基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺設(shè)計

周 敏，岳麗娜

(1.武漢理工光科股份有限公司，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室，湖北 武漢430070)

基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺設(shè)計

周 敏1，岳麗娜2

(1.武漢理工光科股份有限公司，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室，湖北 武漢430070)

為強化路網(wǎng)橋梁安全信息化管理，基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，整合橋梁健康監(jiān)測、人工巡檢、專項檢測等橋梁結(jié)構(gòu)安全信息，構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺，實現(xiàn)多橋信息的集成化管理，開展有據(jù)可循的橋梁決策咨詢與管理工作，提升橋梁管養(yǎng)水平。該平臺采用通用化和標準化設(shè)計，安全、可靠、可擴展，易于產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)；云技術(shù)；橋梁；結(jié)構(gòu)安全；信息平臺

隨著橋梁建設(shè)年限的增加，橋梁結(jié)構(gòu)日趨陳舊老化，加之普遍出現(xiàn)的貨運超載現(xiàn)象，對橋梁運營形成了較大的安全隱患。橋梁安全問題已成為各級公路管理部門工作的重點與難點。目前橋梁管理多采用傳統(tǒng)的手段和方法，但傳統(tǒng)方法個體差異性大，造成橋梁管理工作難以標準化、規(guī)范化，有限的養(yǎng)護資金難以發(fā)揮最大效益[1]。雖然各級公路橋梁管養(yǎng)責(zé)任主體針對橋梁管理信息化已各自開展了相關(guān)前期工作[2]，但現(xiàn)存的橋梁屬地管理模式造成相關(guān)經(jīng)營主體均自行負責(zé)信息系統(tǒng)建設(shè)，橋梁信息化安全管理模式較為松散。且依據(jù)傳統(tǒng)手段所提供的檢測信息個性化特征明顯，對反映橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要參量無廉價、快速的檢測手段，形成的檢測結(jié)果多偏重于病害描述，而非安全結(jié)論。該現(xiàn)狀造成了上級公路橋梁管養(yǎng)責(zé)任主體無法得到統(tǒng)一標準口徑的橋梁信息，所依據(jù)的現(xiàn)有信息難以支撐路網(wǎng)橋梁的安全質(zhì)量評判，這不僅是人力、物力、財力的浪費，還不利于緊急情況下形成相關(guān)部門之間的快速聯(lián)動機制。為此，筆者利用物聯(lián)網(wǎng)[3]和云技術(shù)[4]，從傳統(tǒng)的面向過程的設(shè)計轉(zhuǎn)向面向?qū)ο蟆⒚嫦蚍?wù)的設(shè)計，搭建集成化的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺，由平臺服務(wù)器統(tǒng)一管理各橋安全信息，提供開放的對外服務(wù)接口，實現(xiàn)用戶之間信息的網(wǎng)絡(luò)互通，便于管理者統(tǒng)籌規(guī)劃養(yǎng)護資金和決策養(yǎng)護計劃。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺

基于物聯(lián)網(wǎng)各橋梁結(jié)構(gòu)安全信息接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)集中管理，信息交換，進一步提高系統(tǒng)智能化水平，降低人工的強度與難度。同時針對結(jié)構(gòu)安全管理不能直接使用原始采集數(shù)據(jù)的特性，通過云技術(shù)解決海量時間序列數(shù)據(jù)處理、專業(yè)計算分析、存儲、接口服務(wù)需求。云技術(shù)將相關(guān)能力以服務(wù)的方式提供給用戶，允許用戶在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒有相關(guān)知識及設(shè)備操作能力的情況下，通過互聯(lián)網(wǎng)獲取所需要的服務(wù)。在橋梁結(jié)構(gòu)安全信息管理領(lǐng)域，該平臺的云技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)是一個問題的兩個方面，兩者均以互聯(lián)網(wǎng)為重要基礎(chǔ)，云技術(shù)側(cè)重于增強系統(tǒng)應(yīng)用的專業(yè)性并提高計算分析智能化水平，物聯(lián)網(wǎng)是獲取橋梁結(jié)構(gòu)信息的基本保證，兩者互相融合，相輔相成。

