n個(gè)中繼點(diǎn)，由于中繼點(diǎn)的位置設(shè)置靈活，可有效地將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)通過多個(gè)中繼點(diǎn)以中繼橋接的方式聯(lián)接到測(cè)站節(jié)點(diǎn)x上，以此類推，多個(gè)測(cè)站節(jié)點(diǎn)按此方式快速搭建網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)適用復(fù)雜工地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得以快速部署完成。

圖3 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采用混合結(jié)構(gòu)

1.3 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)并入整體檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

1.4 快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特性

1.4.1 部署網(wǎng)絡(luò)的速度

公路工程質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署的速度有較高要求，在選定的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下要迅速搭建好檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。通過靈活的局部網(wǎng)絡(luò)混合結(jié)構(gòu)，可以快速匹配現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，依據(jù)檢測(cè)點(diǎn)情況對(duì)應(yīng)布設(shè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，以中繼橋接模式快速排解測(cè)點(diǎn)到達(dá)測(cè)站障礙，快速延展傳輸距離，進(jìn)而形成一個(gè)高效布設(shè)的局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1.4.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?/p>

采用樹形結(jié)構(gòu)的整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，同一級(jí)別的節(jié)點(diǎn)是隔離的，因此，從總部到測(cè)站再到檢測(cè)點(diǎn)之間都是垂直自上向下或自下向上直接網(wǎng)絡(luò)通道，所以，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男瘦^高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有與其它節(jié)點(diǎn)的通訊關(guān)聯(lián)，不需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求與發(fā)送輪詢，簡化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使整個(gè)通訊系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效地完成傳輸過程。

1.4.3 網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)特性

由于采用了無線局域網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)位置可以隨目標(biāo)變化、測(cè)站也可以是移動(dòng)方式，只要在無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，測(cè)站位置與檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)定都是可以動(dòng)態(tài)移動(dòng)的，網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)特性為系統(tǒng)的靈活部署創(chuàng)造了條件。

2 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與安全性

2.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性

在本系統(tǒng)中，搭建的網(wǎng)絡(luò)必須保證網(wǎng)路數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，以下從搭建系統(tǒng)硬件和軟件兩個(gè)方面來討論保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的方法。

生產(chǎn)鋁易拉罐主要使用兩種鋁合金薄板.罐蓋一般是含中或高鎂的合金，如5082，5182及其他相似的合金；罐體是含錳、鎂的防銹鋁合金，通常為3004或3104合金，具有一定的強(qiáng)度和良好的可成形性.

2.1.1 硬件抗干擾技術(shù)

為保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的傳輸，首先要在搭建網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備上進(jìn)行底層設(shè)置，由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，在無線網(wǎng)絡(luò)通信方面要采用具備抗干擾能力的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置在專門信道內(nèi)。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)干擾分析，在網(wǎng)絡(luò)部署前應(yīng)做好網(wǎng)絡(luò)干擾的檢查。

2.1.2 軟件容錯(cuò)技術(shù)

在軟件方面，為了提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用程序讀取的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，無效數(shù)據(jù)應(yīng)該進(jìn)行過濾隔離，在軟件級(jí)別設(shè)置容錯(cuò)機(jī)制，局部程序控制拋出異常處理，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性

對(duì)于采用混合聯(lián)網(wǎng)模式下，尤其是采用了無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無線信號(hào)的傳播是區(qū)域擴(kuò)散的，即使非本系統(tǒng)的設(shè)備，也可以在系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)獲得物理信號(hào)，因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的安全性也提出了更高的要求。

2.2.1 硬件傳輸加密

該系統(tǒng)的硬件傳輸加密一方面可以借助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身附帶的固件進(jìn)行加密，特點(diǎn)是加解密速度快，對(duì)于終端用戶在使用中是透明的，但一般設(shè)備使用的是標(biāo)準(zhǔn)的加密算法；另一方面，可采用專門的安全加密設(shè)備，特點(diǎn)是加密效果好，但在整體成本和部署設(shè)置上略加繁瑣。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用戶認(rèn)證

快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需具有網(wǎng)絡(luò)用戶安全身份認(rèn)證功能，所有網(wǎng)絡(luò)使用者，應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用戶認(rèn)證，排除系統(tǒng)內(nèi)空白密碼和簡單密碼登錄的漏洞，從用戶認(rèn)證層面為整個(gè)系統(tǒng)安全添加一層保障。

