城軌工程安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究及應用

張文國 高修強 彭達

摘 要：城市軌道工程在建設中，工序繁多，環(huán)境復雜，人員素質不一，有效管理好安全是非常重要的工作之一，為此引入了眾多的智能硬件來實時動態(tài)監(jiān)測施工情況。但這些硬件的生產(chǎn)廠商、版本及數(shù)據(jù)結構不一，導致采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時性、完整性及正確性無法有效保證，進而影響后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)預警分析等工作，因此有必要建立可靈活配置接入各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的工程安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)集成質量，提升城軌工程安全管理效率。

關鍵詞：軌道交通;工程安全;監(jiān)測;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：U239.5;U215.8 文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，城市軌道交通工程作為新基建之一被大面積建設。在城軌工程施工中，環(huán)境多樣復雜且人員素質不一，為安全管理工作帶來很大挑戰(zhàn)。為了提高安全管理效率，更好地保證生產(chǎn)安全，城軌工程建設中已引入了大量的傳感器、攝像頭等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控量測設備和系統(tǒng)，從多維度、自動化的角度監(jiān)測施工全過程。但這些硬件設備及系統(tǒng)通常來自于不同的廠家和版本，導致數(shù)據(jù)層面沒有統(tǒng)一的結構，只能局限于對單一的監(jiān)測值預報警。城軌工程是一個多任務，多工序的復雜工程，監(jiān)測數(shù)據(jù)相互交織，相互影響，為了更加準確地對風險進行預警和隱患進行治理，需要建立一套能夠靈活配置接入各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的工程安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)集成質量，為風險隱患分析提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 面臨的問題

1.1 網(wǎng)絡不確定性

安全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析，從而實現(xiàn)自動輔助安全決策。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)特點是體積小、發(fā)送頻率高、實時性強，因而對網(wǎng)絡依賴性高。但當前城軌工程大部分工作于地下，有線網(wǎng)絡接入率低，無線信號穿透力差。如何減少由網(wǎng)絡不確定性帶來的影響是面臨的主要問題之一。

1.2 數(shù)據(jù)結構統(tǒng)不統(tǒng)一

在城軌工程中，接入的傳感器繁而雜，具有很高的自治性。不同的硬件廠商，不同的版本所傳輸出的數(shù)據(jù)結構不一致。如何解決底層數(shù)據(jù)的不一致，在存儲層達到數(shù)據(jù)的一致性，是建立城軌工程安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要解決的問題之一。

1.3 采集端可擴展性差

在城軌建設中，不論是傳感器、還是網(wǎng)絡結構一切都是伴隨工程的推進實時變化的，因而在系統(tǒng)設計之初就需要考慮數(shù)據(jù)采集端的可擴展性。良好的擴展性，不僅可以保證系統(tǒng)具備更持久的生命力，也可以減少應用人員的工作量。但是因為部署環(huán)境和數(shù)據(jù)結構的不確定性，為擴展性帶來了較大挑戰(zhàn)。采集端每次出現(xiàn)問題或者升級時都需要到現(xiàn)場部署，這不利于系統(tǒng)實時修復和升級，也提高了運維成本。

2 系統(tǒng)方案設計

城軌工程安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體架構使用端、邊、云三級架構，采用云邊一體化部署方案。該方案的提出是為了解決上文提到的三個問題，從而達到增強系統(tǒng)的可用性、擴展性的目的。增強系統(tǒng)遠程的調(diào)控和部署能力，減少后期系統(tǒng)維護工作量，降低系統(tǒng)整體運營成本。系統(tǒng)整體架構如圖1所示。

2.1 端

端，原始數(shù)據(jù)的來源地，主要數(shù)據(jù)分為兩類，一類是傳感器數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)是直接對接硬件本身，可以通過對外提供的硬件接口獲取到數(shù)據(jù)，另一類是儀器數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)無法直接從硬件處獲取到，只能通過硬件廠家系統(tǒng)獲取。端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的特點是雜而全、頻率高、數(shù)據(jù)量大，一般流轉于局域網(wǎng)中，無安全認證，不利用流轉于互聯(lián)網(wǎng)之上，一般需要通過一層數(shù)據(jù)梳理后才可以接入業(yè)務系統(tǒng)中。

2.2 邊

邊是端數(shù)據(jù)的匯聚地，通常和網(wǎng)關部署在一起。本方案設計中，所有端設備和外網(wǎng)的數(shù)據(jù)流轉都必須通過邊設備實現(xiàn)，這樣的設計可以很好的解決網(wǎng)絡不確定性，邊和端的連接只需要保證在局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡互通，和互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸均交由邊緣設備管理。邊緣設備使用光纖和外部連接保證網(wǎng)絡穩(wěn)定。

