基于傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施智能云平臺

陳曉晉　孫凱旋　胡欣宇

摘 要：隨著城市規(guī)模擴(kuò)大、人口激增、交通日趨繁忙，傳統(tǒng)的市政基礎(chǔ)設(shè)施管理模式與現(xiàn)實(shí)需求之間的矛盾日益凸顯。市政基礎(chǔ)設(shè)施舊的管理模式不斷落后是擺在城市管理者面前的一個嚴(yán)峻問題。智能基礎(chǔ)設(shè)施是運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)、傳感技術(shù)與通訊技術(shù)所構(gòu)建的一種新型城市基礎(chǔ)設(shè)施的管理云平臺。傳感網(wǎng)通過實(shí)時采集結(jié)構(gòu)體的響應(yīng)數(shù)據(jù)，將其傳輸回云計算中心，通過運(yùn)用精密的數(shù)學(xué)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的模式、相關(guān)性和異常值，從而對市政基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)做出準(zhǔn)確預(yù)測。

關(guān)鍵詞：傳感網(wǎng);城市基礎(chǔ)設(shè)施;智能云平臺;運(yùn)行狀態(tài);管理模式;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-0-03

0 引 言

橋梁、隧道、道路、地下管線以及大型地下空間體等構(gòu)成了城市基礎(chǔ)設(shè)施群，它們的健康營運(yùn)確保了城市功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。市政基礎(chǔ)設(shè)施不僅承受著各種人流、車載、土水壓力等荷載作用，同時隨時還可能遭受到地震、臺風(fēng)、洪水、人為破壞甚至恐怖襲擊的不利影響;此外，構(gòu)成市政基礎(chǔ)設(shè)施的材料如混凝土、鋼材等自身還會隨時間產(chǎn)生腐蝕、老化以及疲勞等效應(yīng)[1-2]。由于無法及時獲取分布在城市各處的市政基礎(chǔ)設(shè)施的營運(yùn)狀態(tài)信息，往往導(dǎo)致其管養(yǎng)效率低下，老化損傷嚴(yán)重，對緊急事件的響應(yīng)難以及時到位，并給城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不利影響甚至是嚴(yán)重

危害[3-4]。

智能基礎(chǔ)設(shè)施是運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)、傳感技術(shù)與通信技術(shù)所構(gòu)建的一種新型城市基礎(chǔ)設(shè)施的管理模式及平臺，其主要是通過在設(shè)施結(jié)構(gòu)體上布置大量傳感器來實(shí)現(xiàn)，因此這種方式也被稱作傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡稱傳感網(wǎng)）技術(shù)[5-6]。它可以實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施自身各類物理信息的收集、傳輸、儲存、整理、分類、展示、分析、決策與調(diào)度等一系列功能，進(jìn)而有效解決城市基礎(chǔ)設(shè)施管理難題[7-8]。

1 基本工作原理

目前可以構(gòu)成市政基礎(chǔ)設(shè)施傳感網(wǎng)的傳感器種類較多，根據(jù)傳感原理分類，應(yīng)用較廣的主要有：電阻應(yīng)變式傳感器、振弦式傳感器、光纖傳感器和微機(jī)電（MEMS）傳感器等幾類。其中電阻應(yīng)變式傳感器與振弦式傳感器出現(xiàn)時間較早，但它們不同程度上均存在電磁干擾以及耐久性不足等缺陷，近年來正逐步為光纖傳感器等新興傳感器所取代。

1.1 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感根據(jù)傳感原理劃分，具體共有上百種傳感方式。其中光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)在目前市政基礎(chǔ)設(shè)施傳感網(wǎng)監(jiān)測中的應(yīng)用最為廣泛，下面對光纖光柵傳感技術(shù)做簡要的介紹。

光纖光柵（FBG）分布在光纖體內(nèi)，可由紫外光對光纖側(cè)面進(jìn)行曝光，使纖芯的折射率沿軸向呈現(xiàn)出周期性分布而得到。FBG傳感器分布在光纖纖芯的一小段范圍內(nèi)，它的折射率沿光纖軸線發(fā)生周期性變化，纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化。FBG分布式測量原理如圖1所示[9-10]。

FBG傳感器的最大優(yōu)勢是它可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與溫度的準(zhǔn)分布式測量，也就是將具有不同柵距L的布喇格光柵間隔地制作在同一根光纖上，就可以用同一根光纖復(fù)用多個FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)對待測結(jié)構(gòu)定點(diǎn)的分布式的測量。由于該復(fù)用系統(tǒng)中每一個FBG傳感器的位置與lB都是確定的，分別對它們的波長移動量Dl進(jìn)行檢測，就可以準(zhǔn)確地對各FBG傳感器所在處的擾動信息進(jìn)行監(jiān)測。此外，通過專門的裝置封裝，還可用FBG傳感器對壓力、位移等物理量進(jìn)行測量[11]。

