快速部署网络系统在公路工程质量检测中的应用与实践

董胜利，路 严，李长建，张亮亮，张瑞德，李 剑

（1.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.哈尔滨建成集团，黑龙江 哈尔滨 150030；3.黑龙江省公路工程质量监督站，黑龙江 哈尔滨 150090）

1 快速部署网络系统的组成

1.1 系统并行处理过程

公路工程质量检测工作是一个动态的工作流程，在工程现场要依据检测计划开展现场检测作业。传统检测过程一般是线性作业过程，检测者核检完成一个目标后，顺序进入下一个检测点进行操作，而在信息化条件下开发的公路工程质量检测系统则是一个并行处理过程，在检测点为离散型的检测项目中，可以摆脱传统手工检测的线性化流水检测方式，采用并行技术来实现。为实现高效的并行化检测，快速部署网络系统成为此系统实现的核心研究对象。

由图1可知，在检目标为n个离散检测点，用于检测点数量对应的采集器，将检测点的数据通过快速部署网络子系统向并行预处理池传送，由于采集点处理和响应数据的差异，汇入并行预处理池的速度也会有差异。在预处理池的数据可形成堆栈，按优化的算法送入检测作业处理机进行处理，最终将数据及计算成果存入数据库并进入显示与输出流程。为实现高效并行的数据传送，快速部署网络系统承担了检测数据运送的核心任务。

图1 快速部署网络子系统处理过程

1.2 快速部署网络的拓扑结构

1.2.1 检测总部与检测站点采用树形结构

根据管理模式的需要，检测总部与检测站点采用树形结构。各个检测节点与测站节点通讯，测站节点与总部节点通讯。这样的网络结构可以保证整个系统有明确的组织结构，总部管理检测节点可以通过每个测站节点查询、分析、管控，总部节点可以通过树形结构遍历每个检测节点的状态、获取节点数据。检测节点可以通过测站节点向总部发送数据，请求查询等数据通讯，而每个检测节点间是隔离的、每个测站节点也是隔离的；一方面，可保证整体网络的均衡负荷；另一方面，也使系统具备良好的维护性。当某一检测节点出现问题时，不会影响其它检测节点；当某一测站节点出现问题时，不会影响其它测站，其结构如图2所示。

图2 检测总部与检测站点树形结构

1.2.2 检测节点采用混合结构

如图3所示，检测节点x接收来自附近的多个传感器Sensor1～n 的数据，由于与传感器距离较近，可采用直接电缆数据通道或近场通讯快速部署该部分网络。检测节点x与测站节点的连接可达到10～1 000m 的距离级别，甚至更远。在检测现场存在着土石方、工料、建构筑物的静态障碍物和大型施工机械等动态障碍物，为使无线信号突破障碍，可在检测节点x与测站节点间设置0～n个中继点，由于中继点的位置设置灵活，可有效地将检测节点信号通过多个中继点以中继桥接的方式联接到测站节点x上，以此类推，多个测站节点按此方式快速搭建网络，一个适用复杂工地现场环境的专用网络系统得以快速部署完成。

图3 检测节点采用混合结构

1.3 检测现场网络并入整体检测系统网络

1.4 快速部署网络系统特性

1.4.1 部署网络的速度

公路工程质量检测系统对网络部署的速度有较高要求，在选定的检测现场环境下要迅速搭建好检测网络。通过灵活的局部网络混合结构，可以快速匹配现场环境，依据检测点情况对应布设检测节点，以中继桥接模式快速排解测点到达测站障碍，快速延展传输距离，进而形成一个高效布设的局部网络系统。

1.4.2 数据传输的效率

采用树形结构的整体网络拓扑结构后，同一级别的节点是隔离的，因此，从总部到测站再到检测点之间都是垂直自上向下或自下向上直接网络通道，所以，数据传输的效率较高，每个节点没有与其它节点的通讯关联，不需进行节点请求与发送轮询，简化了设计结构，使整个通讯系统更加稳定、高效地完成传输过程。

1.4.3 网络的移动特性

由于采用了无线局域网络，检测位置可以随目标变化、测站也可以是移动方式，只要在无线网络信号覆盖范围内，测站位置与检测点的设定都是可以动态移动的，网络的移动特性为系统的灵活部署创造了条件。

2 数据稳定性与安全性

2.1 网络数据的稳定性

在本系统中，搭建的网络必须保证网路数据的稳定性，以下从搭建系统硬件和软件两个方面来讨论保证网络数据稳定性的方法。

生产铝易拉罐主要使用两种铝合金薄板.罐盖一般是含中或高镁的合金，如5082，5182及其他相似的合金；罐体是含锰、镁的防锈铝合金，通常为3004或3104合金，具有一定的强度和良好的可成形性.

