基于物聯網技術的橋梁結構健康監測系統的設計與實現

康佩，劉旨陽，王玨輝

（長江大學工程技術學院信息工程學院，湖北荊州，434000）

0 引言

橋梁結構健康監測系統是以物聯網為理論基礎，以橋梁建筑結構為平臺，綜合了計算機技術、通信技術以及控制技術的綜合解決方案。傳統的結構監測解決方案側重于維護人員利用監測設備實地對橋梁的螺栓的狀態進行測量，再對采樣獲得的數據進行分析，生成相關的結構健康報告，缺少實時性，無法進行遠程控制和數據采集的工作，運營和維護成本較高。因此，本文將軟件和硬件整合，設計了基于物聯網技術的橋梁結構健康監測系統。

1 結構健康監測系統框架設計

1.1 系統分層設計

結構健康監測系統劃分為五層，分別為用戶接入、應用層、數據支撐、數據服務、平臺基礎。

圖1 結構健康監測系統分層設計

用戶接入分為現場維護、系統管理、技術支持、設計人員、實施人員以及企業高管，可以通過PC桌面端、手機移動端以及其他終端硬件設備接入系統，系統為用戶提供多樣化的數據接入服務，滿足用戶需求的多樣性。

應用層分為系統站點、線上與線下的數據系統支撐、信息反饋。主要為用戶接入提供應用服務，定制輕量級的json格式數據接口，有效保障用戶接入的穩定性和可靠性。

數據支撐是整個系統的核心，主要分為以下子系統數據服務支撐系統、業務工作流系統、通用數據交換系統、數據存儲與分析系統、維護管理系統、用戶統一管理系統。數據支撐主要是Data Service層，進行有效隔離，進一步進行封裝和處理。業務工作流系統體現監測系統的人員工作與管理方式，涉及監測數據上報反饋等內容。通用數據交換系統是解決系統上行和下行數據處理的問題，例如硬件上行的數據主要是字節流，并且會受到網絡帶寬以及實地環境因素的影響，這就導致需要對上行的數據進行格式化處理，包括數據格式的定制，數據包的拼接等。下行數據需要根據實際情況對接收的操作指令進行組裝，并在存儲中找到前端硬件的映射端口，及時發送處理。

數據服務是實時監測數據、理論模型數據、系統修正數據、自有以及第三方介入數據庫。實時監測數據是經過各種傳感器采集的原始數據，需要進一步進行過濾和處理，包括數據有效性的驗證等。理論模型數據是基于橋梁結構模型計算和推演的理論值，是整個監測系統數據分析的核心，需要將實際采集數據和理論數據進行對比分析，才能最終得到可靠的結構健康分析報告，有利于橋梁的維護和運營工作。自有以及第三方數據庫能夠通過經驗數據對結果進行修正和評估。同時，也體現了數據共享的設計思路。

系統的平臺基礎主要涉及互聯網、服務器存儲、Linux Server、J2EE/SQL/MYSQL等，系統的基礎設計與架構不會涉及到開發版權和專利壁壘的問題，同時采用開源的系統和編程框架有利于項目后續的二次開發與版本迭代等工作。

1.2 系統數據流架構設計

系統數據流涉及到用戶接入、數據存儲、后端服務數據交互等，依據系統的設計初衷，用戶訪問通過WEB站點、手機移動端、微信以及HTML5手機端應用等可以自主訪問，提供良好的用戶體驗。前端數據接入中間件采用RESTful Web Services方式，有效解決用戶訪問的接口問題，易于快速開發。數據核心分Memcached是一種高速存儲、以及高效讀寫的內存數據庫，系統中頻繁訪問的數據和內容可以存放其中，保證數據的實時性。MySQL采用雙機熱備的方式，保證數據存儲系統的穩定和安全，同時也可以有效擴展，快速搭建數據庫集群。

圖2 系統數據流架構設計

1.3 系統總體架構設計

基于平臺化的設計思路和產品的研發擴展性考慮，整個后臺的數據服務系統采用分布式架構體系，對平臺功能的擴展以及成熟的商業應用有很好的伸縮性，同時在前期平臺運營和開發設計過程中能夠很好的節省成本和服務器資源。

前端部署負載均衡服務器，能夠實時調度服務器資源，有效合理分配對外數據服務，打造穩定可靠的數據鏈路。分布式應用服務器能夠同時部署數據應用，加入本地的緩存數據，加快數據的讀寫能力，解決實時并發訪問的瓶頸問題。

分布式緩存服務器能夠有效解決和提高系統的數據查詢能力，進一步加快數據處理的效率，提升并發性能。

圖3 結構健康監測系統總體架構設計

圖4 系統網絡架構設計

在平臺的存儲系統，采用主從架構方案，讀寫分離、主從備份、支持熱備、高效率的完成數據持久化過程，同時保障數據存儲的可靠性和穩定性，對平臺的運行和維護有很好的保障。

1.4 系統網絡架構設計

前端通過傳感網采集模塊，對各類傳感器采集的數據進行處理，例如壓片陶瓷等，再經過串口或無線的Zigbee協議棧進行近距離傳輸，將數據交給數據傳輸模塊，進行遠距離傳輸，數據通過無線4G進入Internet，采集的原始數據匯入數據應用服務器，應用服務的架構采用分布式的體系，即針對前端的硬件采集，同時也對用戶提供數據服務，系統的用戶可以通過電腦、平板、手機進行有效的訪問。數據存儲服務器部署在同一個局域網內，構建一個存儲集群，滿足數據熱備、同步、可擴展的要求。