1.1 平臺搭建總體方案

按照國家相關(guān)標準規(guī)范[5-6]，有針對性地獲取橋梁結(jié)構(gòu)安全所需的關(guān)聯(lián)信息，結(jié)合橋梁目前實施最多的橋梁人工巡檢、專項檢測及在線健康監(jiān)測[7-9]工作進行電子化、網(wǎng)絡(luò)化、標準化的信息獲取，搭建安全信息平臺進行橋梁安全數(shù)據(jù)集成管理，標準化數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、計算評估、鏡像存儲、對外服務(wù)及提供運營決策信息，形成橋梁數(shù)據(jù)信息管理規(guī)范和制度。

(1)安全信息平臺架構(gòu)。橋梁結(jié)構(gòu)安全信息由信息平臺負責(zé)搜集和整理。信息平臺架構(gòu)基于網(wǎng)絡(luò)平臺B/S模式，完成對橋梁群信息的管理決策，并為各級應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和功能服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和功能復(fù)用。在數(shù)據(jù)中心通過IIS搭建應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)基于權(quán)限分配的多用戶管理訪問。橋梁安全信息平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋梁安全信息平臺總體構(gòu)架

(2)WebGIS調(diào)用開發(fā)。建立調(diào)用WebGIS[10]的橋梁群網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)平臺，在統(tǒng)一的空間信息框架基礎(chǔ)上提供橋梁群空間屬性信息。以橋梁群空間信息的共享和建設(shè)為主線，整合橋梁地理空間信息，為空間數(shù)據(jù)的共享、業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)及各層次的輔助決策等提供空間支持和服務(wù)。通過網(wǎng)頁交互操作GIS地圖，直觀查找某種查詢規(guī)則下橋梁的位置、圖片信息及文字資料，如圖2所示。

圖2 橋梁安全信息平臺GIS界面

1.2 平臺構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

從傳統(tǒng)的單一系統(tǒng)設(shè)計方法轉(zhuǎn)向集中化、專業(yè)化和產(chǎn)品化實施體制，采用大型分布式分級系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集、通訊、存儲、備份、安裝部署、服務(wù)接口、性能、決策支持、系統(tǒng)診斷等功能。

(1)橋梁結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫。構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全多期信息的延續(xù)性和可比性，并兼顧信息平臺在不斷發(fā)展中擴充、升級及優(yōu)化。該平臺的數(shù)據(jù)可以分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[11]，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指可以用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表和視圖的形式存貯和表示的數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要是以文檔形式存在的數(shù)據(jù)，部分文檔數(shù)據(jù)也可以具有一定的結(jié)構(gòu)。平臺將采用分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(各橋梁數(shù)據(jù)庫)到集中式數(shù)據(jù)中心(橋梁數(shù)據(jù)集成平臺)的方式管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。為了實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時考慮海量數(shù)據(jù)管理和性能的問題，系統(tǒng)選用可跨越多版本服務(wù)器平臺的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[12]。橋梁結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫原始層負責(zé)記錄橋梁結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的在線監(jiān)測、人工巡檢、專項檢測等動態(tài)橋梁數(shù)據(jù)和靜態(tài)橋梁屬性檔案，標準化管理未經(jīng)處理的橋梁結(jié)構(gòu)基本屬性資料、動態(tài)更新信息；基礎(chǔ)層面向監(jiān)管和服務(wù)功能，在獲取的橋梁各類數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上根據(jù)專家評估系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)信息匹配關(guān)聯(lián)與二次處理，實現(xiàn)信息查詢、展現(xiàn)所需數(shù)據(jù)源關(guān)鍵字段識別，結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)庫

(2)基于網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸。橋梁安全信息平臺與各橋梁數(shù)據(jù)通過同步方式或異步方式，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)拷貝，利用分布式到集中式的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理統(tǒng)一各類數(shù)據(jù)的一體化集成。結(jié)合國家最新規(guī)范要求及橋梁管理養(yǎng)護工作在規(guī)范實施中存在的難點，對橋梁結(jié)構(gòu)安全信息主要包括在線健康監(jiān)測、現(xiàn)場人工巡檢和結(jié)構(gòu)專項檢測信息等進行網(wǎng)絡(luò)化傳輸，作為橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺長期、穩(wěn)定、可靠的信息源，具體如圖4所示。

