張亞運+錢國明

摘要：近年來，隨著國家和各級政府對橋梁安全的日益重視，越來越多的橋梁安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以有效地保證橋梁的運營安全。傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般是自成一體，每一座橋梁都有單獨的一套IT硬件基礎(chǔ)設(shè)施、軟件系統(tǒng)和監(jiān)控機(jī)房，這勢必會造成基礎(chǔ)資源浪費、數(shù)據(jù)共享困難、運營難度大和管理成本高等問題。該文提出的基于云平臺的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一計算處理，大幅降低了單橋監(jiān)測成本，還具有較高的擴(kuò)展性和安全性。本系統(tǒng)成功地運用在海河大橋健康監(jiān)測項目中。

關(guān)鍵詞：橋梁健康監(jiān)測；云平臺；云存儲

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）30-0206-03

Application of Cloud Platform for Health Monitoring System in Bridge

ZHANG Ya-yun， QIAN Guo-ming

（Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003， China）

Abstract： In recent years， as the country and all levels of government's increasing emphasis on bridge safety， more and more bridges installed health monitoring systems that can effectively ensure safe operation of the bridge. Traditional bridge health monitoring systems are generally self-contained， every bridge has a separate set of IT hardware infrastructure， software systems and control room， which is bound to result in a waste of resources base， data sharing difficulties， difficult operations and management costs higher issues. In this paper， cloud-based platform bridge health monitoring system， data will be collected unified storage， unified management and unified computing， dramatically reducing the cost of monitoring a single bridge， also has high scalability and security. The system is successfully used in the Haihe River Bridge Health Monitoring project.

Key words： bridge health monitoring； cloud platform； cloud storage

1 概述

隨著全國交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的中小型橋梁相繼建成，國家和地方政府對橋梁安全性和耐久性也越來越重視，因此橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)相繼運用到這些橋梁中。雖然對于單體橋梁而言，監(jiān)測系統(tǒng)可以起到安全監(jiān)測的作用，但對于同一地區(qū)管理部門下轄多座橋梁，如仍采用“各自為營”，相互獨立的建設(shè)方式，必然會造成管理成本和管理難度的加大，此外還會造成基礎(chǔ)資源浪費等問題[1]。

本系統(tǒng)較傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的主要優(yōu)勢有：

1）開發(fā)周期大大縮短：對于傳統(tǒng)的單橋單系統(tǒng)而言，每一座橋梁都需要配置單獨的IT基礎(chǔ)設(shè)施，開發(fā)單獨的健康監(jiān)測系統(tǒng)，而基于云平臺的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)只需要在橋梁現(xiàn)場部署數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)上傳單元即可，數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和顯示單元都可以進(jìn)行復(fù)用，這樣開發(fā)周期會大幅縮短，開發(fā)效率大幅提高[2]。

2）系統(tǒng)可擴(kuò)展性提高：對于傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)開發(fā)完成，若要擴(kuò)展功能和業(yè)務(wù)，就需要針對不同系統(tǒng)采取不同方案，這樣系統(tǒng)升級和擴(kuò)展的工作量就會大幅增加?；谠破脚_的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的每個功能采用模塊化設(shè)計，根據(jù)客戶需求動態(tài)組合，系統(tǒng)可擴(kuò)展性和靈活性很高。

3）數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)擴(kuò)容方面：采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)中心的云存儲單元，在云存儲方面，安全是首要考慮的問題[3]。采用加密算法的云存儲技術(shù)較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)在安全性方面有很大的提升，此外在數(shù)據(jù)容災(zāi)和數(shù)據(jù)備份方面也做了充足的準(zhǔn)備。系統(tǒng)使用一段時間后會產(chǎn)生大量歷史數(shù)據(jù)，往往會超出設(shè)計容量，迫使用戶不得不對數(shù)據(jù)庫硬盤進(jìn)行擴(kuò)容，這需要耗費一定的成本，而基于云平臺的系統(tǒng)就不存在數(shù)據(jù)庫硬盤不足這種情況，用戶可以根據(jù)需求動態(tài)擴(kuò)容。