1.2 MEMS無線傳感技術(shù)

MEMS傳感器采用了一種芯片級的嵌入式傳感技術(shù)，傳感器在微小體積內(nèi)集成了信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線射頻通信等多種功能。任意部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型MEMS傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信所組成的多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對待監(jiān)測物體的協(xié)作感知、采集和信息處理[12]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）主要具有以下特征。

（1）分布式。網(wǎng)絡(luò)中沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)平等，節(jié)點(diǎn)之間通過分布式的算法來協(xié)調(diào)彼此的行為，是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。

（2）自組織。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，無需人工干預(yù)和任何其他預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可以在任何時刻、任何地方快速展開并自動組網(wǎng)，自動進(jìn)行配置和管理，通過適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法自動轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（3）拓?fù)渥兓?。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具備移動能力，可以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)在工作和睡眠狀態(tài)間切換、傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而失效或新傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充進(jìn)來等拓?fù)渥兓?/p>

（4）以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，它能夠快速、有效地組織起各個節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶[13]。

2 后端云計算

云計算的基本原理是通過使計算分布在大量的分布式計算機(jī)上，而非本地計算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器中，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行與互聯(lián)網(wǎng)相似。這使得企業(yè)能夠?qū)①Y源切換到需要的應(yīng)用上，根據(jù)需求訪問計算機(jī)和存儲系統(tǒng)。云計算通過網(wǎng)絡(luò)提供用戶所需的計算力、存儲空間、軟件功能和信息服務(wù)等，其新穎之處在于它幾乎可以提供無限的廉價存儲和計算能力[14-15]。云計算技術(shù)體系如圖2所示。

3 工程解決方案

3.1 隧道傳感網(wǎng)解決方案

隧道傳感網(wǎng)（安全預(yù)警與健康監(jiān)測）系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。各個監(jiān)測斷面的傳感器通過數(shù)據(jù)采集單元（光纖傳感器為光纖光柵解調(diào)儀;振弦式傳感器或其他模擬量傳感器為MCU信號采集單元）輸入同在以太網(wǎng)中的工控機(jī)內(nèi)，工控機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后將結(jié)構(gòu)的重要信息傳送到以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)[16-17]。此外，人工檢測的數(shù)據(jù)也可通過軟件平臺錄入到服務(wù)器中。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器同時與隧道機(jī)電系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)大屏顯示等功能。同時，服務(wù)器還可通過Internet或?qū)＞W(wǎng)與外部相連，與其他基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)器共同組成云計算中心。

單體系統(tǒng)的軟件基本功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)分為兩個部分，工控機(jī)上運(yùn)行的是系統(tǒng)控制部分（即下位機(jī)軟件），其中包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，預(yù)警報警系統(tǒng)、儀器控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全及健康評估系統(tǒng)以及數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)。任意網(wǎng)內(nèi)工作站可以通過運(yùn)行上位機(jī)軟件登錄服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽與分析，其中上位機(jī)軟件的功能模塊包括實(shí)時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)分析、有限元分析、安全狀態(tài)評估、數(shù)字化管養(yǎng)以及系統(tǒng)日志等。

3.2 橋梁傳感網(wǎng)解決方案

新建橋梁傳感網(wǎng)（安全預(yù)警及健康監(jiān)測）系統(tǒng)布置如

圖5所示。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在橋梁的控制斷面預(yù)埋光纖光柵鋼筋計與光柵光柵溫度計，各斷面?zhèn)鞲衅饕霕騻?cè)藏線盒后接入總纜，在橋端位置通過光纖光柵解調(diào)儀將信號現(xiàn)場處理，然后通過3G無線數(shù)據(jù)通信方式將橋梁狀態(tài)異常報警信息或定期統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的云計算中心[18]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作原理如圖6所示。

4 結(jié) 語

智能基礎(chǔ)設(shè)施云平臺是運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)、傳感技術(shù)與通信技術(shù)所構(gòu)建的一種新型城市基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺。它可以實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施自身各類物理信息的收集、傳輸、儲存、整理、分類、展示、分析、決策與調(diào)度等一系列功能，進(jìn)而有效解決城市基礎(chǔ)設(shè)施管理難題。傳感網(wǎng)技術(shù)將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合，改變了人類與存在環(huán)境間的交互方式，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識客觀世界的能力。

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