橋梁結(jié)構(gòu)云監(jiān)測平臺設(shè)計與實現(xiàn)

吳巨峰+鐘繼衛(wèi)

摘 要： 我國中小橋梁量大面廣，與大型橋梁相比出現(xiàn)問題的頻次更高，但受限于成本等因素，普遍沒有安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)，其技術(shù)狀況和運營安全難以得到有效監(jiān)控。傳統(tǒng)的橋梁施工監(jiān)控也存在信息記錄效率低、傳遞整理過程丟失數(shù)據(jù)、實時性差等問題。針對以上問題，本文提出了基于云計算的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測平臺，研究了平臺的架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，介紹了平臺的實現(xiàn)。通過大量的實際工程應(yīng)用，證明平臺在橋梁施工監(jiān)控、大規(guī)模中小橋健康監(jiān)測應(yīng)用中具有廣闊前景。

關(guān)鍵詞： 云平臺； 中小橋梁； 施工監(jiān)控； 健康監(jiān)測

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）02-13-03

0 引言

近年來有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題頻發(fā)，橋梁結(jié)構(gòu)安全已經(jīng)成為大眾關(guān)注的焦點之一；許多橋梁采用了施工控制技術(shù)來保證施工期安全，一些重要的橋梁還安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)來保證運營期安全。然而這些應(yīng)用目前仍存在許多問題[1]。

一是施工監(jiān)控大多采用便攜儀表進(jìn)行人工測量和記錄，信息化程度和效率低下，信息丟失嚴(yán)重；測量數(shù)據(jù)的分析計算離線進(jìn)行，實時性差，監(jiān)控指令容易滯后；理論與實測數(shù)據(jù)的對比分析等操作低效，更深入的數(shù)據(jù)分析較困難。

二是運營期的橋梁健康監(jiān)測，由于造價和運維成本高昂，主要在大型橋梁上實施，在量大面廣、事故頻發(fā)的中小橋上反而很難推廣；監(jiān)測系統(tǒng)軟件復(fù)用性低， 研發(fā)調(diào)試周期長；監(jiān)控中心專業(yè)技術(shù)力量不足，專家支持成本高；多座橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)難以共享。

云計算是當(dāng)代信息技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，互聯(lián)網(wǎng)的計算架構(gòu)也由“服務(wù)器+客戶端”向“云服務(wù)平臺+客戶端”演變[2]?；谠朴嬎慵夹g(shù)與云服務(wù)理念，建立一個橋梁結(jié)構(gòu)云監(jiān)測平臺，可以有效解決橋梁施工監(jiān)控和健康監(jiān)測中碰到的以上幾個問題，主要有以下優(yōu)勢：

⑴ 解決了傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測統(tǒng)一管理、系統(tǒng)整合的問題，使管理者無需關(guān)心監(jiān)控中心軟硬件開發(fā)與購置、系統(tǒng)運維等成本投入和數(shù)據(jù)傳輸與處理等深層次的技術(shù)問題，即可享受專家級云端監(jiān)測服務(wù)，投資性價比高；

⑵ 云監(jiān)測終端實現(xiàn)可插拔式操作，大大減少現(xiàn)場工作量，使監(jiān)測作業(yè)方便快捷，更具靈活性；

⑶ 解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)量大、并發(fā)突變等情況難以應(yīng)變的問題，提高了系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性；

⑷ 能夠真正做到跨終端、集群式隨時隨地實時監(jiān)測，為管理者進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測和管理提供了極大便利，降低了橋梁現(xiàn)場發(fā)生事故的幾率。

1 橋梁結(jié)構(gòu)云監(jiān)測平臺架構(gòu)

本文提出的橋梁結(jié)構(gòu)云監(jiān)測平臺架構(gòu)如圖1所示，包括感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)匯聚層、應(yīng)用層和信息輸出層。

云監(jiān)測終端匯接安裝在橋梁結(jié)構(gòu)上的傳感器，將采集的數(shù)據(jù)編碼成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，再通過無線互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至云計算數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)匯聚層部署有數(shù)據(jù)整合和海量數(shù)據(jù)存儲管理工具，實現(xiàn)對各座橋梁數(shù)據(jù)的分庫存儲與管理。應(yīng)用層發(fā)布各種橋梁結(jié)構(gòu)云監(jiān)測服務(wù)模塊，模塊采用HTML5開發(fā)技術(shù)，可在PC端和各種智能終端設(shè)備上使用，用戶可以根據(jù)需要購買；同時，用戶可以在系統(tǒng)界面向云監(jiān)測終端發(fā)送指令，對終端進(jìn)行診斷，并控制現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)采集[3]。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1可插拔式操作的云監(jiān)測終端

