重慶市工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺的建設與應用

俞春，李超，滕德貴

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶市智能感知大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 401121)

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重慶市工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺的建設與應用

俞春1*，李超1，2，滕德貴1，2

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶市智能感知大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 401121)

結合物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術與重慶市大型建筑工程安全監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了搭建重慶市工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺的總體思路，探討了分布式數(shù)據(jù)采集、云環(huán)境部署、跨平臺開發(fā)等平臺構建的關鍵技術，運用開源框架Coolite以及Web+消息中間件+Sqlserver的綜合數(shù)據(jù)交互技術，建成了一套城市大型建構筑物工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)應用服務平臺。關鍵詞：云計算；物聯(lián)網(wǎng)；分布式數(shù)據(jù)采集；工程安全監(jiān)測；大型建構筑物

1 引 言

重慶自1997年成立直轄市以來，城市大型建構筑物工程建設迅猛發(fā)展，體量不斷增長。在給社會大眾提供便利的同時，部分基礎設施的安全健康問題也表現(xiàn)得日益突出。近年來，由于基礎設施的損壞、故障事件帶來的公共安全事故增多，經(jīng)濟財產(chǎn)損失總量驚人。如電梯運營故障、橋梁垮塌、小石壩高架橋等事件。大型建構筑物的安全狀況直接關系到廣大人民群眾的生命安全和城市形象，政府管理部門需要及時掌握其安全狀況。傳統(tǒng)的安全監(jiān)測平臺已難以滿足相關監(jiān)測部門因項目類型各異，工程項目多，數(shù)據(jù)量大帶來的海量數(shù)據(jù)分析和管理的需求。以當前興起的物聯(lián)網(wǎng)、云計算等高新技術為契機，實現(xiàn)與自動化監(jiān)測技術的跨界結合，成為安全監(jiān)測領域令人期待的發(fā)展方向。

以此為背景，本文結合物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術的優(yōu)勢和重慶大型建構筑物安全監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀，搭建了重慶市工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺，平臺針對各類型的工程安全監(jiān)測項目，提供了多源異構數(shù)據(jù)的采集、海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的多尺度瀏覽、數(shù)據(jù)快速分析與預警預報、自動化輸出成果報告等功能，為重慶市工程安全監(jiān)測的高效管理提供了可視化的支撐平臺。

2 平臺框架

工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、供電防雷子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、項目生產(chǎn)管理子系統(tǒng)、預警預報子系統(tǒng)六部分組成，如圖1所示。

圖1 重慶市工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺框架結構

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是平臺的數(shù)據(jù)來源，需接入不同類型的測量設備，例如GNSS設備、測量機器人、應力應變傳感器、視頻監(jiān)控等傳感器，并實現(xiàn)兼容多源數(shù)據(jù)的采集融合，包括傳統(tǒng)的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)、基于移動端的半自動化采集和基于服務的自動實時采集。

供電防雷子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集服務，為設備供電的同時，提供防雷、防盜、防水、防塵等功能，保障前端的測量傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊能夠穩(wěn)定、可靠、安全的運行。

數(shù)據(jù)中心采用云平臺搭建的核心技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集服務、WEB服務、備份服務等多種不同功能服務器的虛擬化，對云環(huán)境中的數(shù)據(jù)資源和服務資源進行集中管理，能夠很好地適應海量用戶的并發(fā)訪問和負載均衡。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫服務為核心，提供數(shù)據(jù)瀏覽、處理分析、可視化交互、綜合評估等功能。

項目生產(chǎn)管理子系統(tǒng)主要提供了項目綜合管理、監(jiān)測方案定制、工作安排提醒、工作量考核等功能模塊，為項目管理人員提供高效管理的服務功能。

預警預報子系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理分析的結果，結合結構力學的相關理論模型，進行安全評估和預測，并通過短信、郵件、聲光報警等形式進行信息發(fā)布，為政府管理部門應急搶險和指揮決策提供輔助分析服務。

3 關鍵技術

搭建工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺的技術難點體現(xiàn)在以下幾個方面：能實現(xiàn)多種類型傳感器數(shù)據(jù)實時采集、多源異構數(shù)據(jù)的兼容、不同監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)統(tǒng)一，并利用云端策略實現(xiàn)終端用戶對海量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效管理和利用，為不同平臺的終端用戶提供實時、準確的應用服務。平臺技術路線如圖2所示：

圖2 平臺技術路線

3.1 分布式數(shù)據(jù)采集

在城市大型建構筑物工程安全監(jiān)測中，為實現(xiàn)對建筑體多個物理量的數(shù)據(jù)采集，通常采用多種類型的監(jiān)測傳感器。本平臺集成了平面位移、沉降、裂縫、應力應變、傾斜等多種監(jiān)測傳感器，并基于自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)多通道振弦式通用控制終端，如圖3所示，將關聯(lián)性強的多個傳感器組建為一個局域網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點，最大限度提高傳感器集成的兼容性。多個監(jiān)測節(jié)點協(xié)同工作，實現(xiàn)對建構筑體多種物理量的遠程自動化安全監(jiān)測。多傳感器節(jié)點部署模型如圖4所示：

圖3 四通道振弦式通用控制終端

圖4 分布式數(shù)據(jù)采集部署模型

節(jié)點1由GNSS設備、測量機器人、溫濕度傳感器、節(jié)點控制單元組成；節(jié)點2由三維激光掃描儀、GNSS與氣象傳感器、節(jié)點控制單元組成；節(jié)點3包含了裂縫傳感器、應力應變計、節(jié)點控制器等。其中，現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點控制器是平臺設備端的最小組成單元，實現(xiàn)用戶對監(jiān)測傳感器的遠程管理、狀態(tài)查詢。控制器支持短期數(shù)據(jù)存儲，具有設備遠程管理、參數(shù)遠程配置、監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理、遠程喚醒、預警觸發(fā)等功能，完成多種工作模式下傳感器輸出數(shù)字信號、模擬信號、開關信號等類型數(shù)據(jù)的采集。此外，為最大限度地降低數(shù)據(jù)并發(fā)量，平臺基于分布式體系組建監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對多個監(jiān)測項目設備終端的管理與數(shù)據(jù)采集，便于平臺管理層監(jiān)測數(shù)據(jù)的云端計算、分析評估等操作。

