桥梁结构云监测平台设计与实现

吴巨峰+钟继卫

摘 要： 我国中小桥梁量大面广，与大型桥梁相比出现问题的频次更高，但受限于成本等因素，普遍没有安装健康监测系统，其技术状况和运营安全难以得到有效监控。传统的桥梁施工监控也存在信息记录效率低、传递整理过程丢失数据、实时性差等问题。针对以上问题，本文提出了基于云计算的桥梁结构监测平台，研究了平台的架构和关键技术，介绍了平台的实现。通过大量的实际工程应用，证明平台在桥梁施工监控、大规模中小桥健康监测应用中具有广阔前景。

关键词： 云平台； 中小桥梁； 施工監控； 健康监测

中图分类号：TP399 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）02-13-03

0 引言

近年来有关桥梁结构的安全问题频发，桥梁结构安全已经成为大众关注的焦点之一；许多桥梁采用了施工控制技术来保证施工期安全，一些重要的桥梁还安装了健康监测系统来保证运营期安全。然而这些应用目前仍存在许多问题[1]。

一是施工监控大多采用便携仪表进行人工测量和记录，信息化程度和效率低下，信息丢失严重；测量数据的分析计算离线进行，实时性差，监控指令容易滞后；理论与实测数据的对比分析等操作低效，更深入的数据分析较困难。

二是运营期的桥梁健康监测，由于造价和运维成本高昂，主要在大型桥梁上实施，在量大面广、事故频发的中小桥上反而很难推广；监测系统软件复用性低， 研发调试周期长；监控中心专业技术力量不足，专家支持成本高；多座桥梁的监测数据难以共享。

云计算是当代信息技术发展的主要趋势，互联网的计算架构也由“服务器+客户端”向“云服务平台+客户端”演变[2]。基于云计算技术与云服务理念，建立一个桥梁结构云监测平台，可以有效解决桥梁施工监控和健康监测中碰到的以上几个问题，主要有以下优势：

⑴ 解决了传统桥梁结构监测统一管理、系统整合的问题，使管理者无需关心监控中心软硬件开发与购置、系统运维等成本投入和数据传输与处理等深层次的技术问题，即可享受专家级云端监测服务，投资性价比高；

⑵ 云监测终端实现可插拔式操作，大大减少现场工作量，使监测作业方便快捷，更具灵活性；

⑶ 解决了传统系统中对数据量大、并发突变等情况难以应变的问题，提高了系统的运行效率和稳定性；

⑷ 能够真正做到跨终端、集群式随时随地实时监测，为管理者进行现场监测和管理提供了极大便利，降低了桥梁现场发生事故的几率。

1 桥梁结构云监测平台架构

本文提出的桥梁结构云监测平台架构如图1所示，包括感知控制层、网络传输层、数据汇聚层、应用层和信息输出层。

云监测终端汇接安装在桥梁结构上的传感器，将采集的数据编码成统一的数据格式，再通过无线互联网发送至云计算数据中心。数据汇聚层部署有数据整合和海量数据存储管理工具，实现对各座桥梁数据的分库存储与管理。应用层发布各种桥梁结构云监测服务模块，模块采用HTML5开发技术，可在PC端和各种智能终端设备上使用，用户可以根据需要购买；同时，用户可以在系统界面向云监测终端发送指令，对终端进行诊断，并控制现场传感器的数据采集[3]。

2 关键技术研究

2.1可插拔式操作的云监测终端

桥梁结构云监测终端可以外接电压电流信号、振弦式以及振动等各类传感器，将采集数据统一编码后，通过无线通信方式传输到云平台进行处理[4]，云监测终端使用方法如图2所示。终端可以安装部署在户外的立杆或者墙壁上，自带电池或者由太阳能供电，这种部署方式更加符合超大规模部署的条件，便于进行集成管理[5]。

2.2 基于松耦合分层技术的应用层设计模型

根据云监测应用需求和现代软件设计思想，将本系统中的应用层设计为应用服务层、业务逻辑层和用户界面层，分层设计模型如图3所示。每一层都抽象地定义各自的功能和对外接口，每层都可以独立开发，层与层之间通过共享数据库数据以及调用中间件等进行通信[6]。

应用服务层通过云监测终端直接与传感器对接，转发底层数据，实现对不同传感器的兼容；业务逻辑层采用插件式的模块形式，由一个主监听程序和若干模块插件组成，可以根据不同的数据处理需求、成本和性能等因素自由裁剪，增减功能；同时采用进程间通讯技术，可以兼容不同语言开发的插件，增加了系统的兼容性和开发效率。

2.3 使用云计算建立桥梁监测应用平台

桥梁结构云监测平台采用具有集中式、高性能计算特性的云计算模式。每座桥梁无需单独的监控中心和运维，在云计算数据中心都分配单独的虚拟机计算资源，监测系统相互独立，即使其中某桥梁监测系统发生故障也不会影响其他监测系统的运行。随着桥梁监测数据和计算等要求的增加，云计算可以提供快速的计算资源动态扩展，包括存储空间和计算能力等。通过虚拟机镜像，提供了方便快捷的服务、应用和数据的备份还原解决方案；同时利用云计算构建统一的运维架构，便于对大规模中小桥进行集成式管理[8]。

3 系统实现与工程应用

系统采用VMware构建桥梁结构监测云计算基础架构，采用云监测终端进行数据采集与传输，在数据中心实现桥梁监测的接入和后台管理，在PC端、智能设备端提供人机交互界面。系统主要实现以下功能。

⑴ 桥梁监测的接入：云监测终端接入桥梁监测现场的传感器，运行在服务器端的数据采集软件实现对传感器数据的解算和存储管理，可以进行监测站配置、监测点配置、监测数据实时查看等功能。

⑵ 云监测终端设备监控管理：通过监听终端设备是否在线、发送诊断指令的方式，可以诊断终端设备状态；同时可以远程发送控制指令，修改数据传输参数、传感器采样频率、数据归零等功能。

⑶ 桥梁监测服务：通过Web平台和APP应用的方式提供桥梁监测云服务，针对用户实际需求开放不同的模块。主要的模块包括：GIS地图集成管理、实时监测数据查看、历史数据查看和下载、数据分析报告、监测预警、终端设备远程监控。

目前平台已在平潭海峡大桥施工区域监测、武汉杨泗港大桥沉井监测、福州金山大桥施工监控、福州琅岐匝道桥长期监测、云南大瑞铁路澜沧江特大桥施工监控等项目中得到应用。实际应用证明，采用监测云服务平臺，极大简化了监测现场的工作，能够快速稳定获取监控现场数据，提高工作效率，降低监测成本。

4 结束语

本文针对桥梁施工监控和健康监测存在的问题和不足，对桥梁监测云服务平台进行了研究与实现。经过广泛实践应用证明，桥梁监测云服务平台与现有的桥梁监测系统相比，投入成本、部署效率和系统运行稳定性等方面具有明显优势，十分适合在桥梁施工监控、大规模中小桥监测中推广应用。

参考文献（References）：

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

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[5] 曹骝，吴修文.基于大数据平台的PM2.5监测预警系统研究[J].

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[7] 张亚运，钱国明.基于云平台的桥梁健康监测系统在工程中

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

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