絲路經(jīng)濟(jì)帶大跨度橋梁多源監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析與云計(jì)算仿真技術(shù)研究

摘 要：針對(duì)絲路經(jīng)濟(jì)帶大跨度橋梁施工和運(yùn)維階段多源監(jiān)測(cè)和預(yù)警仿真的實(shí)際需求，開展大型結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析云計(jì)算技術(shù)研究，在此基礎(chǔ)上搭建云計(jì)算平臺(tái)并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，研究結(jié)論可供實(shí)際工程參考。

關(guān)鍵詞：絲路經(jīng)濟(jì)帶；大跨度橋梁；多源監(jiān)測(cè)；大數(shù)據(jù)分析；云計(jì)算；仿真技術(shù)

引言

絲路經(jīng)濟(jì)帶沿線自然環(huán)境復(fù)雜，如風(fēng)、冰、雨、雪、地震、泥石流和極端高、低溫天氣頻發(fā)，橋梁受惡劣自然環(huán)境條件影響因素復(fù)雜多變，由此帶來了較大的運(yùn)營(yíng)維護(hù)壓力。為著力保障重點(diǎn)交通基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全和實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的現(xiàn)實(shí)需求，針對(duì)處于路網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和復(fù)雜環(huán)境的大跨度橋梁開展多源傳感器監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)技術(shù)研究，可以在不斷提高現(xiàn)有技術(shù)水平的前提下，優(yōu)化監(jiān)測(cè)技術(shù)架構(gòu)，從而為絲路經(jīng)濟(jì)帶沿線大量交通基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)水平和安全提供科學(xué)有效保障。

1 大跨度橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)的演變

目前交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的大跨度橋梁監(jiān)測(cè)，均納入健康監(jiān)測(cè)的范疇，采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)為本地模式，即監(jiān)測(cè)傳感器、采集器和監(jiān)控中心專線專用，由于橋梁地處自然環(huán)境的特點(diǎn)，要求在現(xiàn)場(chǎng)或者管理中心設(shè)置機(jī)房，采用人工值守的方式以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全。如圖1所示的橋梁結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)設(shè)備多達(dá)百余臺(tái)套，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)和監(jiān)測(cè)結(jié)果處理流程詳見圖2～3。

大跨度橋梁監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)是：傳感器數(shù)量和類型多，光學(xué)、電、磁設(shè)備共存，靜、動(dòng)態(tài)物理量均需要借助光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，需采用專用數(shù)據(jù)總線來構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的感知層，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)線纜需定期維護(hù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用專用的分析軟件進(jìn)行在線處理。由于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展速度快，導(dǎo)致實(shí)際工作中橋梁監(jiān)測(cè)設(shè)備更新?lián)Q代的步伐也隨之加快，國(guó)內(nèi)曾有某大跨懸索橋因設(shè)備供貨商重組和倒閉，監(jiān)測(cè)設(shè)備陳舊老化或年久失修，致命監(jiān)控系統(tǒng)整體失效，最后不得已只能采用整體更換的辦法，從而產(chǎn)生監(jiān)測(cè)不連續(xù)的情況發(fā)生。除此之外，上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的大量數(shù)據(jù)只能通過配套軟件進(jìn)行常規(guī)處理，不但其監(jiān)測(cè)作用需要深度挖掘，更因橋梁工程的專業(yè)性極強(qiáng)，因此僅靠運(yùn)維人員或管理單位的工程師，是無法承擔(dān)橋梁結(jié)構(gòu)性能受自然環(huán)境因素時(shí)變影響等深入分析工作的，客觀上也造成了監(jiān)測(cè)資源的浪費(fèi)，隨著跨區(qū)域甚至跨境交通大通道的興建，對(duì)于大跨度橋梁監(jiān)測(cè)工作中存在的“重建設(shè)、輕分析”的現(xiàn)狀亟待改變。

自然環(huán)境條件對(duì)絲路經(jīng)濟(jì)帶交通基礎(chǔ)設(shè)施安全暢通構(gòu)成的巨大挑戰(zhàn)，而按照目前廣泛采用的“誰投資、誰管理、誰監(jiān)測(cè)、誰養(yǎng)護(hù)”運(yùn)維管理模式應(yīng)用于大跨度橋梁的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理，將存在因地理距離遙遠(yuǎn)、交通基礎(chǔ)設(shè)施類型多樣、自然環(huán)境工況繁雜耦合、結(jié)構(gòu)幾何物理參數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律復(fù)雜、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化頻繁且體量巨大、預(yù)警評(píng)估準(zhǔn)則構(gòu)建難度大且時(shí)間滯后等困難，因此必須采用創(chuàng)新思路尋找解決途徑。

2 橋梁多源監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析的必要性

按照通行看法，大數(shù)據(jù)（big data，mega data）的基本概念是，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，針對(duì)多元形式、由眾多類型智能傳感器采集得到的海量、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集合，采用分析該集合內(nèi)所有數(shù)據(jù)的特定方法，以達(dá)到從海量數(shù)據(jù)中提純出有用信息的目的。