2.2.3 數(shù)據(jù)級(jí)加密，采用自有算法加密

由于硬件加密和用戶認(rèn)證大都采用的是通用的標(biāo)準(zhǔn)，為了本系統(tǒng)更加具備網(wǎng)絡(luò)的安全性，須在應(yīng)用程序?qū)用妫瑢?duì)處理的數(shù)據(jù)，采用自有算法進(jìn)行數(shù)據(jù)級(jí)別深層加密，在處理過程中再通過自有算法進(jìn)行匹配解密，系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)即使被外部意外獲取，由于這些檢測(cè)數(shù)據(jù)已混淆為無意義的編碼，外界將很難進(jìn)行解碼，最終為該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全提供了更深層的保障。

3 仿真與實(shí)測(cè)

快速部署網(wǎng)絡(luò)為達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的，首先要進(jìn)行設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)架構(gòu)、組成以及穩(wěn)定性和安全性的研究，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境測(cè)試和真實(shí)工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境測(cè)試，如圖4所示。

圖4 快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程

3.1 實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，由于整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，必須將系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)再分解為若干功能模塊，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，按真實(shí)環(huán)境匹配好相應(yīng)的仿真環(huán)境，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整和修正系統(tǒng)硬件和軟件。在本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段中，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置了數(shù)個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)連接無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝置，按照快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)連接方式，將網(wǎng)絡(luò)測(cè)站節(jié)點(diǎn)，通過無線設(shè)備與各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，也設(shè)置數(shù)個(gè)中繼橋接點(diǎn)，按照混合結(jié)構(gòu)，用實(shí)體設(shè)備進(jìn)行連接測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室仿真要解決的問題有：局部網(wǎng)絡(luò)連接的配置方法、連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案、中繼橋接的設(shè)置方法。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將檢測(cè)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)遇到的問題、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與測(cè)站節(jié)點(diǎn)遇到的問題，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)節(jié)前置暴露出來，并可以反復(fù)測(cè)試、反復(fù)修改，以達(dá)到適應(yīng)實(shí)測(cè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，可使研發(fā)階段更具備效率。

3.2 工程現(xiàn)場(chǎng)條件下測(cè)試

在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下測(cè)試，主要解決網(wǎng)絡(luò)連接的障礙阻隔通訊傳輸問題；局部網(wǎng)絡(luò)的距離傳輸問題；混合式組網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性的問題?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境將在實(shí)驗(yàn)室無法仿真的工程動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中部署連接出現(xiàn)的問題將與該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工作中密切相關(guān)。這個(gè)階段需將這些實(shí)測(cè)問題充分解決，以使該系統(tǒng)實(shí)用化。表1為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及普通組網(wǎng)模式的部分測(cè)試性能指標(biāo)。

表1 快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境測(cè)試性能表

3.3 快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通過采用系統(tǒng)工程的研究方法，經(jīng)過整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)研究，由表1可明顯看到，與普通組網(wǎng)模式對(duì)比，克服了普通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜條件適應(yīng)性差、傳輸距離、抗干擾能力等諸多方面的不足。在為公路質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)上，該子系統(tǒng)以高效性的部署網(wǎng)絡(luò)速度、靈活的布置方法、局部網(wǎng)絡(luò)的可移動(dòng)性，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高可靠安全性等研究具備創(chuàng)新特性，體現(xiàn)了系統(tǒng)的技術(shù)亮點(diǎn)?？焖俨渴鹁W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是快速搭建檢測(cè)系統(tǒng)環(huán)境的重要環(huán)節(jié)、成為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定安全數(shù)據(jù)傳輸和靈活部署復(fù)雜動(dòng)態(tài)檢測(cè)任務(wù)的核心技術(shù)。

4 結(jié)束語

快速部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決了信息化條件下公路質(zhì)量檢測(cè)工作的數(shù)據(jù)獲取與交互的通訊需求，使公路質(zhì)量系統(tǒng)并行化數(shù)據(jù)采集得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)傳統(tǒng)手工質(zhì)量檢測(cè)作業(yè)來說，從速度上得以突破，高速的檢測(cè)處理也將帶來檢測(cè)應(yīng)用的創(chuàng)新，檢測(cè)管理方法的革新。為保證整體檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用化應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的傳輸穩(wěn)定和安全性也將提出更深化細(xì)致的應(yīng)用需求，使系統(tǒng)更加安全和健壯；還要在快速部署網(wǎng)絡(luò)的連接方法加以改進(jìn)和優(yōu)化，使之更加簡化易行，對(duì)一鍵化連接或即插即用的用戶使用方法提出了新的課題。

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