康佩,劉旨陽(yáng),王玨輝
(長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,湖北荊州,434000)
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)為理論基礎(chǔ),以橋梁建筑結(jié)構(gòu)為平臺(tái),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù)的綜合解決方案。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)解決方案?jìng)?cè)重于維護(hù)人員利用監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)地對(duì)橋梁的螺栓的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量,再對(duì)采樣獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,生成相關(guān)的結(jié)構(gòu)健康報(bào)告,缺少實(shí)時(shí)性,無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集的工作,運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本較高。因此,本文將軟件和硬件整合,設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為五層,分別為用戶接入、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)支撐、數(shù)據(jù)服務(wù)、平臺(tái)基礎(chǔ)。
圖1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)
用戶接入分為現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、系統(tǒng)管理、技術(shù)支持、設(shè)計(jì)人員、實(shí)施人員以及企業(yè)高管,可以通過PC桌面端、手機(jī)移動(dòng)端以及其他終端硬件設(shè)備接入系統(tǒng),系統(tǒng)為用戶提供多樣化的數(shù)據(jù)接入服務(wù),滿足用戶需求的多樣性。
應(yīng)用層分為系統(tǒng)站點(diǎn)、線上與線下的數(shù)據(jù)系統(tǒng)支撐、信息反饋。主要為用戶接入提供應(yīng)用服務(wù),定制輕量級(jí)的json格式數(shù)據(jù)接口,有效保障用戶接入的穩(wěn)定性和可靠性。
數(shù)據(jù)支撐是整個(gè)系統(tǒng)的核心,主要分為以下子系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)支撐系統(tǒng)、業(yè)務(wù)工作流系統(tǒng)、通用數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析系統(tǒng)、維護(hù)管理系統(tǒng)、用戶統(tǒng)一管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)支撐主要是Data Service層,進(jìn)行有效隔離,進(jìn)一步進(jìn)行封裝和處理。業(yè)務(wù)工作流系統(tǒng)體現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人員工作與管理方式,涉及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)反饋等內(nèi)容。通用數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)是解決系統(tǒng)上行和下行數(shù)據(jù)處理的問題,例如硬件上行的數(shù)據(jù)主要是字節(jié)流,并且會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬以及實(shí)地環(huán)境因素的影響,這就導(dǎo)致需要對(duì)上行的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化處理,包括數(shù)據(jù)格式的定制,數(shù)據(jù)包的拼接等。下行數(shù)據(jù)需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)接收的操作指令進(jìn)行組裝,并在存儲(chǔ)中找到前端硬件的映射端口,及時(shí)發(fā)送處理。
數(shù)據(jù)服務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、理論模型數(shù)據(jù)、系統(tǒng)修正數(shù)據(jù)、自有以及第三方介入數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是經(jīng)過各種傳感器采集的原始數(shù)據(jù),需要進(jìn)一步進(jìn)行過濾和處理,包括數(shù)據(jù)有效性的驗(yàn)證等。理論模型數(shù)據(jù)是基于橋梁結(jié)構(gòu)模型計(jì)算和推演的理論值,是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的核心,需要將實(shí)際采集數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,才能最終得到可靠的結(jié)構(gòu)健康分析報(bào)告,有利于橋梁的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)工作。自有以及第三方數(shù)據(jù)庫(kù)能夠通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正和評(píng)估。同時(shí),也體現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享的設(shè)計(jì)思路。
系統(tǒng)的平臺(tái)基礎(chǔ)主要涉及互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)器存儲(chǔ)、Linux Server、J2EE/SQL/MYSQL等,系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與架構(gòu)不會(huì)涉及到開發(fā)版權(quán)和專利壁壘的問題,同時(shí)采用開源的系統(tǒng)和編程框架有利于項(xiàng)目后續(xù)的二次開發(fā)與版本迭代等工作。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)流涉及到用戶接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、后端服務(wù)數(shù)據(jù)交互等,依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷,用戶訪問通過WEB站點(diǎn)、手機(jī)移動(dòng)端、微信以及HTML5手機(jī)端應(yīng)用等可以自主訪問,提供良好的用戶體驗(yàn)。前端數(shù)據(jù)接入中間件采用RESTful Web Services方式,有效解決用戶訪問的接口問題,易于快速開發(fā)。數(shù)據(jù)核心分Memcached是一種高速存儲(chǔ)、以及高效讀寫的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù),系統(tǒng)中頻繁訪問的數(shù)據(jù)和內(nèi)容可以存放其中,保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。MySQL采用雙機(jī)熱備的方式,保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全,同時(shí)也可以有效擴(kuò)展,快速搭建數(shù)據(jù)庫(kù)集群。
圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流架構(gòu)設(shè)計(jì)
基于平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思路和產(chǎn)品的研發(fā)擴(kuò)展性考慮,整個(gè)后臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)體系,對(duì)平臺(tái)功能的擴(kuò)展以及成熟的商業(yè)應(yīng)用有很好的伸縮性,同時(shí)在前期平臺(tái)運(yùn)營(yíng)和開發(fā)設(shè)計(jì)過程中能夠很好的節(jié)省成本和服務(wù)器資源。
前端部署負(fù)載均衡服務(wù)器,能夠?qū)崟r(shí)調(diào)度服務(wù)器資源,有效合理分配對(duì)外數(shù)據(jù)服務(wù),打造穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路。分布式應(yīng)用服務(wù)器能夠同時(shí)部署數(shù)據(jù)應(yīng)用,加入本地的緩存數(shù)據(jù),加快數(shù)據(jù)的讀寫能力,解決實(shí)時(shí)并發(fā)訪問的瓶頸問題。
分布式緩存服務(wù)器能夠有效解決和提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢能力,進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)處理的效率,提升并發(fā)性能。
圖3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)
在平臺(tái)的存儲(chǔ)系統(tǒng),采用主從架構(gòu)方案,讀寫分離、主從備份、支持熱備、高效率的完成數(shù)據(jù)持久化過程,同時(shí)保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性和穩(wěn)定性,對(duì)平臺(tái)的運(yùn)行和維護(hù)有很好的保障。
前端通過傳感網(wǎng)采集模塊,對(duì)各類傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,例如壓片陶瓷等,再經(jīng)過串口或無(wú)線的Zigbee協(xié)議棧進(jìn)行近距離傳輸,將數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)傳輸模塊,進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,數(shù)據(jù)通過無(wú)線4G進(jìn)入Internet,采集的原始數(shù)據(jù)匯入數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器,應(yīng)用服務(wù)的架構(gòu)采用分布式的體系,即針對(duì)前端的硬件采集,同時(shí)也對(duì)用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù),系統(tǒng)的用戶可以通過電腦、平板、手機(jī)進(jìn)行有效的訪問。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器部署在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi),構(gòu)建一個(gè)存儲(chǔ)集群,滿足數(shù)據(jù)熱備、同步、可擴(kuò)展的要求。