基于網(wǎng)格的橋梁遠程結構狀態(tài)評估系統(tǒng)研究

摘 要:利用網(wǎng)格技術基于開放式架構、通用技術規(guī)范以及標準中間件技術支持等優(yōu)點，把分布的結構狀態(tài)評估資源整合為網(wǎng)格服務，并在此基礎上進行管理和調(diào)度，構建了基于網(wǎng)格的橋梁遠程狀態(tài)評估系統(tǒng)。設計了基于語義Web服務的網(wǎng)格服務模型來規(guī)范化服務的建模;結合Globus Toolkit 4(GT4)中間件，開發(fā)了網(wǎng)格服務管理模塊，支持服務注冊、搜索等功能;構建了基于agent技術的網(wǎng)格任務管理模塊，支持結構狀態(tài)評估任務的分解、分配、調(diào)度等功能。以洞庭湖大橋結構健康監(jiān)測為背景，建立了應用原型。實踐表明:系統(tǒng)能有效支持結構健康監(jiān)測的應用。

關鍵詞:橋梁; 結構健康監(jiān)測; 網(wǎng)格; 結構狀態(tài)評估

中圖分類號:U447;TP277

文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)02-0569-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.02.046

Research on remote structural-state-evaluation system for bridge based on grid

GUO Jian-wen1， YU De-jie1， ZHANG Ying2 ， ZENG Wei1

(1.State Key Laboratory of Advanced Design Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082， China; 2.PLA 94270 Army， Jinan 250117，China)

Abstract:Taking advantage of the grid technique in open framework， general criterion， and standard middleware technology and so on， this paper proposed remote structural-state-evaluation system for bridge based grid， in which the distributing resources of structural state evaluation were defined as grid services， and under the management and control to evaluate the status of bridge.It designed grid service model based semantic Web to support formal modeling of grid service. By integrating Globus Toolkit 4 (GT4) middleware， also developed grid service manage module (GSMM) to provide functions for registry， discovery and so on. Furthermore， developed grid task manage module (GTMM) based agent technique to performs structural-state-evaluation task disassembling， scheduling and so on. Taking structural health monitoring for the Dongting Lake Bridge as application background， developed a prototype system. Practice shows that the system is able to offer effective way to apply the structural health monitoring.

Key words:bridge; structural health monitoring(SHM); grid; structural state evaluation

0 引言

橋梁在服役過程中受環(huán)境、荷載、疲勞效應等多種因素的影響，不可避免地會發(fā)生功能退化和結構損傷，嚴重時甚至會引發(fā)重大安全事故[1]。為保障橋梁運營期間的安全性，國內(nèi)外提出了結構健康監(jiān)測[1~3](SHM)的概念，旨在通過及時獲取橋梁狀態(tài)信息，對橋梁的狀態(tài)進行評估，為橋梁的維護與管理提供依據(jù)。橋梁是結構復雜而又長期運營的實體，僅靠有限的現(xiàn)場維護人員，很難準確地進行橋梁結構狀態(tài)評估[4]。因此，用網(wǎng)絡技術構建遠程結構狀態(tài)評估系統(tǒng)，集成專業(yè)的資源來為橋梁提供損傷診斷、安全性評估、維護決策等服務，對于促進結構健康監(jiān)測的高效和高質(zhì)量的應用，有著重要的現(xiàn)實意義和可行性[4，5]。

目前，遠程結構狀態(tài)評估得到一定的研究和應用。文獻[4]將監(jiān)測、診斷、評估等系統(tǒng)相互結合，建立基于網(wǎng)絡平臺的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，但研究的重點在于監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)的集成，對于基于Internet的遠程結構狀態(tài)評估還沒有進一步探討;文獻[5]提出利用應用服務提供商的模式建立遠程狀態(tài)評估服務系統(tǒng)，但沒有進一步探討該系統(tǒng)的實現(xiàn)方法;文獻[6]研究了基于Web的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，但也僅僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)的Internet瀏覽，還沒有重點關注于遠程結構狀態(tài)評估。

