基于云平臺(tái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用

張亞運(yùn)+錢國明

摘要：近年來，隨著國家和各級(jí)政府對(duì)橋梁安全的日益重視，越來越多的橋梁安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以有效地保證橋梁的運(yùn)營安全。傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般是自成一體，每一座橋梁都有單獨(dú)的一套IT硬件基礎(chǔ)設(shè)施、軟件系統(tǒng)和監(jiān)控機(jī)房，這勢(shì)必會(huì)造成基礎(chǔ)資源浪費(fèi)、數(shù)據(jù)共享困難、運(yùn)營難度大和管理成本高等問題。該文提出的基于云平臺(tái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一計(jì)算處理，大幅降低了單橋監(jiān)測(cè)成本，還具有較高的擴(kuò)展性和安全性。本系統(tǒng)成功地運(yùn)用在海河大橋健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。

關(guān)鍵詞：橋梁健康監(jiān)測(cè)；云平臺(tái)；云存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）30-0206-03

Application of Cloud Platform for Health Monitoring System in Bridge

ZHANG Ya-yun， QIAN Guo-ming

（Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003， China）

Abstract： In recent years， as the country and all levels of government's increasing emphasis on bridge safety， more and more bridges installed health monitoring systems that can effectively ensure safe operation of the bridge. Traditional bridge health monitoring systems are generally self-contained， every bridge has a separate set of IT hardware infrastructure， software systems and control room， which is bound to result in a waste of resources base， data sharing difficulties， difficult operations and management costs higher issues. In this paper， cloud-based platform bridge health monitoring system， data will be collected unified storage， unified management and unified computing， dramatically reducing the cost of monitoring a single bridge， also has high scalability and security. The system is successfully used in the Haihe River Bridge Health Monitoring project.

Key words： bridge health monitoring； cloud platform； cloud storage

1 概述

隨著全國交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的中小型橋梁相繼建成，國家和地方政府對(duì)橋梁安全性和耐久性也越來越重視，因此橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相繼運(yùn)用到這些橋梁中。雖然對(duì)于單體橋梁而言，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以起到安全監(jiān)測(cè)的作用，但對(duì)于同一地區(qū)管理部門下轄多座橋梁，如仍采用“各自為營”，相互獨(dú)立的建設(shè)方式，必然會(huì)造成管理成本和管理難度的加大，此外還會(huì)造成基礎(chǔ)資源浪費(fèi)等問題[1]。

本系統(tǒng)較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)有：

1）開發(fā)周期大大縮短：對(duì)于傳統(tǒng)的單橋單系統(tǒng)而言，每一座橋梁都需要配置單獨(dú)的IT基礎(chǔ)設(shè)施，開發(fā)單獨(dú)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而基于云平臺(tái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只需要在橋梁現(xiàn)場(chǎng)部署數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)上傳單元即可，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和顯示單元都可以進(jìn)行復(fù)用，這樣開發(fā)周期會(huì)大幅縮短，開發(fā)效率大幅提高[2]。

2）系統(tǒng)可擴(kuò)展性提高：對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)開發(fā)完成，若要擴(kuò)展功能和業(yè)務(wù)，就需要針對(duì)不同系統(tǒng)采取不同方案，這樣系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展的工作量就會(huì)大幅增加?；谠破脚_(tái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的每個(gè)功能采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶需求動(dòng)態(tài)組合，系統(tǒng)可擴(kuò)展性和靈活性很高。

3）數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)擴(kuò)容方面：采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心的云存儲(chǔ)單元，在云存儲(chǔ)方面，安全是首要考慮的問題[3]。采用加密算法的云存儲(chǔ)技術(shù)較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)在安全性方面有很大的提升，此外在數(shù)據(jù)容災(zāi)和數(shù)據(jù)備份方面也做了充足的準(zhǔn)備。系統(tǒng)使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生大量歷史數(shù)據(jù)，往往會(huì)超出設(shè)計(jì)容量，迫使用戶不得不對(duì)數(shù)據(jù)庫硬盤進(jìn)行擴(kuò)容，這需要耗費(fèi)一定的成本，而基于云平臺(tái)的系統(tǒng)就不存在數(shù)據(jù)庫硬盤不足這種情況，用戶可以根據(jù)需求動(dòng)態(tài)擴(kuò)容。

