G35河东特大桥结构健康监测系统软件设计

符洪生 梁柱

摘 要：河东特大桥是G35济广高速安徽段的一座重要桥梁，桥梁跨度大，结构复杂，为大桥建立一个长期健康监测系统，对掌握桥梁的安全使用状况，确保大桥的安全运营和服务管养有非常重要的意义。本文介绍了河东特大桥健康监测软件系统的设计过程，提出了一种基于DTU的通用数据采集程序，提升了系统的通用性和可扩展性。

关键词：桥梁;监测;大数据;数据传输单元

1 概述

河东特大桥位于安徽省岳西县响肠镇无愁村外畈组，距岳西收费站11公里，全长1 010 m。桥梁起点桩号为K794+814 m，终点桩号为K795+824 m，由左右两幅桥组成。地面标高150.16 m～251.48 m，主桥墩高约为61 m～84 m，于2009年12月建成通车。为大桥建立一个长期健康监测系统，对掌握桥梁的安全使用状况，确保大桥的安全运营和服务管养有非常重要的意义。我司使用新研发的基于DTU[1]的数据采集程序和基于B/S流式大数据健康监测系统[2]完成了河东特大桥健康监测软件系统的建设，建成后的健康监测系统具有高实时性、通用性强等特点。

2 软件系统需求分析与设计

随着物联网技术的发展，物联网设备[3]（如传感器、采集仪）在桥梁结构健康监测中得到了广泛使用，由于不同厂家的物联网设备有不同的采集数据协议如485协议、232协议，即使相同的协议，采集命令和返回结果也不同，因此在桥梁结构健康监测软件系统的设计开发过程中，常需要修改或重新设计采集程序，增加了成本。为解决这些问题，本系统采集端基于DTU通讯，构建了设备库和自有的数据传输协议，并通过基于storm的流式大数据处理程序提高了系统实时性。系统结构如图1所示，由物聯网设备和部署在云平台上的配置程序、采集程序、基于storm流式大数据集群处理程序和展示程序组成。采集程序通过无线网络向通讯单元（DTU）发采集命令，通讯单元向采集仪转发采集命令，并将采集仪返回的结果转发给采集程序，采集程序对结果处理后提交到分布式消息队列中，基于storm的流式大数据集群处理程序从分布式消息队列获取数据，进行实时处理，将处理后的数据存储到分布式缓存和数据库中，数据展示程序从分布式缓存和数据库中获取数据，并做实时展示。本文将重点介绍配置程序和采集程序。

2.1 配置程序

为支持不同的设备（传感器、采集仪和通讯单元DTU），本系统提出并构建了设备库。设备库是用来管理不同厂家不同型号的传感器、采集仪和通讯单元。在设备库里创建这些设备时，要提供设备的基本信息和采集信息。对于采集仪主要包括类型、波特率、数据位、采集命令和返回结果等。配置程序提供了模板语言描述采集命令和采集结果。采集程序内置了设备库里一些设备采集过程的处理程序。

配置程序将桥梁健康监测系统抽象为传感器、采集仪、通讯单元及它们间的关系，并提供了相关的配置功能。它们间的关系可理解为一个桥梁健康监测软件系统是一个项目，一个项目包括多个通讯单元，一个通讯单元包括多个采集仪，一个采集仪可以连接多个传感器。

2.2 采集程序

采集程序部署在云平台主机（如阿里云主机）上。采集程序启动后，从配置程序获取项目的配置信息如一个项目有哪些通讯单元，一个通讯单元由哪些采集仪组成。并启动socket监听端口。当接收到来自通讯单元（DTU）的连接请求后，根据配置程序返回的相关采集仪的配置信息，向DTU发送采集命令，DTU将采集到的结果返回给采集程序，采集程序对数据处理后，以自定义的数据传输协议发送到分布式消息队列中，基于storm流式大数据集群处理程序从分布式消息队列中获取数据并进行处理。

在这一过程中，为使流式处理程序具有通用性，采集程序使用自定义的数据传输协议来传输数据。自定义的数据传输协议里数据是由数据包组成;数据包由包头和数据组成。

包头由数据传输方式（3个字节）、厂家编码（3个字节）、分隔符和采集协议（3个字节）组成如DTUKLM.485。数据传输方式有DTU和网络（NET）两种。DTU的英文全称是Data Transfer unit，专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备;厂家编码用来表示不同厂家的代码如昆仑海岸KLM;分隔符使用点（.）来表示;采集协议是指采集程序获取采集仪的协议如485表示485协议。

数据包里的数据包括采集仪id、采集时刻和通道数据。采集仪id用来唯一标识采集仪设备，由配置程序在创建时生成。采集时刻是自1970年1月1日到采集时经历的毫秒数，用time表示。数据用data表示，是各个通道上的数据，每个通道用no来表示，同一通道上多个数据使用serial来区分。val表示对应的数据。本项目为低频（小于1hz）采集，数据是以json字符串的形式传输的如：DTUKLM.485{"id"："5f0c17f5c7dc23836ecc557d"，"time"：1613635207031，"data"：[{"no"：1，"serial"：1，"val"："004691"}，{"no"：2，"serial"：1，"val"："005257"}]}表示id为5f0c17f5c7dc23836ecc557d的采集仪在北京时间2021年2月18日16点00分07秒采集到的2个通道的数据，通道1数据为4 691，通道2为5 257。

3 结论

本文介绍了河东特大桥结构健康监测系统软件设计过程，通过创建自有的设备库，自定义的数据传输协议，实现了对不同厂家物联网设备的支持，提升了系统的通用性，降低了成本;使用基于storm的流式大数据处理程序，提高了系统的实时性。当然，本系统还有较大的提升空间，如对配置程序的改动必须重启采集程序，可通过在配置程序发生更改时使用消息机制通知采集程序来解决。

参考文献：

[1]李秋慧，李洁，王传敏，等.基于GPRS DTU的远程可控水质监测船[J].电子技术与软件工程，2021（5）：94-96.

[2]梁柱.基于大数据架构的桥梁健康监测云平台[J].中国交通信息化，2020（6）：115-117.

[3]肖时辉，梅敏彰，唐孟雄，等.基于LoRa的城市立交桥远程监测数据采集系统[J].公路，2021，66（2）：87-93.