網(wǎng)格[7]是新興的分布式高性能計算和數(shù)據(jù)處理框架，用于實現(xiàn)分布的計算、軟件、信息和知識等資源的整合和共享。網(wǎng)格與面向服務架構的融合使得網(wǎng)格在跨組織的資源集成和共享中得到越來越多的應用。張慶奎等人[8]利用網(wǎng)格的高性能數(shù)據(jù)管理優(yōu)勢，結合數(shù)據(jù)挖掘技術實現(xiàn)艦船的診斷與維護;曹守啟等人[9]利用網(wǎng)格開放式架構、通用技術規(guī)范等優(yōu)點，構建了遠程診斷與維護系統(tǒng);Ren等人[10]把故障診斷算法封裝成網(wǎng)格服務，支持飛機發(fā)動機的遠程診斷與維護。以上的網(wǎng)格應用研究，為該技術在橋梁結構健康監(jiān)測領域的應用提供了良好的基礎。

本文在分析分布式結構健康監(jiān)測的構成和遠程結構狀態(tài)評估需求的基礎上，充分發(fā)揮網(wǎng)格技術的優(yōu)點，把分布的各種結構狀態(tài)評估資源封裝成不同粒度的網(wǎng)格服務，并在此基礎上進行有效管理和調(diào)度，構建了基于網(wǎng)格的遠程結構狀態(tài)評估系統(tǒng);重點探討了網(wǎng)格服務模型、服務管理模塊和任務管理模塊的設計;最后介紹了系統(tǒng)在洞庭湖大橋結構健康監(jiān)測上的應用實踐。

1 基于網(wǎng)格的遠程結構狀態(tài)評估模型

1.1 網(wǎng)格對遠程結構狀態(tài)評估的支持

近年來，隨著信息和計算機技術的發(fā)展，結構健康監(jiān)測向遠程和分布式的方向發(fā)展[4]。分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能結構如圖1所示。在分布式結構健康監(jiān)測中，除數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測之外的安全評估、維護決策等功能的實現(xiàn)都是在數(shù)據(jù)、信息、專業(yè)知識集成的基礎上對結構狀態(tài)進行分析和決策的過程。這些結構狀態(tài)進行分析的組件可以自由分布在Internet/Intranet，在中間件的支持下異地協(xié)同工作，組成遠程結構狀態(tài)評估系統(tǒng)，為橋梁結構健康監(jiān)測提供遠程的結構狀態(tài)評估服務[4，5]。

根據(jù)Internet分布、異構的特點和結構狀態(tài)評估本身的特性，構建遠程結構狀態(tài)評估系統(tǒng)需要滿足以下需求:a)分布在不同組織中的異構、自治的資源的集成和協(xié)作需要良好的技術來實現(xiàn);b)反映影響橋梁狀態(tài)的參數(shù)眾多(振動、應變等)，監(jiān)測測點眾多，而且像振動和應變這些動態(tài)數(shù)據(jù)的采集頻率高，隨著時間增加，會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，為此需要高效的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理機制來快速響應服務的需求;c)基于結構狀態(tài)評估的專業(yè)性和復雜性，其應用必須具備良好的適應性，能夠根據(jù)各種應用需求快速組合資源來提供服務。