大數(shù)據(jù)具有4V特點(diǎn)，即Volume（大量，即海量數(shù)據(jù)）、Velocity（高速，指要求數(shù)據(jù)處理速度快）、Variety（多樣，即數(shù)據(jù)類型繁多）、Value（價(jià)值，指價(jià)值密度低，如連續(xù)不間斷監(jiān)控過程中，可能有用的數(shù)據(jù)僅僅存在1～2秒）。從這個(gè)角度看，文章研究對(duì)象即絲路經(jīng)濟(jì)帶的大跨度橋梁監(jiān)測(cè)，除其不具備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)價(jià)值密度低的特點(diǎn)外，其監(jiān)測(cè)運(yùn)維過程具有典型的大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，即監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)海量、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化快、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型多樣的特點(diǎn)，因此采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析是合理選擇。

近年來逐漸興起的云計(jì)算（Cloud Computing）基本概念可概括為，基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，將可共享的軟、硬件資源和信息按需提供給計(jì)算機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備。典型的云計(jì)算提供商通常提供通用的在線商業(yè)應(yīng)用（軟件資源/硬件平臺(tái)），軟件和數(shù)據(jù)都部署在服務(wù)器上，用戶可以通過APP或者Web服務(wù)來實(shí)時(shí)訪問。特別地，對(duì)于復(fù)雜自然環(huán)境的大跨度橋梁等重點(diǎn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和仿真計(jì)算，用戶不必配置價(jià)格不菲的高性能計(jì)算機(jī)、軟件資源和專業(yè)運(yùn)維人員，而改由監(jiān)測(cè)服務(wù)專業(yè)機(jī)構(gòu)通過架設(shè)私有云端服務(wù)器、或者租用公共云端服務(wù)器及時(shí)分析處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果通過云端及時(shí)反饋至客戶端，管理單位或業(yè)主只需支付少量服務(wù)器的租用費(fèi)即可實(shí)現(xiàn)同樣的運(yùn)維目的，而且工作更專業(yè)、效率更高效和響應(yīng)更快捷。

3 大跨度橋梁監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 私有云監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)際工程中的橋梁監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，無法用單臺(tái)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，必須采用分布式計(jì)算架構(gòu)。它的特色在于對(duì)海量數(shù)據(jù)的挖掘，因此必須依托云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫、云存儲(chǔ)和虛擬化技術(shù)。所謂虛擬化，是指通過虛擬化技術(shù)將一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)虛擬為多臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)。在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)邏輯計(jì)算機(jī)，每個(gè)邏輯計(jì)算機(jī)可運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著提高計(jì)算機(jī)的工作效率。這種優(yōu)勢(shì)在監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)公共云環(huán)境體現(xiàn)得更為充分。

計(jì)算機(jī)集群（Clusters）是通過一組松散集成的計(jì)算機(jī)軟件和/或硬件連接起來高度緊密地協(xié)作完成計(jì)算工作，集群系統(tǒng)中的單臺(tái)計(jì)算機(jī)稱為節(jié)點(diǎn)，通常通過局域網(wǎng)連接。計(jì)算機(jī)集群的主要用途是用來改進(jìn)單個(gè)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和/或可靠性。一般情況下計(jì)算機(jī)集群比單臺(tái)計(jì)算機(jī)、工作站或超級(jí)計(jì)算機(jī)性能價(jià)格比要高得多。因此，監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)技術(shù)服務(wù)提供商自行搭建的私有云端服務(wù)器采用計(jì)算機(jī)集群是經(jīng)濟(jì)、可靠的技術(shù)架構(gòu)。

私有云監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，其中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析和結(jié)果反饋均通過監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)服務(wù)商自己架設(shè)云端服務(wù)器完成，這種服務(wù)器可借助幾臺(tái)甚至數(shù)十臺(tái)普通臺(tái)式電腦、通過千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成小型計(jì)算機(jī)集群來實(shí)現(xiàn)，因此比較適合監(jiān)測(cè)數(shù)量有限的大跨度橋梁和監(jiān)測(cè)分析工作量比較集中的用戶。

3.2 公共云監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)

公共云監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，它與私用云的最大區(qū)別在于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析和結(jié)果反饋均通過公共云端服務(wù)器完成，因此特別多座大跨度橋梁監(jiān)測(cè)、跨區(qū)域或跨境的大跨度橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，或者由不同服務(wù)提供商協(xié)同完成的大跨度橋梁監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析的場(chǎng)景。

目前國(guó)內(nèi)公共云計(jì)算提供商（如阿里云、盛大云）均采用虛擬化方式向用戶提供租用的計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源，用戶在部署自己的大數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)時(shí)，因易引發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定等潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此無法在此基礎(chǔ)上再搭建虛擬計(jì)算環(huán)境。

