基于云平台的桥梁健康监测系统在工程中的应用

张亚运+钱国明

摘要：近年来，随着国家和各级政府对桥梁安全的日益重视，越来越多的桥梁安装了健康监测系统，这些系统可以有效地保证桥梁的运营安全。传统的桥梁健康监测系统一般是自成一体，每一座桥梁都有单独的一套IT硬件基础设施、软件系统和监控机房，这势必会造成基础资源浪费、数据共享困难、运营难度大和管理成本高等问题。该文提出的基于云平台的桥梁健康监测系统，将采集数据进行统一存储、统一管理和统一计算处理，大幅降低了单桥监测成本，还具有较高的扩展性和安全性。本系统成功地运用在海河大桥健康监测项目中。

关键词：桥梁健康监测；云平台；云存储

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）30-0206-03

Application of Cloud Platform for Health Monitoring System in Bridge

ZHANG Ya-yun， QIAN Guo-ming

（Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003， China）

Abstract： In recent years， as the country and all levels of government's increasing emphasis on bridge safety， more and more bridges installed health monitoring systems that can effectively ensure safe operation of the bridge. Traditional bridge health monitoring systems are generally self-contained， every bridge has a separate set of IT hardware infrastructure， software systems and control room， which is bound to result in a waste of resources base， data sharing difficulties， difficult operations and management costs higher issues. In this paper， cloud-based platform bridge health monitoring system， data will be collected unified storage， unified management and unified computing， dramatically reducing the cost of monitoring a single bridge， also has high scalability and security. The system is successfully used in the Haihe River Bridge Health Monitoring project.

Key words： bridge health monitoring； cloud platform； cloud storage

1 概述

随着全国交通建设事业的蓬勃发展，越来越多的中小型桥梁相继建成，国家和地方政府对桥梁安全性和耐久性也越来越重视，因此桥梁健康监测系统相继运用到这些桥梁中。虽然对于单体桥梁而言，监测系统可以起到安全监测的作用，但对于同一地区管理部门下辖多座桥梁，如仍采用“各自为营”，相互独立的建设方式，必然会造成管理成本和管理难度的加大，此外还会造成基础资源浪费等问题[1]。

本系统较传统监测系统的主要优势有：

1）开发周期大大缩短：对于传统的单桥单系统而言，每一座桥梁都需要配置单独的IT基础设施，开发单独的健康监测系统，而基于云平台的桥梁健康监测系统只需要在桥梁现场部署数据采集单元和数据上传单元即可，数据存储、数据处理和显示单元都可以进行复用，这样开发周期会大幅缩短，开发效率大幅提高[2]。

2）系统可扩展性提高：对于传统的监测系统，一旦系统开发完成，若要扩展功能和业务，就需要针对不同系统采取不同方案，这样系统升级和扩展的工作量就会大幅增加。基于云平台的桥梁健康监测系统的每个功能采用模块化设计，根据客户需求动态组合，系统可扩展性和灵活性很高。

3）数据安全和数据扩容方面：采集数据统一存储在数据中心的云存储单元，在云存储方面，安全是首要考虑的问题[3]。采用加密算法的云存储技术较传统数据库技术在安全性方面有很大的提升，此外在数据容灾和数据备份方面也做了充足的准备。系统使用一段时间后会产生大量历史数据，往往会超出设计容量，迫使用户不得不对数据库硬盘进行扩容，这需要耗费一定的成本，而基于云平台的系统就不存在数据库硬盘不足这种情况，用户可以根据需求动态扩容。

4）数据计算和管理方面：桥梁监测系统每时每刻都会产生大量相关数据，传统监测系统很少有能完全应对海量监测数据的技术力量，面对大量数据却很难挖掘出有效信息。基于云平台的系统采用Map/Reduce并行编程计算模型，可以对海量数据快速挖掘出有效信息，供用户参考使用。

2 云计算和云存储

2.1 云计算

云计算是分布式处理（Distributed Computing）、并行处理（Parallel Computing）和网格计算（Grid Computing）的发展，是将计算程序拆成无数个较小的子程序，再交由多台服务器所组成的庞大系统经计算分析之后将处理结果回传给用户[4]。

就技术而言，云计算表达出了一种组织的思想，即组织资源以进行服务，通过大量物理上分布的资源集中起来，以逻辑上统一的形式，对外提供服务，将“大事件”压力，分解到大量计算资源中，然后针对资源的管理、调度过程中出现的各种问题，组织各种技术进行解决。

2.2 云存储

云存储系统是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，通过应用软件将网络中大量不同类型的存储设备集合起来协同工作，提供对外数据存储和业务访问功能的一个系统[6]。

云存储的结构模型由4层组成，如图1所示：

1）存储层：存储层是云存储最基础的部分。存储设备一般分布在不同地域且数量上比较庞大，彼此通过以太网或者FC光纤通道网络进行连接。

2）基础管理层：基础管理层是存储层的上一层，是云存储中最核心的部分，当然也是最难实现的部分。基础管理层通过集群、分布式文件系统和网格计算等技术，实现云存储中多个存储设备之间的协同工作，使多个存储设备可以对外提供同一种服务，并提供更大更强更好的数据访问性能。