網(wǎng)格是新興的分布式、并行計算與服務支持平臺，能夠很好地符合遠程結構狀態(tài)評估實現(xiàn)的需求:a)網(wǎng)格提供基于標準的接口和通信協(xié)議，相關的損傷診斷、可靠性評估等服務資源只要遵循服務規(guī)范，封裝成不同粒度的網(wǎng)格服務就能夠加入系統(tǒng)中，從而最大限度地實現(xiàn)資源的共享和集成;b)網(wǎng)格提供的高性能數(shù)據(jù)管理和處理框架，與遠程結構狀態(tài)評估所需的高效數(shù)據(jù)管理機制和高性能數(shù)據(jù)處理能力相符;c)網(wǎng)格能夠基于結構狀態(tài)評估的需求映射成相應資源所組成的動態(tài)虛擬組織，能較好地適應組織結構和服務資源的動態(tài)變化，滿足技術不斷發(fā)展的需求;d)網(wǎng)格提供的跨組織資源調(diào)度能力，有助于解決協(xié)作流程的跨組織運行、協(xié)作信息的跨組織共享和協(xié)作關系的跨組織生成等問題，能夠協(xié)調(diào)具有跨組織和多方參與特征的遠程結構狀態(tài)評估的應用。

1.2 網(wǎng)格對遠程結構狀態(tài)評估的支持

利用網(wǎng)格技術基于開放式架構、通用技術規(guī)范等優(yōu)點，把分布的狀態(tài)評估資源整合為網(wǎng)格服務，在網(wǎng)格中間件Globus Toolkit version 4[11](GT4)的支持下，設計了圖2所示的基于網(wǎng)格的遠程結構狀態(tài)評估模型。

a)網(wǎng)格節(jié)點層通過網(wǎng)格服務來集成分布的資源。數(shù)據(jù)網(wǎng)格節(jié)點是由結構健康監(jiān)測中的數(shù)據(jù)源(文件庫、數(shù)據(jù)庫等)改造成的數(shù)據(jù)網(wǎng)格，提供結構狀態(tài)評估所需的數(shù)據(jù)。結構狀態(tài)評估網(wǎng)格服務節(jié)點是分布在網(wǎng)絡上、能夠提供服務所需的軟硬件資源的組織。這些組織開發(fā)的各種數(shù)據(jù)處理算法、決策算法等功能組件都按照網(wǎng)格服務模型來封裝，并發(fā)布到系統(tǒng)中。

b)網(wǎng)格中間件層采用GT4作為中間件，耦合不同的網(wǎng)格節(jié)點實現(xiàn)系統(tǒng)的運行。網(wǎng)格資源分配與管理(GRAM)用于定位、分配資源等;監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)(MDS4)提供網(wǎng)格資源注冊和發(fā)現(xiàn)功能;GridFTP是高性能、安全的傳輸協(xié)議，提供結構狀態(tài)數(shù)據(jù)文件的傳輸接口，滿足遠程結構狀態(tài)評估中數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)男枨?可靠傳輸服務(RFT)對GridFTP文件傳輸控制與監(jiān)視，實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸;OGSA-DAI提供無縫的數(shù)據(jù)庫訪問接口，支持采用異構分布式數(shù)據(jù)庫的集成訪問。

c)功能層是在GT4上開發(fā)的支持遠程結構狀態(tài)評估的服務。網(wǎng)格服務管理模塊(GSMM)提供服務的注冊、查找等功能;網(wǎng)格任務管理模塊(GTMM)提供任務的運行、調(diào)度等功能。

d)應用層將不同應用功能的組件邏輯組成各種損傷診斷、狀態(tài)評估的功能應用，滿足各種層次的應用需求。

2 主要功能模塊的設計

2.1 網(wǎng)格服務模型

結構狀態(tài)評估資源是指涉及到損傷診斷、安全性評估等過程中的資源總稱，包括物化的資源(計算、存儲設備等)和具有求解問題能力的資源(算法庫、軟件等)。為了支持網(wǎng)格環(huán)境下資源的集成，客觀上要求建立系統(tǒng)范圍內(nèi)的網(wǎng)格服務模型。網(wǎng)格服務模型需具備如下特點:基于標準的建模語言來規(guī)范化服務的描述和通信;具備語義的服務描述，支持服務的自動發(fā)現(xiàn);除了功能外，還需要描述服務的質(zhì)量信息，支持服務的優(yōu)化選擇。

根據(jù)以上需求，將網(wǎng)格服務形式化定義如下:

