基于傳感網的基礎設施智能云平臺

陳曉晉　孫凱旋　胡欣宇

摘 要：隨著城市規模擴大、人口激增、交通日趨繁忙，傳統的市政基礎設施管理模式與現實需求之間的矛盾日益凸顯。市政基礎設施舊的管理模式不斷落后是擺在城市管理者面前的一個嚴峻問題。智能基礎設施是運用先進的信息技術、傳感技術與通訊技術所構建的一種新型城市基礎設施的管理云平臺。傳感網通過實時采集結構體的響應數據，將其傳輸回云計算中心，通過運用精密的數學模型對數據進行快速分析，發現數據的模式、相關性和異常值，從而對市政基礎設施的運行狀態做出準確預測。

關鍵詞：傳感網;城市基礎設施;智能云平臺;運行狀態;管理模式;數學模型

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-0-03

0 引 言

橋梁、隧道、道路、地下管線以及大型地下空間體等構成了城市基礎設施群，它們的健康營運確保了城市功能的正常運轉。市政基礎設施不僅承受著各種人流、車載、土水壓力等荷載作用，同時隨時還可能遭受到地震、臺風、洪水、人為破壞甚至恐怖襲擊的不利影響;此外，構成市政基礎設施的材料如混凝土、鋼材等自身還會隨時間產生腐蝕、老化以及疲勞等效應[1-2]。由于無法及時獲取分布在城市各處的市政基礎設施的營運狀態信息，往往導致其管養效率低下，老化損傷嚴重，對緊急事件的響應難以及時到位，并給城市的正常運轉造成不利影響甚至是嚴重

危害[3-4]。

智能基礎設施是運用先進的信息技術、傳感技術與通信技術所構建的一種新型城市基礎設施的管理模式及平臺，其主要是通過在設施結構體上布置大量傳感器來實現，因此這種方式也被稱作傳感器網絡（簡稱傳感網）技術[5-6]。它可以實現對基礎設施自身各類物理信息的收集、傳輸、儲存、整理、分類、展示、分析、決策與調度等一系列功能，進而有效解決城市基礎設施管理難題[7-8]。

1 基本工作原理

目前可以構成市政基礎設施傳感網的傳感器種類較多，根據傳感原理分類，應用較廣的主要有：電阻應變式傳感器、振弦式傳感器、光纖傳感器和微機電（MEMS）傳感器等幾類。其中電阻應變式傳感器與振弦式傳感器出現時間較早，但它們不同程度上均存在電磁干擾以及耐久性不足等缺陷，近年來正逐步為光纖傳感器等新興傳感器所取代。

1.1 光纖傳感技術

光纖傳感根據傳感原理劃分，具體共有上百種傳感方式。其中光纖光柵（FBG）傳感技術在目前市政基礎設施傳感網監測中的應用最為廣泛，下面對光纖光柵傳感技術做簡要的介紹。

光纖光柵（FBG）分布在光纖體內，可由紫外光對光纖側面進行曝光，使纖芯的折射率沿軸向呈現出周期性分布而得到。FBG傳感器分布在光纖纖芯的一小段范圍內，它的折射率沿光纖軸線發生周期性變化，纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化。FBG分布式測量原理如圖1所示[9-10]。

FBG傳感器的最大優勢是它可以實現應力與溫度的準分布式測量，也就是將具有不同柵距L的布喇格光柵間隔地制作在同一根光纖上，就可以用同一根光纖復用多個FBG傳感器，實現對待測結構定點的分布式的測量。由于該復用系統中每一個FBG傳感器的位置與lB都是確定的，分別對它們的波長移動量Dl進行檢測，就可以準確地對各FBG傳感器所在處的擾動信息進行監測。此外，通過專門的裝置封裝，還可用FBG傳感器對壓力、位移等物理量進行測量[11]。

1.2 MEMS無線傳感技術

MEMS傳感器采用了一種芯片級的嵌入式傳感技術，傳感器在微小體積內集成了信息采集、數據處理和無線射頻通信等多種功能。任意部署在監測區域內的大量微型MEMS傳感器節點，通過無線通信所組成的多跳的自組織網絡，可實現對待監測物體的協作感知、采集和信息處理[12]。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks）主要具有以下特征。

（1）分布式。網絡中沒有嚴格的控制中心，所有節點平等，節點之間通過分布式的算法來協調彼此的行為，是一個對等式網絡。

（2）自組織。網絡節點具有自組織的能力，無需人工干預和任何其他預置的網絡設施，可以在任何時刻、任何地方快速展開并自動組網，自動進行配置和管理，通過適當的網絡協議和算法自動轉發監測數據。

（3）拓撲變化。網絡中的節點具備移動能力，可以適應節點在工作和睡眠狀態間切換、傳感器節點發生故障而失效或新傳感器節點補充進來等拓撲變化。

（4）以數據為中心。無線傳感器網絡不同于傳統網絡的尋址過程，它能夠快速、有效地組織起各個節點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶[13]。

2 后端云計算

云計算的基本原理是通過使計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程服務器中，企業數據中心的運行與互聯網相似。這使得企業能夠將資源切換到需要的應用上，根據需求訪問計算機和存儲系統。云計算通過網絡提供用戶所需的計算力、存儲空間、軟件功能和信息服務等，其新穎之處在于它幾乎可以提供無限的廉價存儲和計算能力[14-15]。云計算技術體系如圖2所示。

3 工程解決方案

3.1 隧道傳感網解決方案

隧道傳感網（安全預警與健康監測）系統的硬件拓撲結構如圖3所示。各個監測斷面的傳感器通過數據采集單元（光纖傳感器為光纖光柵解調儀;振弦式傳感器或其他模擬量傳感器為MCU信號采集單元）輸入同在以太網中的工控機內，工控機對數據進行預處理后將結構的重要信息傳送到以太網中的數據庫服務器內[16-17]。此外，人工檢測的數據也可通過軟件平臺錄入到服務器中。數據庫服務器同時與隧道機電系統相連，可實現大屏顯示等功能。同時，服務器還可通過Internet或專網與外部相連，與其他基礎設施的服務器共同組成云計算中心。

單體系統的軟件基本功能拓撲結構如圖4所示。系統分為兩個部分，工控機上運行的是系統控制部分（即下位機軟件），其中包括系統數據庫，預警報警系統、儀器控制與數據采集系統、安全及健康評估系統以及數字化管養系統。任意網內工作站可以通過運行上位機軟件登錄服務器進行數據瀏覽與分析，其中上位機軟件的功能模塊包括實時數據查詢、歷史數據分析、有限元分析、安全狀態評估、數字化管養以及系統日志等。

3.2 橋梁傳感網解決方案

新建橋梁傳感網（安全預警及健康監測）系統布置如

圖5所示。根據橋梁的結構特點在橋梁的控制斷面預埋光纖光柵鋼筋計與光柵光柵溫度計，各斷面傳感器引入橋側藏線盒后接入總纜，在橋端位置通過光纖光柵解調儀將信號現場處理，然后通過3G無線數據通信方式將橋梁狀態異常報警信息或定期統計數據發送到遠端的云計算中心[18]。無線傳感器網絡工作原理如圖6所示。

4 結 語

智能基礎設施云平臺是運用先進的信息技術、傳感技術與通信技術所構建的一種新型城市基礎設施管理平臺。它可以實現對基礎設施自身各類物理信息的收集、傳輸、儲存、整理、分類、展示、分析、決策與調度等一系列功能，進而有效解決城市基礎設施管理難題。傳感網技術將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合，改變了人類與存在環境間的交互方式，擴展了網絡的功能和人類認識客觀世界的能力。

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