4）數(shù)據(jù)計算和管理方面：橋梁監(jiān)測系統(tǒng)每時每刻都會產(chǎn)生大量相關(guān)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)很少有能完全應(yīng)對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的技術(shù)力量，面對大量數(shù)據(jù)卻很難挖掘出有效信息。基于云平臺的系統(tǒng)采用Map/Reduce并行編程計算模型，可以對海量數(shù)據(jù)快速挖掘出有效信息，供用戶參考使用。

2 云計算和云存儲

2.1 云計算

云計算是分布式處理（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）和網(wǎng)格計算（Grid Computing）的發(fā)展，是將計算程序拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多臺服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)計算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶[4]。

就技術(shù)而言，云計算表達(dá)出了一種組織的思想，即組織資源以進(jìn)行服務(wù)，通過大量物理上分布的資源集中起來，以邏輯上統(tǒng)一的形式，對外提供服務(wù)，將“大事件”壓力，分解到大量計算資源中，然后針對資源的管理、調(diào)度過程中出現(xiàn)的各種問題，組織各種技術(shù)進(jìn)行解決。

2.2 云存儲

云存儲系統(tǒng)是指通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，通過應(yīng)用軟件將網(wǎng)絡(luò)中大量不同類型的存儲設(shè)備集合起來協(xié)同工作，提供對外數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)訪問功能的一個系統(tǒng)[6]。

云存儲的結(jié)構(gòu)模型由4層組成，如圖1所示：

1）存儲層：存儲層是云存儲最基礎(chǔ)的部分。存儲設(shè)備一般分布在不同地域且數(shù)量上比較龐大，彼此通過以太網(wǎng)或者FC光纖通道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

2）基礎(chǔ)管理層：基礎(chǔ)管理層是存儲層的上一層，是云存儲中最核心的部分，當(dāng)然也是最難實現(xiàn)的部分?；A(chǔ)管理層通過集群、分布式文件系統(tǒng)和網(wǎng)格計算等技術(shù)，實現(xiàn)云存儲中多個存儲設(shè)備之間的協(xié)同工作，使多個存儲設(shè)備可以對外提供同一種服務(wù)，并提供更大更強(qiáng)更好的數(shù)據(jù)訪問性能。

3）應(yīng)用接口層是云存儲中最靈活的部分。該層的主要特點是云存儲運營單位可以開發(fā)出不同的應(yīng)用服務(wù)接口以應(yīng)對不同的實際業(yè)務(wù)類型，提供不同的應(yīng)用服務(wù)。

4）訪問層：訪問層云存儲接口模型的最上層，是用戶訪問系統(tǒng)的入口，任何一個授權(quán)用戶都可以通過一套標(biāo)準(zhǔn)的公用接口來訪問云存儲系統(tǒng)，使用云存儲服務(wù)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

海河大橋主橋為獨塔斜拉橋，總體上采用塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁在橋塔處設(shè)置0號索的全漂浮體系。全長500米，具體跨徑布置為310+2×50+2×40米，主梁為混合梁結(jié)構(gòu)，梁高為3米。主跨310米大部分采用鋼梁，全部邊跨以及主跨靠近主塔20.8米長度范圍內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主塔：采用RC結(jié)構(gòu)，空心矩形截面。塔座以上全高為163.3米，橋面以上為126.9米。斜拉索：全橋共37對、合計74根斜拉索，采用空間扇形布置，索面在主塔上索距為1.5-2.5米，在主梁上主跨范圍內(nèi)的索距為16米，邊跨范圍內(nèi)為8米-10米，橋梁設(shè)計圖如圖2。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和傳輸

數(shù)據(jù)采集過程中要解決的問題是數(shù)據(jù)采集同步性問題，指的是在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中有多臺監(jiān)測設(shè)備同時運行，這時采集上來的數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)時間或相位不一致的問題，這些不一致的數(shù)據(jù)會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時產(chǎn)生混亂。采用統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)解決時間同步問題。

