橋梁結構云監測平臺設計與實現

吳巨峰+鐘繼衛

摘 要： 我國中小橋梁量大面廣，與大型橋梁相比出現問題的頻次更高，但受限于成本等因素，普遍沒有安裝健康監測系統，其技術狀況和運營安全難以得到有效監控。傳統的橋梁施工監控也存在信息記錄效率低、傳遞整理過程丟失數據、實時性差等問題。針對以上問題，本文提出了基于云計算的橋梁結構監測平臺，研究了平臺的架構和關鍵技術，介紹了平臺的實現。通過大量的實際工程應用，證明平臺在橋梁施工監控、大規模中小橋健康監測應用中具有廣闊前景。

關鍵詞： 云平臺； 中小橋梁； 施工監控； 健康監測

中圖分類號：TP399 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）02-13-03

0 引言

近年來有關橋梁結構的安全問題頻發，橋梁結構安全已經成為大眾關注的焦點之一；許多橋梁采用了施工控制技術來保證施工期安全，一些重要的橋梁還安裝了健康監測系統來保證運營期安全。然而這些應用目前仍存在許多問題[1]。

一是施工監控大多采用便攜儀表進行人工測量和記錄，信息化程度和效率低下，信息丟失嚴重；測量數據的分析計算離線進行，實時性差，監控指令容易滯后；理論與實測數據的對比分析等操作低效，更深入的數據分析較困難。

二是運營期的橋梁健康監測，由于造價和運維成本高昂，主要在大型橋梁上實施，在量大面廣、事故頻發的中小橋上反而很難推廣；監測系統軟件復用性低， 研發調試周期長；監控中心專業技術力量不足，專家支持成本高；多座橋梁的監測數據難以共享。

云計算是當代信息技術發展的主要趨勢，互聯網的計算架構也由“服務器+客戶端”向“云服務平臺+客戶端”演變[2]。基于云計算技術與云服務理念，建立一個橋梁結構云監測平臺，可以有效解決橋梁施工監控和健康監測中碰到的以上幾個問題，主要有以下優勢：

⑴ 解決了傳統橋梁結構監測統一管理、系統整合的問題，使管理者無需關心監控中心軟硬件開發與購置、系統運維等成本投入和數據傳輸與處理等深層次的技術問題，即可享受專家級云端監測服務，投資性價比高；

⑵ 云監測終端實現可插拔式操作，大大減少現場工作量，使監測作業方便快捷，更具靈活性；

⑶ 解決了傳統系統中對數據量大、并發突變等情況難以應變的問題，提高了系統的運行效率和穩定性；

⑷ 能夠真正做到跨終端、集群式隨時隨地實時監測，為管理者進行現場監測和管理提供了極大便利，降低了橋梁現場發生事故的幾率。

1 橋梁結構云監測平臺架構

本文提出的橋梁結構云監測平臺架構如圖1所示，包括感知控制層、網絡傳輸層、數據匯聚層、應用層和信息輸出層。

云監測終端匯接安裝在橋梁結構上的傳感器，將采集的數據編碼成統一的數據格式，再通過無線互聯網發送至云計算數據中心。數據匯聚層部署有數據整合和海量數據存儲管理工具，實現對各座橋梁數據的分庫存儲與管理。應用層發布各種橋梁結構云監測服務模塊，模塊采用HTML5開發技術，可在PC端和各種智能終端設備上使用，用戶可以根據需要購買；同時，用戶可以在系統界面向云監測終端發送指令，對終端進行診斷，并控制現場傳感器的數據采集[3]。

2 關鍵技術研究

2.1可插拔式操作的云監測終端

橋梁結構云監測終端可以外接電壓電流信號、振弦式以及振動等各類傳感器，將采集數據統一編碼后，通過無線通信方式傳輸到云平臺進行處理[4]，云監測終端使用方法如圖2所示。終端可以安裝部署在戶外的立桿或者墻壁上，自帶電池或者由太陽能供電，這種部署方式更加符合超大規模部署的條件，便于進行集成管理[5]。

2.2 基于松耦合分層技術的應用層設計模型

根據云監測應用需求和現代軟件設計思想，將本系統中的應用層設計為應用服務層、業務邏輯層和用戶界面層，分層設計模型如圖3所示。每一層都抽象地定義各自的功能和對外接口，每層都可以獨立開發，層與層之間通過共享數據庫數據以及調用中間件等進行通信[6]。