4）數(shù)據(jù)計(jì)算和管理方面：橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每時(shí)每刻都會(huì)產(chǎn)生大量相關(guān)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很少有能完全應(yīng)對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的技術(shù)力量，面對(duì)大量數(shù)據(jù)卻很難挖掘出有效信息?；谠破脚_(tái)的系統(tǒng)采用Map/Reduce并行編程計(jì)算模型，可以對(duì)海量數(shù)據(jù)快速挖掘出有效信息，供用戶參考使用。

2 云計(jì)算和云存儲(chǔ)

2.1 云計(jì)算

云計(jì)算是分布式處理（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）和網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）的發(fā)展，是將計(jì)算程序拆成無數(shù)個(gè)較小的子程序，再交由多臺(tái)服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶[4]。

就技術(shù)而言，云計(jì)算表達(dá)出了一種組織的思想，即組織資源以進(jìn)行服務(wù)，通過大量物理上分布的資源集中起來，以邏輯上統(tǒng)一的形式，對(duì)外提供服務(wù)，將“大事件”壓力，分解到大量計(jì)算資源中，然后針對(duì)資源的管理、調(diào)度過程中出現(xiàn)的各種問題，組織各種技術(shù)進(jìn)行解決。

2.2 云存儲(chǔ)

云存儲(chǔ)系統(tǒng)是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，通過應(yīng)用軟件將網(wǎng)絡(luò)中大量不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備集合起來協(xié)同工作，提供對(duì)外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問功能的一個(gè)系統(tǒng)[6]。

云存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)模型由4層組成，如圖1所示：

1）存儲(chǔ)層：存儲(chǔ)層是云存儲(chǔ)最基礎(chǔ)的部分。存儲(chǔ)設(shè)備一般分布在不同地域且數(shù)量上比較龐大，彼此通過以太網(wǎng)或者FC光纖通道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

2）基礎(chǔ)管理層：基礎(chǔ)管理層是存儲(chǔ)層的上一層，是云存儲(chǔ)中最核心的部分，當(dāng)然也是最難實(shí)現(xiàn)的部分?；A(chǔ)管理層通過集群、分布式文件系統(tǒng)和網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)中多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備之間的協(xié)同工作，使多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備可以對(duì)外提供同一種服務(wù)，并提供更大更強(qiáng)更好的數(shù)據(jù)訪問性能。

3）應(yīng)用接口層是云存儲(chǔ)中最靈活的部分。該層的主要特點(diǎn)是云存儲(chǔ)運(yùn)營單位可以開發(fā)出不同的應(yīng)用服務(wù)接口以應(yīng)對(duì)不同的實(shí)際業(yè)務(wù)類型，提供不同的應(yīng)用服務(wù)。

4）訪問層：訪問層云存儲(chǔ)接口模型的最上層，是用戶訪問系統(tǒng)的入口，任何一個(gè)授權(quán)用戶都可以通過一套標(biāo)準(zhǔn)的公用接口來訪問云存儲(chǔ)系統(tǒng)，使用云存儲(chǔ)服務(wù)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

海河大橋主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，總體上采用塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁在橋塔處設(shè)置0號(hào)索的全漂浮體系。全長500米，具體跨徑布置為310+2×50+2×40米，主梁為混合梁結(jié)構(gòu)，梁高為3米。主跨310米大部分采用鋼梁，全部邊跨以及主跨靠近主塔20.8米長度范圍內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主塔：采用RC結(jié)構(gòu)，空心矩形截面。塔座以上全高為163.3米，橋面以上為126.9米。斜拉索：全橋共37對(duì)、合計(jì)74根斜拉索，采用空間扇形布置，索面在主塔上索距為1.5-2.5米，在主梁上主跨范圍內(nèi)的索距為16米，邊跨范圍內(nèi)為8米-10米，橋梁設(shè)計(jì)圖如圖2。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和傳輸

數(shù)據(jù)采集過程中要解決的問題是數(shù)據(jù)采集同步性問題，指的是在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有多臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，這時(shí)采集上來的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)時(shí)間或相位不一致的問題，這些不一致的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時(shí)產(chǎn)生混亂。采用統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)解決時(shí)間同步問題。