橋梁結(jié)構(gòu)云監(jiān)測終端可以外接電壓電流信號、振弦式以及振動等各類傳感器，將采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼后，通過無線通信方式傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)行處理[4]，云監(jiān)測終端使用方法如圖2所示。終端可以安裝部署在戶外的立桿或者墻壁上，自帶電池或者由太陽能供電，這種部署方式更加符合超大規(guī)模部署的條件，便于進(jìn)行集成管理[5]。

2.2 基于松耦合分層技術(shù)的應(yīng)用層設(shè)計模型

根據(jù)云監(jiān)測應(yīng)用需求和現(xiàn)代軟件設(shè)計思想，將本系統(tǒng)中的應(yīng)用層設(shè)計為應(yīng)用服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶界面層，分層設(shè)計模型如圖3所示。每一層都抽象地定義各自的功能和對外接口，每層都可以獨立開發(fā)，層與層之間通過共享數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)以及調(diào)用中間件等進(jìn)行通信[6]。

應(yīng)用服務(wù)層通過云監(jiān)測終端直接與傳感器對接，轉(zhuǎn)發(fā)底層數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對不同傳感器的兼容；業(yè)務(wù)邏輯層采用插件式的模塊形式，由一個主監(jiān)聽程序和若干模塊插件組成，可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)處理需求、成本和性能等因素自由裁剪，增減功能；同時采用進(jìn)程間通訊技術(shù)，可以兼容不同語言開發(fā)的插件，增加了系統(tǒng)的兼容性和開發(fā)效率。

2.3 使用云計算建立橋梁監(jiān)測應(yīng)用平臺

橋梁結(jié)構(gòu)云監(jiān)測平臺采用具有集中式、高性能計算特性的云計算模式。每座橋梁無需單獨的監(jiān)控中心和運維，在云計算數(shù)據(jù)中心都分配單獨的虛擬機(jī)計算資源，監(jiān)測系統(tǒng)相互獨立，即使其中某橋梁監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生故障也不會影響其他監(jiān)測系統(tǒng)的運行。隨著橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算等要求的增加，云計算可以提供快速的計算資源動態(tài)擴(kuò)展，包括存儲空間和計算能力等。通過虛擬機(jī)鏡像，提供了方便快捷的服務(wù)、應(yīng)用和數(shù)據(jù)的備份還原解決方案；同時利用云計算構(gòu)建統(tǒng)一的運維架構(gòu)，便于對大規(guī)模中小橋進(jìn)行集成式管理[8]。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與工程應(yīng)用

系統(tǒng)采用VMware構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測云計算基礎(chǔ)架構(gòu)，采用云監(jiān)測終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸，在數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)橋梁監(jiān)測的接入和后臺管理，在PC端、智能設(shè)備端提供人機(jī)交互界面。系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能。

⑴ 橋梁監(jiān)測的接入：云監(jiān)測終端接入橋梁監(jiān)測現(xiàn)場的傳感器，運行在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的解算和存儲管理，可以進(jìn)行監(jiān)測站配置、監(jiān)測點配置、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時查看等功能。

⑵ 云監(jiān)測終端設(shè)備監(jiān)控管理：通過監(jiān)聽終端設(shè)備是否在線、發(fā)送診斷指令的方式，可以診斷終端設(shè)備狀態(tài)；同時可以遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令，修改數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)、傳感器采樣頻率、數(shù)據(jù)歸零等功能。

⑶ 橋梁監(jiān)測服務(wù)：通過Web平臺和APP應(yīng)用的方式提供橋梁監(jiān)測云服務(wù)，針對用戶實際需求開放不同的模塊。主要的模塊包括：GIS地圖集成管理、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)查看和下載、數(shù)據(jù)分析報告、監(jiān)測預(yù)警、終端設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控。

目前平臺已在平潭海峽大橋施工區(qū)域監(jiān)測、武漢楊泗港大橋沉井監(jiān)測、福州金山大橋施工監(jiān)控、福州瑯岐匝道橋長期監(jiān)測、云南大瑞鐵路瀾滄江特大橋施工監(jiān)控等項目中得到應(yīng)用。實際應(yīng)用證明，采用監(jiān)測云服務(wù)平臺，極大簡化了監(jiān)測現(xiàn)場的工作，能夠快速穩(wěn)定獲取監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提高工作效率，降低監(jiān)測成本。

4 結(jié)束語

本文針對橋梁施工監(jiān)控和健康監(jiān)測存在的問題和不足，對橋梁監(jiān)測云服務(wù)平臺進(jìn)行了研究與實現(xiàn)。經(jīng)過廣泛實踐應(yīng)用證明，橋梁監(jiān)測云服務(wù)平臺與現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)相比，投入成本、部署效率和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性等方面具有明顯優(yōu)勢，十分適合在橋梁施工監(jiān)控、大規(guī)模中小橋監(jiān)測中推廣應(yīng)用。

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