應用服務層通過云監測終端直接與傳感器對接，轉發底層數據，實現對不同傳感器的兼容；業務邏輯層采用插件式的模塊形式，由一個主監聽程序和若干模塊插件組成，可以根據不同的數據處理需求、成本和性能等因素自由裁剪，增減功能；同時采用進程間通訊技術，可以兼容不同語言開發的插件，增加了系統的兼容性和開發效率。

2.3 使用云計算建立橋梁監測應用平臺

橋梁結構云監測平臺采用具有集中式、高性能計算特性的云計算模式。每座橋梁無需單獨的監控中心和運維，在云計算數據中心都分配單獨的虛擬機計算資源，監測系統相互獨立，即使其中某橋梁監測系統發生故障也不會影響其他監測系統的運行。隨著橋梁監測數據和計算等要求的增加，云計算可以提供快速的計算資源動態擴展，包括存儲空間和計算能力等。通過虛擬機鏡像，提供了方便快捷的服務、應用和數據的備份還原解決方案；同時利用云計算構建統一的運維架構，便于對大規模中小橋進行集成式管理[8]。

3 系統實現與工程應用

系統采用VMware構建橋梁結構監測云計算基礎架構，采用云監測終端進行數據采集與傳輸，在數據中心實現橋梁監測的接入和后臺管理，在PC端、智能設備端提供人機交互界面。系統主要實現以下功能。

⑴ 橋梁監測的接入：云監測終端接入橋梁監測現場的傳感器，運行在服務器端的數據采集軟件實現對傳感器數據的解算和存儲管理，可以進行監測站配置、監測點配置、監測數據實時查看等功能。

⑵ 云監測終端設備監控管理：通過監聽終端設備是否在線、發送診斷指令的方式，可以診斷終端設備狀態；同時可以遠程發送控制指令，修改數據傳輸參數、傳感器采樣頻率、數據歸零等功能。

⑶ 橋梁監測服務：通過Web平臺和APP應用的方式提供橋梁監測云服務，針對用戶實際需求開放不同的模塊。主要的模塊包括：GIS地圖集成管理、實時監測數據查看、歷史數據查看和下載、數據分析報告、監測預警、終端設備遠程監控。

目前平臺已在平潭海峽大橋施工區域監測、武漢楊泗港大橋沉井監測、福州金山大橋施工監控、福州瑯岐匝道橋長期監測、云南大瑞鐵路瀾滄江特大橋施工監控等項目中得到應用。實際應用證明，采用監測云服務平臺，極大簡化了監測現場的工作，能夠快速穩定獲取監控現場數據，提高工作效率，降低監測成本。

4 結束語

本文針對橋梁施工監控和健康監測存在的問題和不足，對橋梁監測云服務平臺進行了研究與實現。經過廣泛實踐應用證明，橋梁監測云服務平臺與現有的橋梁監測系統相比，投入成本、部署效率和系統運行穩定性等方面具有明顯優勢，十分適合在橋梁施工監控、大規模中小橋監測中推廣應用。

參考文獻（References）：

[1] 李博，施發弘，宋順兵，鄭曉未，陳林杰.基于云計算的橋梁檢

測新技術研究[J].預應力技術，2012.6（95）：36-37

[2] 孟利波，唐光武.基于云平臺的中小橋梁監測系統架構方案

研究[J].公路交通技術，2013.4：106-109

[3] 韓瑞聰.基于智能移動終端的土木結構集群云監測探索研究[D].

大連理工大學，2014.

[4] MIZUNUMA M，KATOH T，HATA S.Applying IT to farm

fields：a wire-less LAN[J].NTT Technical Review，2003.1（2）：56-60

[5] 曹騮，吳修文.基于大數據平臺的PM2.5監測預警系統研究[J].

互聯網天地，2015.4：74-79

[6] 劉洋.基于物聯網與云計算服務的農業溫室智能化平臺研究

與應用[J].計算機應用研究，2013.11（30）：3331-3335

[7] 張亞運，錢國明.基于云平臺的橋梁健康監測系統在工程中

的應用[J].計算機工程應用技術，2015.10（30）：206-208

[8] Arjun Kumar， Byung Gook Lee， HoonJae Lee.Secure

Storage and Access of Data in Cloud Computing[J]. 2012 IEEE，2012：336-337