本方案的邊設備除了保證數(shù)據(jù)交換外，內(nèi)置多個應用程序，實現(xiàn)接口認證，數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)處理和邊緣計算等功能。接口認證校驗和數(shù)據(jù)加密，保證了數(shù)據(jù)的請求和傳輸?shù)陌踩?。?shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)處理，減小了數(shù)據(jù)的傳輸體積和網(wǎng)絡帶寬，經(jīng)過梳理的數(shù)據(jù)結構性更符合定制的數(shù)據(jù)標準，方便二次開發(fā)。邊緣計算，將視頻、音頻等這類數(shù)據(jù)量大、計算密集的文件在邊緣完成計算，只將結果上傳，分散了云平臺的計算壓力，減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，有效的降低了系統(tǒng)的時延。

每個邊緣計算都是一個輕量級的服務器，內(nèi)置Docker 軟件，方便后續(xù)使用Kubernetes集成，實現(xiàn)云邊一體化部署。

2.3 云平臺

云平臺是整個物聯(lián)網(wǎng)的核心，負責對邊上傳的數(shù)據(jù)收集、流轉、存儲和分析。在該系統(tǒng)云平臺的設計中，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關和消息中間件集成在一起。網(wǎng)關負責對推送過來的數(shù)據(jù)做認證，保證數(shù)據(jù)來源的可靠?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)多、傳輸頻率快的特點，避免數(shù)據(jù)量過大導致后方系統(tǒng)來不及處理，在網(wǎng)關中加入消息中間件，推送來的數(shù)據(jù)先存入消息中間件，隱藏在后端的服務通過監(jiān)聽，獲取數(shù)據(jù)，達到數(shù)據(jù)削峰填谷的作用。

云平臺承擔著監(jiān)測數(shù)據(jù)預警告警的作用，且預警告警規(guī)則有多變的特點，為此需要開發(fā)安全評判功能，在安全評判功能中定制好安全評判規(guī)則，并將其動態(tài)地載入到規(guī)則引擎中執(zhí)行。當數(shù)據(jù)進入規(guī)則引擎后根據(jù)定制好的規(guī)則對數(shù)據(jù)進行評判，若達到告警級別，則觸發(fā)安全預警功能，預警功能根據(jù)告警等級，觸發(fā)消息系統(tǒng)，通過不同途徑發(fā)出預警和告警。

所有經(jīng)過規(guī)則引擎的數(shù)據(jù)會根據(jù)制定好的規(guī)則，自動的流轉到指定的業(yè)務系統(tǒng)，完成業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)填充和表單流轉，實現(xiàn)巡檢計劃自動派發(fā)，隱患治理單的自動生成等業(yè)務操作，并通知到具體的待辦人員。減少表單初始化數(shù)據(jù)填報工作，提高了安全監(jiān)測信息流轉效率。

為了更好的利用系統(tǒng)對城軌工程進行安全管理，開發(fā)了數(shù)據(jù)分析功能，以時間為維度，將多個端數(shù)據(jù)進行匯總分析，擬合出工程報警預警曲線，找出共性問題，從數(shù)據(jù)中挖掘治理方案。

2.4 云邊一體化部署

使用Kubernetes的分布式容器管理能力，將所有邊和云主機虛擬部署在一起，通過云平臺統(tǒng)一管理，部署和更新每個邊緣服務。通過組件的方式，實現(xiàn)對每個節(jié)點的性能監(jiān)控，并進行資源預警，保證邊的可靠性和及時響應。

2.5 數(shù)據(jù)存儲

安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的特點是數(shù)據(jù)量大、存儲頻率高、有時序性。為了提高系統(tǒng)的整體性能，在存儲端使用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具備良好的數(shù)據(jù)存儲和查詢能力，且具備很好的集群擴展能力，非常適宜該類數(shù)據(jù)的存儲。

3 總結

隨著信息技術的發(fā)展，未來會有越來越多的智能化硬件進入城市軌道交通工程領域，為安全施工提供強有力的保障。本文從目前城市軌道交通工程安全監(jiān)測的角度，探討了網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、擴展性三個方面遇到的挑戰(zhàn)，提出建立云邊一體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案。但在該系統(tǒng)實施過程中，依舊存在較多技術難題，如規(guī)則引擎的設計、如何更加智能化接入數(shù)據(jù)等，這些都亟待深入研究解決。期待未來經(jīng)過多次優(yōu)化迭代后的城軌工程安全監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠適配更多的端設備，更易配置且更高效。

參考文獻：

[1]中國建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報告（2018）：大數(shù)據(jù)應用與發(fā)展[M].中國建材工業(yè)出版社，2018.