基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

康佩，劉旨陽，王玨輝

（長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北荊州，434000）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(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，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)測解決方案側(cè)重于維護(hù)人員利用監(jiān)測設(shè)備實(shí)地對橋梁的螺栓的狀態(tài)進(jìn)行測量，再對采樣獲得的數(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，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集的工作，運(yùn)營和維護(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)測系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(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)、平臺基礎(chǔ)。

圖1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)

用戶接入分為現(xiàn)場維護(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)測系統(tǒng)的人員工作與管理方式，涉及監(jiān)測數(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)際情況對接收的操作指令進(jìn)行組裝，并在存儲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。實(shí)時(shí)監(jiān)測數(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)營工作。自有以及第三方數(shù)據(jù)庫能夠通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行修正和評估。同時(shí)，也體現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享的設(shè)計(jì)思路。

系統(tǒng)的平臺基礎(chǔ)主要涉及互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)器存儲、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。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流涉及到用戶接入、數(shù)據(jù)存儲、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、以及高效讀寫的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，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)庫集群。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于平臺化的設(shè)計(jì)思路和產(chǎn)品的研發(fā)擴(kuò)展性考慮，整個(gè)后臺的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)體系，對平臺功能的擴(kuò)展以及成熟的商業(yè)應(yīng)用有很好的伸縮性，同時(shí)在前期平臺運(yùn)營和開發(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)

在平臺的存儲系統(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)存儲的可靠性和穩(wěn)定性，對平臺的運(yùn)行和維護(hù)有很好的保障。

1.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

前端通過傳感網(wǎng)采集模塊，對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，即針對前端的硬件采集，同時(shí)也對用戶提供數(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)存儲集群，滿足數(shù)據(jù)熱備、同步、可擴(kuò)展的要求。