嚴世強，　李義強

(1.石家莊鐵道大學現代教育技術中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043)

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近海橋梁施工安全監(jiān)測無線網絡通信方案設計與部署

嚴世強1，李義強2

(1.石家莊鐵道大學現代教育技術中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043)

摘要：針對復雜氣象環(huán)境下的鐵路橋梁施工安全監(jiān)測需求，提出了一種在施工現場部署的無線網絡方案。該方案易于現場實施，可以融合傳統(tǒng)的工業(yè)通信協(xié)議。通過合理配置，具有較高的通信帶寬，為施工現場的視頻采集及數據采集提供了穩(wěn)定的通信保障。應用數據庫復制技術，實現了施工現場與遠程數據處理中心的數據共享，能夠提升數據處理能力，提高了數據的安全性。該方案在福平鐵路順利實施，對其他類似環(huán)境下的施工現場網絡建設有很好的借鑒意義。

關鍵詞：橋梁施工;無線網絡;數據庫復制；安全監(jiān)測

福平鐵路，即福州至平潭鐵路，總投資257.3億元人民幣，建設工期5.5 a，設計為雙線Ⅰ級鐵路。根據相關規(guī)定，雙線Ⅰ級鐵路最高時速達250 km。福平鐵路起自福州站，沿線有福州南站、長樂站(首占)、長樂東站(古槐)，松下站，以橋梁跨越海壇海峽人嶼島、小練島、大練島至平潭島，線路長度約88.5 km[1]。

其中，北東口水道特大橋(B0～B58)，為國內首座公鐵兩用大橋，全橋長3 712 m，全橋59個墩臺，55個為水下墩。此段工程在海上作業(yè)，受氣候影響，經常風急浪大，工作環(huán)境較惡劣，對施工現場的安全、質量管理帶來了更大的挑戰(zhàn)。為此，亟需通過利用和融合現有的信息技術，構建施工現場的網絡通信環(huán)境，為施工現場的標準化管理，多種采集傳感器部署，全天候地提供可靠穩(wěn)定的數據信息基本保障服務。

1 無線局域網技術選型

無線局域網(Wireliess Local Area Networks,WLAN)就是在局部區(qū)域內以無線(no wire or wireless) 媒體或介質進行通信的無線網絡, 典型覆蓋距離為幾十米到幾千米。與傳統(tǒng)的有線網絡相比，無線局域網具有移動性、靈活性、可伸縮性、經濟性等特點。但是，WLAN普遍采用的是802.11b/g標準，這兩種標準因為較低的數據傳輸速度制約了在施工現場的應用，特別是當施工現場要處理大量視頻信息的時候，有必要進行改進。

近兩年，隨著802.11n標準的普及，使得通過WLAN方式快速傳輸大量數據成為可能。802.11n的首要目標是為用戶提供更多的吞吐量，802.11n采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output))技術，使得WLAN的物理層吞吐速度提高到300 Mbps，甚至更高[2]。因此，在北東口水道特大橋棧橋數據通信環(huán)境構建中，采用了符合802.11n標準的WLAN設備，實現施工現場數據信號的廣泛覆蓋和數據信息的快速傳輸。

2系統(tǒng)整體架構拓撲

根據項目的要求，大練島與蘇澳碼頭約4 km的施工棧橋實施視頻監(jiān)控及需要完成用于安全監(jiān)測的傳感器信息的傳輸工作。具體任務如下：在B2～B54平臺實現施工現場視頻實時監(jiān)控；要對指定的施工棧橋平臺上部署的傳感器信息實時進行采集。于是沿棧橋護欄端每100 m架設一個無線基站桿，基站桿上部署一個紅外高速球機和一個無線定向天線，形成一個無線熱點；并通過無線網橋將數據及視頻信息傳輸至棧橋兩端的項目部。通過上述部署，在整個棧橋施工平面上實現了無線覆蓋，如圖1所示。

在WLAN通信中，遠距離傳輸的前提是視距可見，而棧橋沿線具備此條件。根據棧橋的現場情況，在第39號平臺各部署一個無線基站桿。并在各自項目部基地視距可見位置，布設無線天線基站桿。無線基站桿上放置定向無線AP(Wireless Access Point)，實現棧橋到項目部的通信鏈路暢通。通過第39號平臺無線AP背靠背鏈接，實現兩部分棧橋、項目部無線網絡的溝通。項目部的無線AP鏈入各自的數據采集中心，數據采集中心再通過電信運營商的骨干網絡鏈入互聯(lián)網。

