近海橋梁施工安全監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)通信方案設(shè)計與部署

嚴(yán)世強(qiáng)，　李義強(qiáng)

(1.石家莊鐵道大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043)

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近海橋梁施工安全監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)通信方案設(shè)計與部署

嚴(yán)世強(qiáng)1，李義強(qiáng)2

(1.石家莊鐵道大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043)

摘要：針對復(fù)雜氣象環(huán)境下的鐵路橋梁施工安全監(jiān)測需求，提出了一種在施工現(xiàn)場部署的無線網(wǎng)絡(luò)方案。該方案易于現(xiàn)場實(shí)施，可以融合傳統(tǒng)的工業(yè)通信協(xié)議。通過合理配置，具有較高的通信帶寬，為施工現(xiàn)場的視頻采集及數(shù)據(jù)采集提供了穩(wěn)定的通信保障。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)共享，能夠提升數(shù)據(jù)處理能力，提高了數(shù)據(jù)的安全性。該方案在福平鐵路順利實(shí)施，對其他類似環(huán)境下的施工現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：橋梁施工;無線網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)庫復(fù)制；安全監(jiān)測

福平鐵路，即福州至平潭鐵路，總投資257.3億元人民幣，建設(shè)工期5.5 a，設(shè)計為雙線Ⅰ級鐵路。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，雙線Ⅰ級鐵路最高時速達(dá)250 km。福平鐵路起自福州站，沿線有福州南站、長樂站(首占)、長樂東站(古槐)，松下站，以橋梁跨越海壇海峽人嶼島、小練島、大練島至平潭島，線路長度約88.5 km[1]。

其中，北東口水道特大橋(B0～B58)，為國內(nèi)首座公鐵兩用大橋，全橋長3 712 m，全橋59個墩臺，55個為水下墩。此段工程在海上作業(yè)，受氣候影響，經(jīng)常風(fēng)急浪大，工作環(huán)境較惡劣，對施工現(xiàn)場的安全、質(zhì)量管理帶來了更大的挑戰(zhàn)。為此，亟需通過利用和融合現(xiàn)有的信息技術(shù)，構(gòu)建施工現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，為施工現(xiàn)場的標(biāo)準(zhǔn)化管理，多種采集傳感器部署，全天候地提供可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信息基本保障服務(wù)。

1 無線局域網(wǎng)技術(shù)選型

無線局域網(wǎng)(Wireliess Local Area Networks,WLAN)就是在局部區(qū)域內(nèi)以無線(no wire or wireless) 媒體或介質(zhì)進(jìn)行通信的無線網(wǎng)絡(luò), 典型覆蓋距離為幾十米到幾千米。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線局域網(wǎng)具有移動性、靈活性、可伸縮性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。但是，WLAN普遍采用的是802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)，這兩種標(biāo)準(zhǔn)因?yàn)檩^低的數(shù)據(jù)傳輸速度制約了在施工現(xiàn)場的應(yīng)用，特別是當(dāng)施工現(xiàn)場要處理大量視頻信息的時候，有必要進(jìn)行改進(jìn)。

近兩年，隨著802.11n標(biāo)準(zhǔn)的普及，使得通過WLAN方式快速傳輸大量數(shù)據(jù)成為可能。802.11n的首要目標(biāo)是為用戶提供更多的吞吐量，802.11n采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output))技術(shù)，使得WLAN的物理層吞吐速度提高到300 Mbps，甚至更高[2]。因此，在北東口水道特大橋棧橋數(shù)據(jù)通信環(huán)境構(gòu)建中，采用了符合802.11n標(biāo)準(zhǔn)的WLAN設(shè)備，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號的廣泛覆蓋和數(shù)據(jù)信息的快速傳輸。

2系統(tǒng)整體架構(gòu)拓?fù)?/p>

根據(jù)項(xiàng)目的要求，大練島與蘇澳碼頭約4 km的施工棧橋?qū)嵤┮曨l監(jiān)控及需要完成用于安全監(jiān)測的傳感器信息的傳輸工作。具體任務(wù)如下：在B2～B54平臺實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場視頻實(shí)時監(jiān)控；要對指定的施工棧橋平臺上部署的傳感器信息實(shí)時進(jìn)行采集。于是沿棧橋護(hù)欄端每100 m架設(shè)一個無線基站桿，基站桿上部署一個紅外高速球機(jī)和一個無線定向天線，形成一個無線熱點(diǎn)；并通過無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)及視頻信息傳輸至棧橋兩端的項(xiàng)目部。通過上述部署，在整個棧橋施工平面上實(shí)現(xiàn)了無線覆蓋，如圖1所示。

在WLAN通信中，遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那疤崾且暰嗫梢?，而棧橋沿線具備此條件。根據(jù)棧橋的現(xiàn)場情況，在第39號平臺各部署一個無線基站桿。并在各自項(xiàng)目部基地視距可見位置，布設(shè)無線天線基站桿。無線基站桿上放置定向無線AP(Wireless Access Point)，實(shí)現(xiàn)棧橋到項(xiàng)目部的通信鏈路暢通。通過第39號平臺無線AP背靠背鏈接，實(shí)現(xiàn)兩部分棧橋、項(xiàng)目部無線網(wǎng)絡(luò)的溝通。項(xiàng)目部的無線AP鏈入各自的數(shù)據(jù)采集中心，數(shù)據(jù)采集中心再通過電信運(yùn)營商的骨干網(wǎng)絡(luò)鏈入互聯(lián)網(wǎng)。