數(shù)據(jù)采集和傳輸框圖如圖3所示，將數(shù)據(jù)采集箱采集上來的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理、存儲和展示。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)和功能

3.3.1 設(shè)計原則

1）穩(wěn)定性：將采用成熟的操作系統(tǒng)、開發(fā)語言和開發(fā)框架保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

2）安全性：通過物理隔離、防火墻以及詳細(xì)的權(quán)限控制手段來保證；

3）可擴(kuò)展性：本方案設(shè)計將充分考慮未來可能的擴(kuò)展，采用分層設(shè)計模式保證接口和代碼。

3.3.2 云平臺架構(gòu)

為方便產(chǎn)品的可擴(kuò)展性，避免每座橋梁都重新設(shè)計和開發(fā)，擬采用數(shù)據(jù)處理中心的模式，即一個數(shù)據(jù)處理中心處理所有橋梁數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理中心以歸納的模塊化結(jié)構(gòu)處理不同類型的傳感數(shù)據(jù)，對于新增加的傳感器類型，只需要開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析模塊即可。

如圖4所示，平臺包括“數(shù)據(jù)采集中心”和“云數(shù)據(jù)處理中心”兩大主要系統(tǒng)，各橋梁采集的數(shù)據(jù)定時上報到云端進(jìn)行處理，用于各種統(tǒng)計、分析、查詢和通知等。

3.3.3系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)是一套基于B/S架構(gòu)橋梁監(jiān)測的系統(tǒng)，采用Myeclipse10開發(fā)，使用java SSH框架，其中使用Struts作為系統(tǒng)的整體基礎(chǔ)架構(gòu)，負(fù)責(zé)MVC的分離，在Struts框架的模型部分，控制業(yè)務(wù)跳轉(zhuǎn)，利用Hibernate框架對持久層提供支持，Spring做管理，管理struts和hibernate。數(shù)據(jù)庫采用Sql Server 2005數(shù)據(jù)庫，運行環(huán)境為Tomcat6.0。在部分地方采用Ajax技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步交換、Unity3D交互實現(xiàn)3D和web頁面的數(shù)據(jù)交換，同時使得橋梁架構(gòu)圖以較好的圖形效果展示，并且具有旋轉(zhuǎn)、移動、翻轉(zhuǎn)、放大和縮小的功能。

系統(tǒng)主要功能有：

1）實時監(jiān)測信息查看：監(jiān)測信息查看分為實景式和目錄式兩種模式。

實景式：在平臺頁面中可以拖動橋梁3D模型來查看各傳感器的圖形化狀態(tài)，如健康以綠色標(biāo)識、警告以黃色標(biāo)識、危險以紅色標(biāo)識等；點擊每個傳感器圖標(biāo)則進(jìn)入對該傳感器詳細(xì)查詢頁面。

目錄式：以表格的形式實時展示監(jiān)測數(shù)據(jù)，顯示結(jié)果可以導(dǎo)出并下載到本地。

2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：平臺用戶可以對橋梁健康數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和對比，包括：某時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比、某時間段內(nèi)報警數(shù)據(jù)分析、某時間段內(nèi)系統(tǒng)事件統(tǒng)計。

3）歷史數(shù)據(jù)記錄和趨勢分析功能：通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將所有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，提供多少歷史數(shù)據(jù)查詢方式；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)可以提供趨勢分析功能，給出趨勢圖供相關(guān)人員參考。

4）報警和事件功能：傳感器或橋梁在使用中出現(xiàn)問題時，報警就會發(fā)生，并對事件進(jìn)行記錄，便日后查詢。報警方式主要有：屏幕顯示報警、本地聲光報警、智能語音電話報警、Email報警和手機(jī)短信報警等。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于云平臺的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，在實際工程實踐中與傳統(tǒng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了對比，比較結(jié)果顯示基于云平臺的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)成本更低、系統(tǒng)功能更為完善、數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。由此驗證了基于云平臺的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和先進(jìn)性，應(yīng)是未來橋梁健康監(jiān)測和其他各種監(jiān)測的發(fā)展方向。

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