橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計與性能評估研究

摘 要：為實時監(jiān)測橋梁運行狀況，文章根據(jù)橋梁現(xiàn)場監(jiān)測需求構建健康監(jiān)測系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)處理、分析和展示三個方面分析了系統(tǒng)需求，闡述了系統(tǒng)架構、系統(tǒng)模塊設計和系統(tǒng)工作流程。研究表明：該系統(tǒng)各頻率傳感器數(shù)據(jù)緩存耗時均較短，可在規(guī)定時間間隔內完成數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)實時性良好；在有故障的情況下耗時會有所增加，但隨測試輪數(shù)的增加有所下降，系統(tǒng)可用性良好；任務規(guī)模翻倍后任務耗時增幅較小，說明系統(tǒng)具有較好的可擴展性。

關鍵詞：橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)；需求分析；設計；性能評估；實時性；可用性

中圖分類號：U446.1

0"引言

我國公路橋梁數(shù)量已經具有較大的規(guī)模，橋梁運營管理工作任務越來越繁重。運用計算機技術建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)［1］，可實時掌握橋梁各組成部分的運行狀態(tài)，提高管理工作效率。近年來，由于橋梁結構破壞，造成了多起交通事故［2］，產生了較大的人員傷亡和財產損失。為預防橋梁安全事故，保證橋梁結構穩(wěn)定，延長橋梁使用壽命，必須實時開展橋梁健康監(jiān)測。橋梁健康監(jiān)測具有部署成本高、數(shù)據(jù)處理工作量大、技術要求高等特點［3］，需要在橋梁結構面布設多套傳感器等設備，監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，還需要綜合計算機和路橋施工等技術開展監(jiān)測。利用計算機技術構建橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，有效解決了數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、處理等方面的問題［4-5］，提高了監(jiān)測工作效率，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性。本文利用Spark分布式計算框架，根據(jù)系統(tǒng)需求建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，對在線管理系統(tǒng)設計進行詳細闡述，并通過試驗測試系統(tǒng)性能，評估確定其是否達到使用要求。

1"橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

該系統(tǒng)的需求分析主要從數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和展示三個方面進行。

（1）數(shù)據(jù)處理是利用數(shù)據(jù)挖掘技術、機器學習算法技術構建計算模型［6］，對橋梁各主要組成部分的位移、撓度和應變進行分析和預測。由于數(shù)據(jù)處理計算量巨大，因此要求系統(tǒng)具有較強的大數(shù)據(jù)離線計算能力。

（2）數(shù)據(jù)分析是利用概率統(tǒng)計學理論建立計算模型，分析橋梁運行過程中各指標的預警值，通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析確定橋梁結構的運行狀態(tài)。這就要求對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析具有實時性，因此要求系統(tǒng)具有對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時處理的能力。

（3）數(shù)據(jù)展示要求系統(tǒng)能將數(shù)據(jù)處理并實時展示出來，直觀地將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與預警值對比分析的結果展示處理，并要求具有數(shù)據(jù)交互功能。

為了系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，數(shù)據(jù)展示功能要求系統(tǒng)能夠實現(xiàn)登錄、信息展示、數(shù)據(jù)導入、離線數(shù)據(jù)分析與展示、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與展示五大功能。用戶可通過身份驗證登錄系統(tǒng)，在系統(tǒng)分配的權限范圍內查看、編輯數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)對橋梁的基本信息、圖片、數(shù)據(jù)等信息進行展示，標明傳感器的位置和收集數(shù)據(jù)文件的數(shù)量。支持離線數(shù)據(jù)導入，經大數(shù)據(jù)平臺進行處理后進行可視化展示。收集和處理實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，與預警值進行對比展示，便于分析橋梁的運行狀態(tài)。

2"橋梁健康在線管理系統(tǒng)設計

2.1"系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)主要由大數(shù)據(jù)平臺和在線管理系統(tǒng)兩部分組成，本文主要對在線管理系統(tǒng)設計進行分析?，F(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)平臺處理后，傳輸?shù)皆诰€管理系統(tǒng)，系統(tǒng)進行分析后，將結果展示給用戶。用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)確定橋梁的運行狀況。在線管理系統(tǒng)總體架構由UI層、交互層、服務層和持久層四部分組成。

2.2"系統(tǒng)模塊設計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，將橋梁健康監(jiān)測在線管理系統(tǒng)劃分為登錄、首頁展示、離線展示和在線預警四個模塊。

（1）登錄模塊的主要功能是驗證用戶身份，管理用戶。本系統(tǒng)只向管理員開放，管理員登錄系統(tǒng)首先輸入用戶名、密碼和驗證碼進行驗證，驗證碼采用圖片驗證碼。如用戶的其中一項信息錯誤，則不能正常登錄系統(tǒng)，提示登錄失敗，給出錯誤提示。