3）应用接口层是云存储中最灵活的部分。该层的主要特点是云存储运营单位可以开发出不同的应用服务接口以应对不同的实际业务类型，提供不同的应用服务。

4）访问层：访问层云存储接口模型的最上层，是用户访问系统的入口，任何一个授权用户都可以通过一套标准的公用接口来访问云存储系统，使用云存储服务。

3 工程应用

3.1 工程概况

海河大桥主桥为独塔斜拉桥，总体上采用塔墩固结、塔梁分离，主梁在桥塔处设置0号索的全漂浮体系。全长500米，具体跨径布置为310+2×50+2×40米，主梁为混合梁结构，梁高为3米。主跨310米大部分采用钢梁，全部边跨以及主跨靠近主塔20.8米长度范围内采用预应力混凝土结构。主塔：采用RC结构，空心矩形截面。塔座以上全高为163.3米，桥面以上为126.9米。斜拉索：全桥共37对、合计74根斜拉索，采用空间扇形布置，索面在主塔上索距为1.5-2.5米，在主梁上主跨范围内的索距为16米，边跨范围内为8米-10米，桥梁设计图如图2。

3.2 监测数据采集和传输

数据采集过程中要解决的问题是数据采集同步性问题，指的是在桥梁监测系统中有多台监测设备同时运行，这时采集上来的数据可能会出现时间或相位不一致的问题，这些不一致的数据会导致数据处理时产生混乱。采用统一的时间标准解决时间同步问题。

数据采集和传输框图如图3所示，将数据采集箱采集上来的数据通过以太网传输到数据中心进行处理、存储和展示。

3.3 监测系统架构和功能

3.3.1 设计原则

1）稳定性：将采用成熟的操作系统、开发语言和开发框架保证系统的稳定性；

2）安全性：通过物理隔离、防火墙以及详细的权限控制手段来保证；

3）可扩展性：本方案设计将充分考虑未来可能的扩展，采用分层设计模式保证接口和代码。

3.3.2 云平台架构

为方便产品的可扩展性，避免每座桥梁都重新设计和开发，拟采用数据处理中心的模式，即一个数据处理中心处理所有桥梁数据；数据处理中心以归纳的模块化结构处理不同类型的传感数据，对于新增加的传感器类型，只需要开发相应的数据处理和分析模块即可。

如图4所示，平台包括“数据采集中心”和“云数据处理中心”两大主要系统，各桥梁采集的数据定时上报到云端进行处理，用于各种统计、分析、查询和通知等。

3.3.3系统主要功能

本系统是一套基于B/S架构桥梁监测的系统，采用Myeclipse10开发，使用java SSH框架，其中使用Struts作为系统的整体基础架构，负责MVC的分离，在Struts框架的模型部分，控制业务跳转，利用Hibernate框架对持久层提供支持，Spring做管理，管理struts和hibernate。数据库采用Sql Server 2005数据库，运行环境为Tomcat6.0。在部分地方采用Ajax技术，实现数据的异步交换、Unity3D交互实现3D和web页面的数据交换，同时使得桥梁架构图以较好的图形效果展示，并且具有旋转、移动、翻转、放大和缩小的功能。

系统主要功能有：

1）实时监测信息查看：监测信息查看分为实景式和目录式两种模式。

实景式：在平台页面中可以拖动桥梁3D模型来查看各传感器的图形化状态，如健康以绿色标识、警告以黄色标识、危险以红色标识等；点击每个传感器图标则进入对该传感器详细查询页面。

目录式：以表格的形式实时展示监测数据，显示结果可以导出并下载到本地。

2）数据统计分析：平台用户可以对桥梁健康数据进行统计和对比，包括：某时间段内的数据统计对比、某时间段内报警数据分析、某时间段内系统事件统计。

3）历史数据记录和趋势分析功能：通过强大的数据库系统将所有历史数据进行保存，提供多少历史数据查询方式；根据历史数据可以提供趋势分析功能，给出趋势图供相关人员参考。

4）报警和事件功能：传感器或桥梁在使用中出现问题时，报警就会发生，并对事件进行记录，便日后查询。报警方式主要有：屏幕显示报警、本地声光报警、智能语音电话报警、Email报警和手机短信报警等。

4 结论

本文提出了一种基于云平台的桥梁健康监测系统，在实际工程实践中与传统的健康监测系统进行了对比，比较结果显示基于云平台的桥梁健康监测系统建设成本更低、系统功能更为完善、数据安全性和系统稳定性更高。由此验证了基于云平台的桥梁健康监测系统的可行性和先进性，应是未来桥梁健康监测和其他各种监测的发展方向。

参考文献：

[1] 孟立波，唐光武.基于云平台的中小桥梁监测系统架构方案研究[J].公路交通技术， 2013（4）： 106-109.

[2] 金鑫，李宏伟，王海军.关于建立基于云平台的特大桥联合健康监测系统的构想[J]. 湖南交通科技，2014， 40（4）： 102-104.

[3] Arjun Kumar ， Byung Gook Lee， HoonJae Lee.Secure Storage and Access of Data in Cloud Computing [J].2012 IEEE，2012： 336-337.

[4] 朱凯.基于云存储的中小企业信息化平台设计与实现[D].长沙：湖南大学，2012.

[5] 姚宏宇，田溯宁. 云计算：大数据时代的系统工程[M].北京：电子工业出版社，2013：60-61.

[6] 张龙立.云存储技术探讨[J].电信科学，2010（8A）：71-73.