BSEGS={ServiceInformation， ServiceFunction， ServiceQoS， ServiceAcess， ServiceState}

ServiceInformation描述服務的基本信息，可表示為三元組{ServiceName， ServiceDescription， ServiceProvider}。其中:ServiceName為服務名稱;ServiceDescription為簡要描述;ServiceProvider為服務提供者的黃頁信息。

ServiceFunction描述服務功能信息，可表示為六元組{Category， DomainFunction， Input， Output， Precondition， Effects}。其中:Category描述了服務分類;DomainFunction描述結構狀態(tài)評估功能特征集合，如服務能夠解決的問題、采用的方法等;Input表示調(diào)用服務所需的輸入?yún)?shù)集，如有限元模型、振動時域數(shù)據(jù)等;Output為調(diào)用服務后輸出的參數(shù)集，如評估報告等;Precondition為使用服務的前提條件集，如服務付費等;Effects為服務調(diào)用后所產(chǎn)生的影響。

ServiceQoS描述服務質(zhì)量信息，用于支持服務的優(yōu)化調(diào)度，可分為性能類、信任類和領域類。其中，性能類包括響應的時間、成本等，信任類包括可靠度、信譽度等，領域類描述與領域相關的服務質(zhì)量屬性。ServiceQoS具體可描述為{T， Q， C， S， R， DQ}。其中:T代表服務響應時間;C為服務成本;Q為服務質(zhì)量;R為服務信譽度;DQ代表與特定領域相關的服務質(zhì)量集合，如診斷的可靠性等。

ServiceAcess描述服務訪問的相關信息，包括消息格式、訪問協(xié)議、 傳輸方式、服務調(diào)用地址等。

ServiceState描述服務當前的狀態(tài)信息，采用可用或不可用來表示。

上述形式化定義規(guī)范了服務模型的描述，然而要使計算機能夠識別和處理服務，就必須采用基于標準的服務語義語言來對服務建模。OWL-S[12]是基于語義Web服務標準的Web服務本體語言，它利用OWL構建了一個上層本體，對Web 服務的功能、訪問方式等進行基于語義的、準確的描述。OWL-S是通用的本體，不能直接用于網(wǎng)格服務的表示，為此，設計了如圖3所示的基于OWL-S 的網(wǎng)格服務模型來支持服務的語義建模。

基于OWL-S 的網(wǎng)格服務模型主要由繼承了OWL-S中相應本體類的BSEGS、ServiceProcess、ServiceAccess和GSProfile類組成。BSEGS是模型的頂層類，表示網(wǎng)格服務對象;ServiceAcess類繼承了OWL-S的ServiceGrounding類，描述指定agent調(diào)用服務的細節(jié)，與形式化定義中的ServiceAcess元素對應。ServiceProcess類繼承了OWL-S中ServiceModel類的Process子類，描述實現(xiàn)服務的內(nèi)部流程，并與ServiceAccess類配合用于服務的自動組合和執(zhí)行。GSProfile描述了網(wǎng)格服務的屬性信息。其中:ServiceInformation與形式化定義中的ServiceInformation元素對應;ServiceFunctionDocument提供服務功能語義描述的文檔，由多個FunctionElement組成，F(xiàn)unctionElement包含元素的類別與ServiceFunction中的各個元素對應。

2.2 網(wǎng)格服務管理模塊(GSMM)的設計

本文在GT4中間件的基礎上設計了如圖4 所示的GSMM以支持資源封裝、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化選擇等工作。GSMM的主要組成如下:

a)GRM是在GT4的GRAM組件的基礎上開發(fā)的。GRM處于GSMM的底層，能夠提供資源請求、遠程評估的執(zhí)行、任務管理等功能，還負責服務狀態(tài)的監(jiān)控，并把狀態(tài)消息發(fā)送給GIS。

b)GIS是在GT4的MDS4組件的基礎上開發(fā)的，提供統(tǒng)一的手段來管理服務的信息，支持服務的發(fā)布和搜索，GRM 與RM之間通過Globus Tookit 4中的API 進行通信。