4 橋梁監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

處于復(fù)雜自然環(huán)境下的重點(diǎn)橋梁，無論外部作用、車輛超載、結(jié)構(gòu)自身材料性能、材料腐蝕、材質(zhì)退化和帶裂縫工作開裂等都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生時(shí)變，受偶然外部作用（如地震、風(fēng)、冰雪、交通事故等）將會(huì)加速這一進(jìn)程，因此在獲得大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和日常運(yùn)維檢測(cè)結(jié)果之后，對(duì)上述結(jié)構(gòu)體系做出受力性能評(píng)估、安全預(yù)警和養(yǎng)護(hù)決策，都需要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和材料性能非線性時(shí)變性能進(jìn)行受力性能的動(dòng)態(tài)仿真分析。由于大跨度橋梁運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)安全判定準(zhǔn)則和預(yù)警信息的確定，都需要在大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信息分析、考慮外部環(huán)境和結(jié)構(gòu)材料、幾何信息隨時(shí)間變化影響因素的結(jié)構(gòu)體系靜動(dòng)力有限元仿真分析，因計(jì)算工作量大而需要耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)時(shí)。為提高實(shí)時(shí)仿真的計(jì)算效率和預(yù)警信息的及時(shí)確定，必須借助高性能計(jì)算仿真技術(shù)作為平臺(tái)，相應(yīng)的軟件可借助云端部署的開源操作系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析和有限元模擬軟件[3，4]。

基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的工作機(jī)制，對(duì)于處于復(fù)雜自然環(huán)境的大跨度橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)具有重要意義，即大量實(shí)際工程的眾多管理單位可將相關(guān)專業(yè)化、日?；?、事務(wù)化和繁雜化的監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)技術(shù)工作委托專門化服務(wù)團(tuán)隊(duì)或者服務(wù)提供商進(jìn)行運(yùn)維，后者根據(jù)服務(wù)對(duì)象的需求建立相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算平臺(tái)，并根據(jù)需要進(jìn)行專業(yè)化的技術(shù)服務(wù)，按要求將監(jiān)測(cè)對(duì)象的年度、定期和特殊檢測(cè)結(jié)果及時(shí)融入運(yùn)維大數(shù)據(jù)平臺(tái)，根據(jù)要求和實(shí)際需要向委托方提交專業(yè)化的分析報(bào)告并提供相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)決策意見，從而實(shí)現(xiàn)分工明確、職責(zé)明晰、工作高效的社會(huì)化專業(yè)分工新格局。

5 云計(jì)算平臺(tái)部署和效果對(duì)比

為了實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比的需要，文章采用私有云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，利用依托教學(xué)單位計(jì)算機(jī)室48臺(tái)DELL臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源搭建了計(jì)算機(jī)集群，其中每臺(tái)計(jì)算機(jī)平時(shí)作為單機(jī)供教學(xué)使用，科研需要時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將48臺(tái)單機(jī)互聯(lián)作為高性能計(jì)算機(jī)集群。采用Ubantu Linux14.02中文版32位操作系統(tǒng)、Apache Storm和Apache Spark最新版本分別搭建了監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析環(huán)境和有限元模擬分析環(huán)境，為了使用商用有限元軟件MIDAS/civil和普通教學(xué)需要，采用Vmware Workstation V10.0.1中文版搭建了WINDOWS虛擬環(huán)境，從而驗(yàn)證了文章技術(shù)架構(gòu)的應(yīng)用效果，公共云端實(shí)驗(yàn)已完成了初步工作，其效果有待下一步繼續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

6 結(jié)束語

充分考慮絲路經(jīng)濟(jì)帶沿線跨區(qū)域、跨境地理距離遙遠(yuǎn)、區(qū)域自然環(huán)境條件惡劣復(fù)雜和安全影響因素多變等帶來的運(yùn)維壓力，著力全線保障暢通和實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的現(xiàn)實(shí)需求，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新興技術(shù)為載體和支撐，開展復(fù)雜自然環(huán)境條件下大跨度橋梁施工和運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)和云計(jì)算仿真預(yù)警技術(shù)研究，均具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，從而在交通安全保障、運(yùn)維技術(shù)和全天候快捷安全通行等交通運(yùn)輸服務(wù)模式制度和科技創(chuàng)新，以及提升路網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)長(zhǎng)大橋梁、隧道、高陡邊坡工程的安全監(jiān)控、快速巡查、事故定位、設(shè)施維護(hù)和管養(yǎng)技術(shù)水平，打造一條快捷、優(yōu)質(zhì)和高效的絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，從而推動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)起飛和深化區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作的質(zhì)量和效益。

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作者簡(jiǎn)介：周建春（1964-），男，河南社旗人，工學(xué)博士，副教授，從事橋梁與隧道教學(xué)與科研工作。