（2）首頁展示模塊的功能是對橋梁基本信息進行展示，對橋梁外觀基本信息、傳感器布置等進行展示，方便用戶查看橋梁的運行狀態(tài)。

（3）離線分析模塊的主要功能將離線數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)，通過分析后進行可視化展示。通過點擊導入按鈕可將離線數(shù)據(jù)導入大數(shù)據(jù)平臺，分析處理后通過在線管理系統(tǒng)展示出來。

（4）在線預警模塊的主要功能是當實時監(jiān)測數(shù)據(jù)接近或超過預警值時，通過可視化展示并提醒管理員及時處理橋梁結構中的安全隱患。

2.3"系統(tǒng)工作流程與實現(xiàn)

在線管理系統(tǒng)的主要工作流程為登錄→首頁展示→離線分析→在線分析→退出系統(tǒng)。用戶通過輸入登錄信息登錄系統(tǒng)，如登錄失敗給出失敗提示。登錄成功后，自動跳轉至首頁展示模塊（如圖1所示），如需進行離線數(shù)據(jù)處理，可點擊離線分析進入模塊，導入數(shù)據(jù)進行分析，在線管理系統(tǒng)總體工作流程如圖1所示。

通過點擊在線分析可查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握橋梁結構的運行狀況，對數(shù)據(jù)進行實時處理與預警，并將預警結果進行可視化展示（如圖2所示）。該界面展示橋梁位移、撓度的監(jiān)測結果，通過對比分析實時監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線與預警正常值上限和下限，確定橋梁的健康狀態(tài)。當監(jiān)測曲線位于上限和下限之間時，可認為橋梁處于運營健康狀態(tài)；當超出這個范圍值，系統(tǒng)將顯示異常，進行報警，現(xiàn)場工作人員通過查看排查異常原因，及時進行處理。如無須其他操作，可點擊退出登錄。

3"橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)性能評估

3.1"系統(tǒng)實時性評估

3.1.1"數(shù)據(jù)緩存耗時評估

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實時性評估主要包括兩個方面：緩存耗時和實時預警耗時。緩存耗時評估利用分布式緩存性能實驗進行，通過試驗模擬50座橋實時數(shù)據(jù)采集能力。數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率主要包括1 Hz、10 Hz和50 Hz三個頻段，其中1 Hz傳感器主要收集橋梁所處環(huán)境的溫度、濕度、橋梁各部位位移和撓度實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，共30個；10 Hz傳感器主要收集橋梁上部車輛行駛速度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，共5個；50 Hz傳感器主要收集橋梁各部位的應變監(jiān)測數(shù)據(jù)，共5個。每座橋梁1個傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量總和就是一座橋梁的緩存數(shù)據(jù)總量，先后執(zhí)行10次測試，得到50座橋梁的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)緩存耗時。取10輪監(jiān)測的平均值如圖3所示。

分析圖3數(shù)據(jù)可知，1 Hz、10 Hz和50 Hz傳感器數(shù)據(jù)緩存耗時平均值分別為0.008 7 s、0.005 3 s和0.004 7 s，均小于各頻率傳感器的緩存耗時要求，可進行多座橋梁的數(shù)據(jù)采集工作。1 Hz、10 Hz和50 Hz傳感器緩存耗時要求分別不超過1 s、0.1 s和0.02 s。數(shù)據(jù)緩存耗時平均值均遠低于上述要求，說明系統(tǒng)實時性良好，可在規(guī)定時間內完成橋梁數(shù)據(jù)采集工作。

3.1.2"實時預警性能評估

通過開展實時預警性能試驗，測試系統(tǒng)對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理速度，即在下一批數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)前上一批數(shù)據(jù)是否處理完成。如將數(shù)據(jù)傳輸間隔設置為5 s，則系統(tǒng)處理上一批數(shù)據(jù)的時間≤5 s即可認為滿足系統(tǒng)要求。如在5 s內沒有完成數(shù)據(jù)處理，會造成數(shù)據(jù)堆積，不能滿足系統(tǒng)實時性的要求。本文分別選擇10座橋、20座橋、50座橋三種情況開展試驗，分低頻監(jiān)測和高頻監(jiān)測兩種情況進行數(shù)據(jù)處理實時性能測試，同樣進行10輪測試，取統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均值作為測試結果（如圖4和圖5所示）。10座橋及20座橋的橋梁數(shù)據(jù)處理時間均≤5 s，50座橋梁≤10 s。