2.1.1 硬件抗干扰技术

为保证网络数据能够稳定的传输，首先要在搭建网络的硬件设备上进行底层设置，由于检测现场环境复杂，在无线网络通信方面要采用具备抗干扰能力的无线网络设备，将网络通讯设置在专门信道内。在设计阶段应进行无线网络干扰分析，在网络部署前应做好网络干扰的检查。

2.1.2 软件容错技术

在软件方面，为了提高网络数据的稳定性，应对系统应用程序读取的网络数据进行数据校验，无效数据应该进行过滤隔离，在软件级别设置容错机制，局部程序控制抛出异常处理，从而保证整个系统的稳定性。

2.2 网络数据的安全性

对于采用混合联网模式下，尤其是采用了无线联网技术，无线信号的传播是区域扩散的，即使非本系统的设备，也可以在系统频率范围内获得物理信号，因此，对于网络的安全性也提出了更高的要求。

2.2.1 硬件传输加密

该系统的硬件传输加密一方面可以借助网络设备自身附带的固件进行加密，特点是加解密速度快，对于终端用户在使用中是透明的，但一般设备使用的是标准的加密算法；另一方面，可采用专门的安全加密设备，特点是加密效果好，但在整体成本和部署设置上略加繁琐。

2.2.2 网络系统用户认证

快速部署网络系统需具有网络用户安全身份认证功能，所有网络使用者，应通过网络系统用户认证，排除系统内空白密码和简单密码登录的漏洞，从用户认证层面为整个系统安全添加一层保障。

2.2.3 数据级加密，采用自有算法加密

由于硬件加密和用户认证大都采用的是通用的标准，为了本系统更加具备网络的安全性，须在应用程序层面，对处理的数据，采用自有算法进行数据级别深层加密，在处理过程中再通过自有算法进行匹配解密，系统内网络数据即使被外部意外获取，由于这些检测数据已混淆为无意义的编码，外界将很难进行解码，最终为该系统的网络安全提供了更深层的保障。

3 仿真与实测

快速部署网络为达到实际应用的目的，首先要进行设计阶段系统架构、组成以及稳定性和安全性的研究，然后进入实验室仿真环境测试和真实工程现场环境测试，如图4所示。

图4 快速部署网络系统的实现流程

3.1 实验室仿真环境测试

在实验室环境下，由于整个系统的复杂性，必须将系统分解为若干子系统，每个子系统再分解为若干功能模块，在实验室环境下，按真实环境匹配好相应的仿真环境，发现问题及时调整和修正系统硬件和软件。在本系统的实验室测试阶段中，在实验室内设置了数个检测点，检测点连接无线网络节点装置，按照快速部署网络系统的典型网络连接方式，将网络测站节点，通过无线设备与各个检测点进行网络连接，在实验室环境下，也设置数个中继桥接点，按照混合结构，用实体设备进行连接测试。实验室仿真要解决的问题有：局部网络连接的配置方法、连接拓扑结构的优化方案、中继桥接的设置方法。在实验室环境下，将检测点与网络检测节点遇到的问题、检测节点与测站节点遇到的问题，在实验室环节前置暴露出来，并可以反复测试、反复修改，以达到适应实测环境标准，可使研发阶段更具备效率。

3.2 工程现场条件下测试

在现场环境条件下测试，主要解决网络连接的障碍阻隔通讯传输问题；局部网络的距离传输问题；混合式组网在实际应用中的实用性的问题。现场环境将在实验室无法仿真的工程动态环境中进行测试，在现场环境中部署连接出现的问题将与该系统应用于实际工作中密切相关。这个阶段需将这些实测问题充分解决，以使该系统实用化。表1为在实验室环境和现场环境及普通组网模式的部分测试性能指标。

表1 快速部署网络系统环境测试性能表

3.3 快速部署网络系统的技术优势

通过采用系统工程的研究方法，经过整个系统的技术研究，由表1可明显看到，与普通组网模式对比，克服了普通网络复杂条件适应性差、传输距离、抗干扰能力等诸多方面的不足。在为公路质量检测系统实现并行数据采集的目标上，该子系统以高效性的部署网络速度、灵活的布置方法、局部网络的可移动性，以及数据传输的稳定性和高可靠安全性等研究具备创新特性，体现了系统的技术亮点。快速部署网络系统是快速搭建检测系统环境的重要环节、成为实现稳定安全数据传输和灵活部署复杂动态检测任务的核心技术。

4 结束语

快速部署网络系统解决了信息化条件下公路质量检测工作的数据获取与交互的通讯需求，使公路质量系统并行化数据采集得以实现。对传统手工质量检测作业来说，从速度上得以突破，高速的检测处理也将带来检测应用的创新，检测管理方法的革新。为保证整体检测系统的实用化应用，对数据在网络的传输稳定和安全性也将提出更深化细致的应用需求，使系统更加安全和健壮；还要在快速部署网络的连接方法加以改进和优化，使之更加简化易行，对一键化连接或即插即用的用户使用方法提出了新的课题。

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