3.2 云環(huán)境部署

云環(huán)境部署主要包括基礎設施部署、服務器資源虛擬化、應用服務部署等內(nèi)容，如圖5所示：

圖5 平臺云環(huán)境部署策略

平臺基礎設施統(tǒng)一部署在機房數(shù)據(jù)中心，通過接入Internet為各管理部門和建設業(yè)主提供在線應用和數(shù)據(jù)服務。涉密數(shù)據(jù)通過防火墻實現(xiàn)物理隔離，保證數(shù)據(jù)安全。

服務器資源虛擬化采用VMWare vSphere套件實現(xiàn)。客戶端利用vSphere Client創(chuàng)建集群并添加物理主機，資源池生成后，從中創(chuàng)建一個虛擬機實例，并安裝vCenter Server以支持多主機集中管理。利用vShield Manager實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡的安全防護；利用vCloud Director實現(xiàn)多租戶管理，即將資源劃分并在邏輯上分配給不同組織，同時對組織資源進行管理和控制。

服務層部署包括管理集群和引用集群，通過虛擬化和并行計算等云端技術，可以動態(tài)地將地圖交互、數(shù)據(jù)采集、快速計算、安全評估等服務功能定位到所需要的物理平臺上，清理空閑的節(jié)點，更有效地使用硬件資源。同時建立虛擬化資源池，使硬件和數(shù)據(jù)資源得以充分利用，實現(xiàn)資源合理調(diào)度和負載均衡。

3.3 跨平臺綜合開發(fā)

本平臺的主要用戶包括政府行政管理部門、項目建設單位、第三方監(jiān)測單位和社會公眾等，涵蓋范圍廣，因此用戶終端平臺的類型多種多樣，如Windows、Linux等常見的PC設備以及IOS、安卓等智能終端設備。本平臺在軟件服務開發(fā)模式上采用ICE、Xamarin等開放式的跨平臺開發(fā)框架，能滿足不同操作系統(tǒng)的用戶隨時隨地、方便快捷的查詢、瀏覽監(jiān)測實施數(shù)據(jù)，且能遠程控制安全監(jiān)測設備，做到實時高效、精準可靠地工程安全監(jiān)測服務。

4 應用服務平臺實現(xiàn)

應用服務平臺基于B/S框架實現(xiàn)，利用開源框架Coolite，基于Ajax+Json技術實現(xiàn)，運用web+消息中間件+sqlserver的綜合數(shù)據(jù)交互技術，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時刷新和信息發(fā)布。可視化服務采用重慶市勘測院自主研發(fā)的“愛尚地圖”和“三維集景平臺”，通過webservice和富客服端等技術，為平臺的多尺度可視化提供了技術支撐，另外，平臺采用完整連貫的開源統(tǒng)計分析工具R語言，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與安全評估功能。

B/S應用服務平臺實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、展示、可視化交互、數(shù)據(jù)分析、成果報表等功能，部分功能界面如圖6～圖8所示：

圖6 隧道監(jiān)測項目二維視圖瀏覽與交互

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

圖8 涉軌監(jiān)測項目視頻實時監(jiān)控

5 結 語

本文運用物聯(lián)網(wǎng)技術自主研發(fā)多傳感器分布式數(shù)據(jù)采集器，并結合VMware虛擬化、分布式存儲和跨平臺開發(fā)等前沿技術，搭建了一套城市大型建構筑物工程安全監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺，平臺物理組成上包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、供電防雷子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、項目生產(chǎn)管理子系統(tǒng)、預警預報子系統(tǒng)等六部分組成。目前平臺在線服務項目已達100多項，項目主要涉及橋梁、邊坡、隧道以及涉軌監(jiān)測，平臺應用效果良好。但在使用過程中也發(fā)現(xiàn)一些不足，如數(shù)據(jù)采集工控機斷電重啟不穩(wěn)定、在線成果輸出效率較低等問題，平臺下一步將針對這些問題進一步優(yōu)化和完善。

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The Construction and Application of Big Data Platform on Geotechnical Safety onitoring of Chongqing

Yu Chun1，Li Chao1，2，Teng Degui1，2

(1.Chongqing Surveying Institute，Chongqing 401121，China；2.Chongqing Collaborative Innovation Center of Smart Sensing & Big Data，Chongqing 401121，China)

By integrating cases of Internet of Things Technology，Cloud Computing Technology and safety monitoring status of Chongqing large building，the dissertation puts forward the general idea of building a large data platform for Geotechnical safety monitoring of Chongqing，explores the key technologies of platform construction such as distributed data acquisition，the cloud-based environment deployment，cross-platform development and builds up a big-data application service platform based on urban infrastructure via the open source framework (Coolite) and a comprehensive data interaction technology integrated by Web，Message Oriented Middleware and Sqlserver.

cloud computing；internet of things；distributed data acquisition；geotechnical safety monitoring；large building

1672-8262(2016)05-10-05

P208.2

A

2016—06—13

俞春(1965—)，男，高級工程師，主要研究方向：工程安全監(jiān)測及信息化。

住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術計劃項目(2013-K8-17)；重慶市智能感知大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心(cstc2015yfpt_cyjsxt0037)