c)SSP支持任務所需的功能信息與網(wǎng)格服務功能信息ServiceFunction的語義匹配[13]，能夠返回在一定相似度閾值內(nèi)匹配的服務。

d)SQE用于為網(wǎng)格中服務資源的優(yōu)化選擇。當有多個服務滿足任務功能需求時，需要根據(jù)服務的QoS信息來選擇最優(yōu)的服務。SQE采用在前期研究中提出的基于多目標優(yōu)化的橋梁狀態(tài)評估網(wǎng)格資源選擇算法[14]來實現(xiàn)。

GSMM的運作流程包括服務發(fā)布和服務搜索兩部分。在服務發(fā)布中，服務提供者根據(jù)網(wǎng)格服務模型把服務封裝和注冊到GIS中(步驟Ⅰ、Ⅱ)，而GRM對已注冊服務的狀態(tài)進行監(jiān)控，并把狀態(tài)發(fā)送給GIS(步驟Ⅲ、Ⅳ)。在服務搜索中，服務需求者提交服務請求給GRM，再由GIS 把服務需求的功能信息提交給SSP，SSP與網(wǎng)格服務本體庫中的服務描述進行匹配，返回能滿足功能需求的服務(步驟①、⑤);當多個服務滿足功能需求時，GIS 把具體服務的QoS信息提交給SQE，經(jīng)SQE的評估后，將評估結果返回給GIS，GIS 最后將結果返回給GRAM和用戶(步驟⑥～⑨)。

2.3 網(wǎng)格任務管理模塊(GTMM)的設計

結構狀態(tài)評估任務需要網(wǎng)格服務之間的相互協(xié)作來完成，然而結構狀態(tài)評估的復雜性和專業(yè)性，以及網(wǎng)格的動態(tài)性等因素都為任務的高效執(zhí)行帶來困難。Agent是分布式人工智能領域中的技術，其本質(zhì)上是使用一個或多個實體，依靠其自身的能力，采用各種可能的方法和技術來完成任務。本文結合agent 技術，設計了如圖5所示的GTMM，將具有不同目標的多個agent協(xié)同應用，保證服務的順利執(zhí)行。

a)任務分解agent 負責任務分解、流程生成。用戶agent將任務和具體要求提交給任務分解agent，任務分解agent在知識庫的幫助下分析任務情況，根據(jù)任務流程庫中的流程文件，將任務分解成多個邏輯關聯(lián)的子任務，形成任務流。

b)任務分配agent 的功能是為任務流程中的各個子任務與配置網(wǎng)格服務資源。其實現(xiàn)過程是針對工作流中子任務的功能需求與資源agent進行協(xié)商，通過資源agent在GSMM中搜索服務，確定完成子任務的具體網(wǎng)格服務，實現(xiàn)任務的分配。如果某個子任務沒有發(fā)現(xiàn)合適的服務，此選擇操作失敗，任務分配agent將通知用戶agent并中止流程;如果只有一個服務滿足要求，或在一個可接受的范圍內(nèi)與之相匹配，則此子任務的資源分配成功;如果有多個服務滿足要求，則需要與服務優(yōu)選評估agent交互，通過服務的QoS信息進一步選擇最優(yōu)的服務。當資源管理agent監(jiān)測到資源出現(xiàn)問題時，任務分配agent則需要進行該子任務資源的重新分配，找到合適的替代資源。

c)任務調(diào)度agent 是負責調(diào)度和執(zhí)行網(wǎng)格服務來完成任務。經(jīng)過任務分配agent的服務資源分配后，所需的網(wǎng)格服務臨時組成虛擬組織;任務調(diào)度agent根據(jù)任務流程，負責虛擬組織的服務之間相互調(diào)用和協(xié)調(diào)，同時監(jiān)視任務執(zhí)行的情況，任務完成時將結果返回給用戶agent。面對復雜的任務調(diào)度情況時(如多個并行任務)，任務調(diào)度agent根據(jù)任務優(yōu)先級、服務的負載情況等相關信息，結合知識庫，采用合適的優(yōu)化調(diào)度算法來控制任務的執(zhí)行。