數(shù)據(jù)采集和傳輸框圖如圖3所示，將數(shù)據(jù)采集箱采集上來的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和展示。

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)和功能

3.3.1 設(shè)計(jì)原則

1）穩(wěn)定性：將采用成熟的操作系統(tǒng)、開發(fā)語言和開發(fā)框架保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

2）安全性：通過物理隔離、防火墻以及詳細(xì)的權(quán)限控制手段來保證；

3）可擴(kuò)展性：本方案設(shè)計(jì)將充分考慮未來可能的擴(kuò)展，采用分層設(shè)計(jì)模式保證接口和代碼。

3.3.2 云平臺(tái)架構(gòu)

為方便產(chǎn)品的可擴(kuò)展性，避免每座橋梁都重新設(shè)計(jì)和開發(fā)，擬采用數(shù)據(jù)處理中心的模式，即一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心處理所有橋梁數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理中心以歸納的模塊化結(jié)構(gòu)處理不同類型的傳感數(shù)據(jù)，對(duì)于新增加的傳感器類型，只需要開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析模塊即可。

如圖4所示，平臺(tái)包括“數(shù)據(jù)采集中心”和“云數(shù)據(jù)處理中心”兩大主要系統(tǒng)，各橋梁采集的數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)到云端進(jìn)行處理，用于各種統(tǒng)計(jì)、分析、查詢和通知等。

3.3.3系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)是一套基于B/S架構(gòu)橋梁監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，采用Myeclipse10開發(fā)，使用java SSH框架，其中使用Struts作為系統(tǒng)的整體基礎(chǔ)架構(gòu)，負(fù)責(zé)MVC的分離，在Struts框架的模型部分，控制業(yè)務(wù)跳轉(zhuǎn)，利用Hibernate框架對(duì)持久層提供支持，Spring做管理，管理struts和hibernate。數(shù)據(jù)庫采用Sql Server 2005數(shù)據(jù)庫，運(yùn)行環(huán)境為Tomcat6.0。在部分地方采用Ajax技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步交換、Unity3D交互實(shí)現(xiàn)3D和web頁面的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)使得橋梁架構(gòu)圖以較好的圖形效果展示，并且具有旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、放大和縮小的功能。

系統(tǒng)主要功能有：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息查看：監(jiān)測(cè)信息查看分為實(shí)景式和目錄式兩種模式。

實(shí)景式：在平臺(tái)頁面中可以拖動(dòng)橋梁3D模型來查看各傳感器的圖形化狀態(tài)，如健康以綠色標(biāo)識(shí)、警告以黃色標(biāo)識(shí)、危險(xiǎn)以紅色標(biāo)識(shí)等；點(diǎn)擊每個(gè)傳感器圖標(biāo)則進(jìn)入對(duì)該傳感器詳細(xì)查詢頁面。

目錄式：以表格的形式實(shí)時(shí)展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，顯示結(jié)果可以導(dǎo)出并下載到本地。

2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：平臺(tái)用戶可以對(duì)橋梁健康數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，包括：某時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比、某時(shí)間段內(nèi)報(bào)警數(shù)據(jù)分析、某時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)事件統(tǒng)計(jì)。

3）歷史數(shù)據(jù)記錄和趨勢(shì)分析功能：通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將所有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，提供多少歷史數(shù)據(jù)查詢方式；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)可以提供趨勢(shì)分析功能，給出趨勢(shì)圖供相關(guān)人員參考。

4）報(bào)警和事件功能：傳感器或橋梁在使用中出現(xiàn)問題時(shí)，報(bào)警就會(huì)發(fā)生，并對(duì)事件進(jìn)行記錄，便日后查詢。報(bào)警方式主要有：屏幕顯示報(bào)警、本地聲光報(bào)警、智能語音電話報(bào)警、Email報(bào)警和手機(jī)短信報(bào)警等。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于云平臺(tái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)際工程實(shí)踐中與傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，比較結(jié)果顯示基于云平臺(tái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)成本更低、系統(tǒng)功能更為完善、數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。由此驗(yàn)證了基于云平臺(tái)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性和先進(jìn)性，應(yīng)是未來橋梁健康監(jiān)測(cè)和其他各種監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。

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