分析測試結果，發(fā)現(xiàn)低頻監(jiān)測和高頻監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)處理耗時平均值均滿足設計要求，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)堆積，系統(tǒng)實時性良好。10座橋、20座橋、50座橋低頻監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)處理平均耗時分別為3.378 s、3.831 s、5.834 s，均沒有超過設計要求的處理間隔。10座橋、20座橋、50座橋高頻監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)處理平均耗時分別為4.103 s、4.760 s、7.829 s，同樣都沒有超過設計要求的處理間隔。因此，各種情況下實時數(shù)據(jù)處理時間均滿足設計要求，說明系統(tǒng)實時性良好，可高效完成數(shù)據(jù)處理工作。

3.2"系統(tǒng)可用性評估

利用線性回歸算法，通過對橋梁實測數(shù)據(jù)進行回歸分析，對系統(tǒng)節(jié)點故障和容錯能力進行分析，評估系統(tǒng)的可用性。選擇橋梁上部的一個應變傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究對象，對全年收集的約200萬條數(shù)據(jù)利用線性回歸算法進行分析。在無節(jié)點故障和有節(jié)點故障的情況下重復進行10輪測試，并在第5輪和第8輪人為增加故障節(jié)點。所收集測試結果如圖6所示。

對比分析圖6測試結果，發(fā)現(xiàn)在存在節(jié)點故障的情況下耗時相對較長，尤其是第5輪和第8輪較明顯，而在第8輪后由于節(jié)點故障的存在使后期有故障耗時均高于無故障情況。前4輪測試有故障和無故障情況耗時相近，但前者略高；第5輪故障節(jié)點增加，有故障情況下耗時明顯增加，而后第6輪和第7輪測試基本恢復到有故障前的水平；在第8輪故障節(jié)點增加后耗時增幅明顯，而后兩輪有故障耗時均明顯高于無故障情況，說明隨節(jié)點數(shù)量的增加耗時也隨之增加，但較第8輪測試耗時明顯下降。因此，在出現(xiàn)節(jié)點故障時耗時會增加，且節(jié)點故障數(shù)量越多耗時增加越明顯，但隨測試數(shù)量的增加耗時有所下降，說明系統(tǒng)具有一定的調節(jié)能力和容錯能力，可用性較好。

3.3"可擴展性評估

為評估系統(tǒng)的可擴展性，采用Word Count測試對系統(tǒng)執(zhí)行Map和Reduce任務的耗時進行測試。在任務規(guī)模為5 GB和10 GB兩種情況下進行10輪測試，測試結果如圖7所示。

分析圖7測試結果，發(fā)現(xiàn)隨任務規(guī)模的增加耗時也隨之增加，但總體增幅不明顯。當任務規(guī)模為5 GB時，任務耗時平均值為62.5 s，當任務規(guī)模增加到10 GB時，任務耗時平均值增加到82 s，僅增加了19.5 s，增幅不大。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)隨任務規(guī)模翻倍的情況下，任務耗時增幅較小，說明系統(tǒng)具有良好的可擴展性，在未來數(shù)據(jù)激增的情況下系統(tǒng)性能仍能滿足使用要求。

4"結語

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可對橋梁運行狀況進行實時監(jiān)測，在橋梁可能出現(xiàn)破壞時及時發(fā)出預警，以便快速響應及時處理問題，防止或降低經濟損失。本文通過分析橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的需求，對在線管理系統(tǒng)設計進行全面闡述，并開展試驗對系統(tǒng)性能進行評估，分析測試結果得出以下結論：

（1）1 Hz、10 Hz和50 Hz傳感器數(shù)據(jù)緩存耗時均較短，可以在規(guī)定時間內完成數(shù)據(jù)采集工作。在低頻監(jiān)測和高頻監(jiān)測方面，實時數(shù)據(jù)處理耗時均滿足設計要求，能夠在規(guī)定的時間間隔內完成數(shù)據(jù)處理，不會產生數(shù)據(jù)堆積。綜合說明系統(tǒng)實時性能良好。

（2）通過對比分析有無故障情況下的耗時測試結果，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)節(jié)點故障時系統(tǒng)耗時會增加，且節(jié)點數(shù)量越多耗時越多，但系統(tǒng)具有較好的調節(jié)能力，隨著測試輪數(shù)的增加耗時有所下降，說明系統(tǒng)具有較好的可用性。

（3）通過分析Word Count測試結果，發(fā)現(xiàn)任務規(guī)模從5 GB增加到10 GB時，任務耗時平均值從62.5 s增加到82 s，僅增加了19.5 s，增幅較小，說明系統(tǒng)具有良好的可擴展性，在數(shù)據(jù)量激增的情況下仍具有較好的適用性。

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