d)服務優(yōu)選評估agent是在多個服務滿足任務功能需求時，根據(jù)預先定義或者用戶agent輸入的多目標評估參數(shù)，調(diào)用GSMM中的SQE對候選服務的QoS進行評估，為任務分配最優(yōu)的資源。

e)服務管理agent 負責管理分布的網(wǎng)格服務，其主要功能包括:(a)與GSMM通信，為任務分配agent選擇合適的網(wǎng)格資源;(b)維持任務分配agent所生成的網(wǎng)格服務虛擬組織的相關信息，而且與GSMM通信，實時監(jiān)控網(wǎng)格服務的狀態(tài);(c)為任務調(diào)度agent提供執(zhí)行任務所需的信息，必要時向任務調(diào)度agent報告網(wǎng)格服務的狀態(tài)。

f)協(xié)調(diào)通信agent的功能是實現(xiàn)各個agent的生成、相互通信、協(xié)作控制等工作。

3 工程應用

洞庭湖大橋所處洞庭湖區(qū)自然條件特殊，常年的風雨和洪水侵襲使大橋結構安全經(jīng)受嚴峻的考驗。為了把握洞庭湖大橋的服役狀態(tài)，確保大橋安全，本文為其構建了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如圖6所示。結構狀態(tài)在線監(jiān)測子系統(tǒng)[3]能夠?qū)崿F(xiàn)在線的采集和簡單預警，根據(jù)本文的研究所設計的遠程結構狀態(tài)評估子系統(tǒng)則支持橋梁診斷、評估等工作。

遠程結構狀態(tài)評估網(wǎng)格服務如圖7所示，說明如下:a)數(shù)據(jù)采集主要負責數(shù)據(jù)獲取、存儲和簡單的評估，按一定間隔或者發(fā)生異常事件時，向遠程子系統(tǒng)申請評估服務;b)損傷診斷服務利用結構振動響應數(shù)據(jù)，調(diào)用多種結構損傷診斷網(wǎng)格服務(神經(jīng)網(wǎng)絡、小波熵等)，進行結構損傷診斷;c)如診斷結果顯示結構存在損傷，調(diào)用安全評估網(wǎng)格服務(層次分析法、模型修正等)進行評估;d)如評估結果判斷橋梁安全性降低，調(diào)用維護決策網(wǎng)格服務，當有必要時，還可以利用系統(tǒng)向異地橋梁專家尋求智力支持，協(xié)助現(xiàn)場人員的工作。

2008年初，南方發(fā)生了幾十年一遇的冰災，災害一結束，洞庭湖大橋管理單位立刻對橋梁狀態(tài)進行評估。遠程結構狀態(tài)評估子系統(tǒng)能有效地輔助此次評估工作的開展。

圖8(a)是采用改進層次分析法網(wǎng)格服務對橋梁進行整體安全性評估的應用界面，結果顯示橋梁整體結構是安全的;為了進一步詳細評估橋梁的安全性，管理單位采用遠程專家會診來評估橋梁的運行狀態(tài)，圖8(b)是專家會診的應用界面。

4 結束語

我國存在著各種類型和規(guī)模的橋梁，結構健康監(jiān)測作為有效的手段來確保橋梁服役過程中的安全，已在實際中得到應用。利用網(wǎng)格技術構建遠程結構狀態(tài)評估系統(tǒng)，集成分布的各種資源共同為結構健康監(jiān)測提供結構損傷診斷、安全性評估、維護檢測等服務，順應了橋梁結構健康監(jiān)測向網(wǎng)絡化和分布式發(fā)展的趨勢，為結構健康監(jiān)測的發(fā)展提供了新的思路和實踐經(jīng)驗。

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