G35河?xùn)|特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

符洪生 梁柱

摘 要：河?xùn)|特大橋是G35濟(jì)廣高速安徽段的一座重要橋梁，橋梁跨度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為大橋建立一個長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，對掌握橋梁的安全使用狀況，確保大橋的安全運(yùn)營和服務(wù)管養(yǎng)有非常重要的意義。本文介紹了河?xùn)|特大橋健康監(jiān)測軟件系統(tǒng)的設(shè)計過程，提出了一種基于DTU的通用數(shù)據(jù)采集程序，提升了系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：橋梁;監(jiān)測;大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)傳輸單元

1 概述

河?xùn)|特大橋位于安徽省岳西縣響腸鎮(zhèn)無愁村外畈組，距岳西收費(fèi)站11公里，全長1 010 m。橋梁起點(diǎn)樁號為K794+814 m，終點(diǎn)樁號為K795+824 m，由左右兩幅橋組成。地面標(biāo)高150.16 m～251.48 m，主橋墩高約為61 m～84 m，于2009年12月建成通車。為大橋建立一個長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，對掌握橋梁的安全使用狀況，確保大橋的安全運(yùn)營和服務(wù)管養(yǎng)有非常重要的意義。我司使用新研發(fā)的基于DTU[1]的數(shù)據(jù)采集程序和基于B/S流式大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)[2]完成了河?xùn)|特大橋健康監(jiān)測軟件系統(tǒng)的建設(shè)，建成后的健康監(jiān)測系統(tǒng)具有高實(shí)時性、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 軟件系統(tǒng)需求分析與設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[3]（如傳感器、采集儀）在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到了廣泛使用，由于不同廠家的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有不同的采集數(shù)據(jù)協(xié)議如485協(xié)議、232協(xié)議，即使相同的協(xié)議，采集命令和返回結(jié)果也不同，因此在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測軟件系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，常需要修改或重新設(shè)計采集程序，增加了成本。為解決這些問題，本系統(tǒng)采集端基于DTU通訊，構(gòu)建了設(shè)備庫和自有的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并通過基于storm的流式大數(shù)據(jù)處理程序提高了系統(tǒng)實(shí)時性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和部署在云平臺上的配置程序、采集程序、基于storm流式大數(shù)據(jù)集群處理程序和展示程序組成。采集程序通過無線網(wǎng)絡(luò)向通訊單元（DTU）發(fā)采集命令，通訊單元向采集儀轉(zhuǎn)發(fā)采集命令，并將采集儀返回的結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給采集程序，采集程序?qū)Y(jié)果處理后提交到分布式消息隊列中，基于storm的流式大數(shù)據(jù)集群處理程序從分布式消息隊列獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲到分布式緩存和數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)展示程序從分布式緩存和數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并做實(shí)時展示。本文將重點(diǎn)介紹配置程序和采集程序。

2.1 配置程序

為支持不同的設(shè)備（傳感器、采集儀和通訊單元DTU），本系統(tǒng)提出并構(gòu)建了設(shè)備庫。設(shè)備庫是用來管理不同廠家不同型號的傳感器、采集儀和通訊單元。在設(shè)備庫里創(chuàng)建這些設(shè)備時，要提供設(shè)備的基本信息和采集信息。對于采集儀主要包括類型、波特率、數(shù)據(jù)位、采集命令和返回結(jié)果等。配置程序提供了模板語言描述采集命令和采集結(jié)果。采集程序內(nèi)置了設(shè)備庫里一些設(shè)備采集過程的處理程序。

配置程序?qū)蛄航】当O(jiān)測系統(tǒng)抽象為傳感器、采集儀、通訊單元及它們間的關(guān)系，并提供了相關(guān)的配置功能。它們間的關(guān)系可理解為一個橋梁健康監(jiān)測軟件系統(tǒng)是一個項目，一個項目包括多個通訊單元，一個通訊單元包括多個采集儀，一個采集儀可以連接多個傳感器。

2.2 采集程序

采集程序部署在云平臺主機(jī)（如阿里云主機(jī)）上。采集程序啟動后，從配置程序獲取項目的配置信息如一個項目有哪些通訊單元，一個通訊單元由哪些采集儀組成。并啟動socket監(jiān)聽端口。當(dāng)接收到來自通訊單元（DTU）的連接請求后，根據(jù)配置程序返回的相關(guān)采集儀的配置信息，向DTU發(fā)送采集命令，DTU將采集到的結(jié)果返回給采集程序，采集程序?qū)?shù)據(jù)處理后，以自定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)送到分布式消息隊列中，基于storm流式大數(shù)據(jù)集群處理程序從分布式消息隊列中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

在這一過程中，為使流式處理程序具有通用性，采集程序使用自定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。自定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議里數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)包組成;數(shù)據(jù)包由包頭和數(shù)據(jù)組成。

包頭由數(shù)據(jù)傳輸方式（3個字節(jié)）、廠家編碼（3個字節(jié)）、分隔符和采集協(xié)議（3個字節(jié)）組成如DTUKLM.485。數(shù)據(jù)傳輸方式有DTU和網(wǎng)絡(luò)（NET）兩種。DTU的英文全稱是Data Transfer unit，專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備;廠家編碼用來表示不同廠家的代碼如昆侖海岸KLM;分隔符使用點(diǎn)（.）來表示;采集協(xié)議是指采集程序獲取采集儀的協(xié)議如485表示485協(xié)議。

數(shù)據(jù)包里的數(shù)據(jù)包括采集儀id、采集時刻和通道數(shù)據(jù)。采集儀id用來唯一標(biāo)識采集儀設(shè)備，由配置程序在創(chuàng)建時生成。采集時刻是自1970年1月1日到采集時經(jīng)歷的毫秒數(shù)，用time表示。數(shù)據(jù)用data表示，是各個通道上的數(shù)據(jù)，每個通道用no來表示，同一通道上多個數(shù)據(jù)使用serial來區(qū)分。val表示對應(yīng)的數(shù)據(jù)。本項目為低頻（小于1hz）采集，數(shù)據(jù)是以json字符串的形式傳輸?shù)娜纾篋TUKLM.485{"id"："5f0c17f5c7dc23836ecc557d"，"time"：1613635207031，"data"：[{"no"：1，"serial"：1，"val"："004691"}，{"no"：2，"serial"：1，"val"："005257"}]}表示id為5f0c17f5c7dc23836ecc557d的采集儀在北京時間2021年2月18日16點(diǎn)00分07秒采集到的2個通道的數(shù)據(jù)，通道1數(shù)據(jù)為4 691，通道2為5 257。

3 結(jié)論

本文介紹了河?xùn)|特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計過程，通過創(chuàng)建自有的設(shè)備庫，自定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對不同廠家物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的支持，提升了系統(tǒng)的通用性，降低了成本;使用基于storm的流式大數(shù)據(jù)處理程序，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性。當(dāng)然，本系統(tǒng)還有較大的提升空間，如對配置程序的改動必須重啟采集程序，可通過在配置程序發(fā)生更改時使用消息機(jī)制通知采集程序來解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]李秋慧，李潔，王傳敏，等.基于GPRS DTU的遠(yuǎn)程可控水質(zhì)監(jiān)測船[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（5）：94-96.

[2]梁柱.基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)的橋梁健康監(jiān)測云平臺[J].中國交通信息化，2020（6）：115-117.

[3]肖時輝，梅敏彰，唐孟雄，等.基于LoRa的城市立交橋遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].公路，2021，66（2）：87-93.