圖1 方案系統(tǒng)框圖

針對視頻監(jiān)控，在項(xiàng)目部部署視頻服務(wù)器、監(jiān)視器組建監(jiān)控中心。監(jiān)控中心發(fā)出的對于云臺、鏡頭等的控制指令通過無線網(wǎng)橋傳送到各監(jiān)控點(diǎn)?，F(xiàn)場傳回的視頻圖像可存儲在服務(wù)器硬盤上，能方便快捷地實(shí)現(xiàn)視頻資料的存儲、更新、查詢、備份。

針對數(shù)據(jù)采集，通過無線AP獨(dú)立的SSID(Service Set Identifier)及獨(dú)立的網(wǎng)橋，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)巾?xiàng)目部。視頻數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的傳輸信道的分離，可以保障兩個系統(tǒng)相對獨(dú)立，提高各自的傳輸帶寬，避免了彼此傳輸帶寬的競爭。

為了保障棧橋及項(xiàng)目部數(shù)據(jù)信息安全，在接入電信運(yùn)營商的入口處，部署防火墻設(shè)備，配置VPN。通過這樣的安全設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶通過互聯(lián)網(wǎng)快捷、安全地了解棧橋施工現(xiàn)場信息。項(xiàng)目部的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫實(shí)時復(fù)制技術(shù)，將數(shù)據(jù)信息實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控處理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，并提供數(shù)據(jù)訪問接口，供其它應(yīng)用系統(tǒng)，例如移動客戶端APP訪問數(shù)據(jù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 易于現(xiàn)場部署的無線基站桿設(shè)計

傳統(tǒng)上無線基站桿都是線下裝配完畢后，再吊裝焊接安裝，這樣需要幾個相關(guān)工種彼此配合，影響施工進(jìn)度。沿海棧橋特點(diǎn)是施工場地狹窄，工作時間受氣候影響較大，若按傳統(tǒng)施工工法，基站桿安裝進(jìn)度會比較緩慢。本項(xiàng)目定制的監(jiān)控桿基站桿頂部為可拆卸設(shè)計，桿頂部有鎖扣及固定裝置，底部有線纜引出口。并且，留有視頻攝像頭接口，方便安裝視像頭[3]。

通過這種設(shè)計，可以先成批進(jìn)行基站桿的吊裝焊接安裝，然后再由相關(guān)技術(shù)人員統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)備上架安裝。這樣，將多工種合作配合流程轉(zhuǎn)變?yōu)閱喂しN單向流程，大大提高了工作效率。

另外，由于無線網(wǎng)橋的定向特點(diǎn)，固定無線AP采用多角度可調(diào)整的鴨嘴夾設(shè)計，通過相關(guān)無線功率測試設(shè)備，確定好最優(yōu)的角度后，再予以固定。

3.2 防止信道間干擾的AP配置

棧橋是線性的布局，在一個方向上部署了多個AP后，會導(dǎo)致信道間的干擾。根據(jù)WLAN的規(guī)范，2.4 GHz頻段，共設(shè)11個子信道，但是由于子信道分布的重疊性，在該頻段內(nèi)最大不會互相重疊的信道只有3個，即某一個區(qū)域，同時接收到的無線信號所占用的子信道將不能超過3個。當(dāng)AP同時嘗試傳輸數(shù)據(jù)的時候，會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突，AP必須等待一段時間之后再次嘗試進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這將會影響整個WLAN系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能。為此，需要在轉(zhuǎn)發(fā)AP上做相關(guān)的配置，最大限度減少信道干擾的產(chǎn)生。傳統(tǒng)上，會采用相隔較遠(yuǎn)的信道，比如1、6、11信道等，但是棧橋上部署的AP比較多，又幾乎部署在同一個直線上，這個方式很難實(shí)施，通信效果較差。

這里，采用支持2.3 G～2.7 G 超寬頻段的AP，它可以提供100個信道選擇，避免2.4 GHz頻段擁擠干擾，帶寬最大100 M，不必再為2.4 G 的信道較少而擔(dān)心串?dāng)_問題。在實(shí)際部署中，對AP設(shè)置為40 MHz高吞吐量模式，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。另外，因?yàn)槭┕がF(xiàn)場會不可避免產(chǎn)生AP間視距的偶爾遮擋，2.4 G繞射能力相對較強(qiáng)，所以，應(yīng)該優(yōu)先采用2.4 G頻段的AP，而不是5 G頻段的AP。