圖4 信息采集和處理

(3)基于安全信息平臺的監(jiān)管和服務(wù)功能。安全信息平臺監(jiān)管和服務(wù)目標是為公路橋梁管養(yǎng)責(zé)任主體決策橋梁安全管理重點和方向，為養(yǎng)護資金分配和計劃管理提供量化依據(jù)，如圖5所示。信息平臺專家決策系統(tǒng)的主要功能包括：①分級進行功能定位與權(quán)限安全約束；②圖表方式進行信息分類統(tǒng)計查詢；③程序化、規(guī)則化進行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價信息的多期、多評價指標計算；④動態(tài)信息評價結(jié)果進行自動分類，制定面向不同需求設(shè)計自動分類結(jié)果的排序規(guī)則，基于自動分類排序結(jié)果制定管理養(yǎng)護預(yù)案策略。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺實施

(1)實施技術(shù)路線。基于物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的橋梁安全信息平臺搭建需由包括橋梁結(jié)構(gòu)工程、儀器與測量技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)、信號處理、計算機等專業(yè)技術(shù)人員聯(lián)合實施，橫跨多個專業(yè)領(lǐng)域，體系規(guī)模龐大，監(jiān)測對象屬性復(fù)雜，專業(yè)性強。該平臺圍繞從橋梁靜態(tài)屬性信息與反映橋梁結(jié)構(gòu)安全的動態(tài)信息錄入角度，開展橋梁基本屬性分類、人工巡檢電子化、橋梁專項檢測及多信息網(wǎng)絡(luò)化定位接入；從信息的使用角度，構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)安全信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，開展以保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、及時管理養(yǎng)護為目標的專家系統(tǒng)?？傮w實施技術(shù)路線框架如圖6所示。

(2)平臺應(yīng)用。該系統(tǒng)的界面采用當(dāng)前主流深色調(diào)UI界面、多色彩數(shù)據(jù)高亮顯示方式，如圖7所示。系統(tǒng)主界面可進行多橋橋梁切換展示，提供平臺服務(wù)功能、橋梁檔案功能、結(jié)構(gòu)監(jiān)測功能、人工巡檢功能、專項檢測功能、領(lǐng)導(dǎo)查詢功能、系統(tǒng)管理功能等，并提供公網(wǎng)訪問職能，系統(tǒng)功能界面，如圖8所示。

圖5 安全信息平臺監(jiān)管和服務(wù)

圖7 平臺登錄界面

圖8 人工巡檢功能界面

3 結(jié)論

筆者以物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建橋梁結(jié)構(gòu)安全信息平臺，整合橋梁在線健康監(jiān)測、現(xiàn)場人工巡檢和結(jié)構(gòu)專項檢測信息，在橋梁結(jié)構(gòu)安全信息數(shù)據(jù)量大的基礎(chǔ)上提高了標準化、自動化程度，對多橋信息化集成管理實現(xiàn)了分期開展，提升了橋梁科學(xué)管養(yǎng)水平。

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TheKeyTechniquesofBridgeStructureSafetyInformationPlatformBasedonInternetofThingsandCloudTechnology

ZHOUMin,YUELina

In view of the road network bridge safety information management, based on the internet of things and cloud technology, integration of bridge health monitoring, artificial inspection and special testing to construct bridge, the safety information platform was built. It can realize the bridge information integrated management, carry out the effective bridge decision consultation and management, enhance the level of bridge maintenance. The platform design meets the general utilization and standardization. It is safe, reliable and extensible. This techniques is easy to industrial popularize and application.

internet of things；cloud technology；bridge；structure safety；information platform

2095-3852(2017)06-0765-04

A

2017-06-06.

周敏(1979-)，女，湖北武漢人，武漢理工光科股份有限公司高級工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)分析與評估、安全信息分析.

國家自然科學(xué)基金項目(61402345).

U446.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.06.023

ZHOUMin:Senior Engineer; Wuhan WUTOS Co. Ltd., Wuhan 430070, China.