基于物联网技术的桥梁结构健康监测系统的设计与实现

康佩，刘旨阳，王珏辉

（长江大学工程技术学院信息工程学院，湖北荆州，434000）

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桥梁结构健康监测系统是以物联网为理论基础，以桥梁建筑结构为平台，综合了计算机技术、通信技术以及控制技术的综合解决方案。传统的结构监测解决方案侧重于维护人员利用监测设备实地对桥梁的螺栓的状态进行测量，再对采样获得的数据进行分析，生成相关的结构健康报告，缺少实时性，无法进行远程控制和数据采集的工作，运营和维护成本较高。因此，本文将软件和硬件整合，设计了基于物联网技术的桥梁结构健康监测系统。

1 结构健康监测系统框架设计

1.1 系统分层设计

结构健康监测系统划分为五层，分别为用户接入、应用层、数据支撑、数据服务、平台基础。

图1 结构健康监测系统分层设计

用户接入分为现场维护、系统管理、技术支持、设计人员、实施人员以及企业高管，可以通过PC桌面端、手机移动端以及其他终端硬件设备接入系统，系统为用户提供多样化的数据接入服务，满足用户需求的多样性。

应用层分为系统站点、线上与线下的数据系统支撑、信息反馈。主要为用户接入提供应用服务，定制轻量级的json格式数据接口，有效保障用户接入的稳定性和可靠性。

数据支撑是整个系统的核心，主要分为以下子系统数据服务支撑系统、业务工作流系统、通用数据交换系统、数据存储与分析系统、维护管理系统、用户统一管理系统。数据支撑主要是Data Service层，进行有效隔离，进一步进行封装和处理。业务工作流系统体现监测系统的人员工作与管理方式，涉及监测数据上报反馈等内容。通用数据交换系统是解决系统上行和下行数据处理的问题，例如硬件上行的数据主要是字节流，并且会受到网络带宽以及实地环境因素的影响，这就导致需要对上行的数据进行格式化处理，包括数据格式的定制，数据包的拼接等。下行数据需要根据实际情况对接收的操作指令进行组装，并在存储中找到前端硬件的映射端口，及时发送处理。

数据服务是实时监测数据、理论模型数据、系统修正数据、自有以及第三方介入数据库。实时监测数据是经过各种传感器采集的原始数据，需要进一步进行过滤和处理，包括数据有效性的验证等。理论模型数据是基于桥梁结构模型计算和推演的理论值，是整个监测系统数据分析的核心，需要将实际采集数据和理论数据进行对比分析，才能最终得到可靠的结构健康分析报告，有利于桥梁的维护和运营工作。自有以及第三方数据库能够通过经验数据对结果进行修正和评估。同时，也体现了数据共享的设计思路。

系统的平台基础主要涉及互联网、服务器存储、Linux Server、J2EE/SQL/MYSQL等，系统的基础设计与架构不会涉及到开发版权和专利壁垒的问题，同时采用开源的系统和编程框架有利于项目后续的二次开发与版本迭代等工作。

1.2 系统数据流架构设计

系统数据流涉及到用户接入、数据存储、后端服务数据交互等，依据系统的设计初衷，用户访问通过WEB站点、手机移动端、微信以及HTML5手机端应用等可以自主访问，提供良好的用户体验。前端数据接入中间件采用RESTful Web Services方式，有效解决用户访问的接口问题，易于快速开发。数据核心分Memcached是一种高速存储、以及高效读写的内存数据库，系统中频繁访问的数据和内容可以存放其中，保证数据的实时性。MySQL采用双机热备的方式，保证数据存储系统的稳定和安全，同时也可以有效扩展，快速搭建数据库集群。

图2 系统数据流架构设计

1.3 系统总体架构设计

基于平台化的设计思路和产品的研发扩展性考虑，整个后台的数据服务系统采用分布式架构体系，对平台功能的扩展以及成熟的商业应用有很好的伸缩性，同时在前期平台运营和开发设计过程中能够很好的节省成本和服务器资源。

前端部署负载均衡服务器，能够实时调度服务器资源，有效合理分配对外数据服务，打造稳定可靠的数据链路。分布式应用服务器能够同时部署数据应用，加入本地的缓存数据，加快数据的读写能力，解决实时并发访问的瓶颈问题。

分布式缓存服务器能够有效解决和提高系统的数据查询能力，进一步加快数据处理的效率，提升并发性能。

图3 结构健康监测系统总体架构设计

图4 系统网络架构设计

在平台的存储系统，采用主从架构方案，读写分离、主从备份、支持热备、高效率的完成数据持久化过程，同时保障数据存储的可靠性和稳定性，对平台的运行和维护有很好的保障。

1.4 系统网络架构设计

前端通过传感网采集模块，对各类传感器采集的数据进行处理，例如压片陶瓷等，再经过串口或无线的Zigbee协议栈进行近距离传输，将数据交给数据传输模块，进行远距离传输，数据通过无线4G进入Internet，采集的原始数据汇入数据应用服务器，应用服务的架构采用分布式的体系，即针对前端的硬件采集，同时也对用户提供数据服务，系统的用户可以通过电脑、平板、手机进行有效的访问。数据存储服务器部署在同一个局域网内，构建一个存储集群，满足数据热备、同步、可扩展的要求。