通過這些配置，在棧橋施工現(xiàn)場的無線AP的性能得到了很好的保證，保障了數(shù)據(jù)的安全快速的傳輸。其性能效果如圖2所示。

圖2　AP性能情況

3.3 傳感器采集系統(tǒng)的485/422接口轉(zhuǎn)換

串行通信方式(RS-232、RS-485/422等)因?yàn)橐子趯?shí)現(xiàn)、成本低廉的特點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場、傳感器數(shù)據(jù)采集方面廣泛應(yīng)用。通過無線局域網(wǎng)方式構(gòu)建的施工現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)原理上還是一種以太網(wǎng)絡(luò)，所以需要在串行設(shè)備和遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備中間增加一級轉(zhuǎn)換單元，即485/422接口轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)設(shè)備[4]。這里，在傳感器端部署了協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將串行信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)交換設(shè)備連接無線AP，再通過施工現(xiàn)場的無線局域網(wǎng)，傳輸?shù)巾?xiàng)目部的采集設(shè)備中。協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用透明串口通訊模式，在項(xiàng)目部端,采集設(shè)備通過虛擬串口服務(wù)這種方式，實(shí)現(xiàn)了通過以太網(wǎng)絡(luò)與傳感器數(shù)據(jù)的透明交互，如圖3所示。這樣，就把近端的數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)變成了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，避免了施工現(xiàn)場及氣象環(huán)境對采集工作的影響。例如，海洋流速儀的數(shù)據(jù)采集就是通過這種方式實(shí)現(xiàn)了全天候條件的不間斷的數(shù)據(jù)傳輸，而不再是傳統(tǒng)的頻繁打撈海洋流速儀、人工讀取數(shù)據(jù)方式。

圖3　485/422轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)示意圖

3.4 異地數(shù)據(jù)備份機(jī)制

對于長期的監(jiān)測系統(tǒng)而言，近現(xiàn)場端的數(shù)據(jù)處理能力受到現(xiàn)場條件的制約，計算能力和帶寬吞吐都很難滿足監(jiān)測系統(tǒng)功能對數(shù)據(jù)的需求。這里，監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在近現(xiàn)場端服務(wù)器不同的數(shù)據(jù)庫中，采用了Mysql數(shù)據(jù)庫的Multi-Source(多源)復(fù)制技術(shù)。通過數(shù)據(jù)庫復(fù)制的CHANNEL(通信渠道)的方式，將不同數(shù)據(jù)庫中的不同數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程實(shí)時匯集到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心[5]。如圖4所示。每一個通信渠道都是從主服務(wù)器獲得一個二進(jìn)制日志的鏈接。這意味著每個通信渠道都得有一個IO_THREAD。對于每一個主服務(wù)器，需要運(yùn)行不同的 “CHANGE MASTER” 命令，需要用到 “FOR CHANNEL”這個參數(shù)來提供通信鏈接的名字：

CHANGE MASTER MASTER_HOST=…

圖4　多源數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)

MASTER_USER=… FOR CHANNEL=”name_of_channel”;

由于復(fù)制技術(shù)是從遠(yuǎn)端主動訪問近現(xiàn)場端獲取數(shù)據(jù)，若近現(xiàn)場端不是運(yùn)營商專網(wǎng)接入，IP地址是不固定的，通信是無法保證的。為此，可以采用DDNS(Dynamic Domain Name Server,動態(tài)域名解析服務(wù))結(jié)合端口映射技術(shù)手段，構(gòu)建遠(yuǎn)端穩(wěn)定地訪問近現(xiàn)場端的數(shù)據(jù)通信通道。

4 結(jié)束語

通過上述方案的成功實(shí)施，為北東口水道特大橋棧橋施工現(xiàn)場提供了穩(wěn)定、高速的無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過這個環(huán)境，不僅能夠傳輸現(xiàn)場與項(xiàng)目部間的信息數(shù)據(jù)，也可以快速傳輸現(xiàn)場的視頻監(jiān)控信息，為科學(xué)、合理、安全的施工提供了有力的支撐。該方案能夠在近?？量痰臍庀蟓h(huán)境下成功運(yùn)行，為其他類似環(huán)境下的施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信環(huán)境建設(shè)提供很好的借鑒和示范。

參考文獻(xiàn)

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On the Design and Deployment of the Wireless Network for Monitoring the Safe Construction of Offshore Bridges

Yan Shiqiang1,Li Yiqiang2

(1.Centre of Modern Educational Technology, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;

2.Structure Health Monitoring and Control Institution,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

Abstract:To meet the requirements in monitoring the safe construction of railway bridges in complex climatic environments, put forward in the paper is a scheme of deploying a wireless net for monitoring at the construction site.Being easy to carry out at the site,the scheme may be integrated into the traditional industrial communications agreements. After being rationally deployed,the wireless net for monitoring, enjoying a comparatively great band width, may provide reliable communications support in the collection of the site videos and data.By making use of the database-copying technology,the data-sharing between the construction site and the far-range data-processing centre may be realized,with the capability of data-processing upgraded,and the security of the data improved.The successful application of the scheme to the Fu-Ping Railway provides a useful reference for the construction of wireless network at other construction sites in similar environments.

Key words:bridge construction;wireless network;database replication;safe monitoring

中圖分類號：U445

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)02-0061-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.017

作者簡介：嚴(yán)世強(qiáng)(1973—)，男，高級工程師，主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用技術(shù)研究工作yanshq@stdu.edu.cn

收稿日期：2015-12-08