圖1 方案系統(tǒng)框圖

針對視頻監(jiān)控，在項目部部署視頻服務器、監(jiān)視器組建監(jiān)控中心。監(jiān)控中心發(fā)出的對于云臺、鏡頭等的控制指令通過無線網橋傳送到各監(jiān)控點。現場傳回的視頻圖像可存儲在服務器硬盤上，能方便快捷地實現視頻資料的存儲、更新、查詢、備份。

針對數據采集，通過無線AP獨立的SSID(Service Set Identifier)及獨立的網橋，將數據傳輸到項目部。視頻數據和采集數據的傳輸信道的分離，可以保障兩個系統(tǒng)相對獨立，提高各自的傳輸帶寬，避免了彼此傳輸帶寬的競爭。

為了保障棧橋及項目部數據信息安全，在接入電信運營商的入口處，部署防火墻設備，配置VPN。通過這樣的安全設置，能夠實現用戶通過互聯(lián)網快捷、安全地了解棧橋施工現場信息。項目部的數據通過數據庫實時復制技術，將數據信息實時傳輸到遠程的數據監(jiān)控處理中心，進行數據整理和分析，并提供數據訪問接口，供其它應用系統(tǒng)，例如移動客戶端APP訪問數據。

3 關鍵技術

3.1 易于現場部署的無線基站桿設計

傳統(tǒng)上無線基站桿都是線下裝配完畢后，再吊裝焊接安裝，這樣需要幾個相關工種彼此配合，影響施工進度。沿海棧橋特點是施工場地狹窄，工作時間受氣候影響較大，若按傳統(tǒng)施工工法，基站桿安裝進度會比較緩慢。本項目定制的監(jiān)控桿基站桿頂部為可拆卸設計，桿頂部有鎖扣及固定裝置，底部有線纜引出口。并且，留有視頻攝像頭接口，方便安裝視像頭[3]。

通過這種設計，可以先成批進行基站桿的吊裝焊接安裝，然后再由相關技術人員統(tǒng)一進行設備上架安裝。這樣，將多工種合作配合流程轉變?yōu)閱喂しN單向流程，大大提高了工作效率。

另外，由于無線網橋的定向特點，固定無線AP采用多角度可調整的鴨嘴夾設計，通過相關無線功率測試設備，確定好最優(yōu)的角度后，再予以固定。

3.2 防止信道間干擾的AP配置

棧橋是線性的布局，在一個方向上部署了多個AP后，會導致信道間的干擾。根據WLAN的規(guī)范，2.4 GHz頻段，共設11個子信道，但是由于子信道分布的重疊性，在該頻段內最大不會互相重疊的信道只有3個，即某一個區(qū)域，同時接收到的無線信號所占用的子信道將不能超過3個。當AP同時嘗試傳輸數據的時候，會發(fā)生數據傳輸沖突，AP必須等待一段時間之后再次嘗試進行數據傳輸，這將會影響整個WLAN系統(tǒng)數據傳輸性能。為此，需要在轉發(fā)AP上做相關的配置，最大限度減少信道干擾的產生。傳統(tǒng)上，會采用相隔較遠的信道，比如1、6、11信道等，但是棧橋上部署的AP比較多，又幾乎部署在同一個直線上，這個方式很難實施，通信效果較差。

這里，采用支持2.3 G～2.7 G 超寬頻段的AP，它可以提供100個信道選擇，避免2.4 GHz頻段擁擠干擾，帶寬最大100 M，不必再為2.4 G 的信道較少而擔心串擾問題。在實際部署中，對AP設置為40 MHz高吞吐量模式，提高數據傳輸速度。另外，因為施工現場會不可避免產生AP間視距的偶爾遮擋，2.4 G繞射能力相對較強，所以，應該優(yōu)先采用2.4 G頻段的AP，而不是5 G頻段的AP。

通過這些配置，在棧橋施工現場的無線AP的性能得到了很好的保證，保障了數據的安全快速的傳輸。其性能效果如圖2所示。

圖2　AP性能情況

3.3 傳感器采集系統(tǒng)的485/422接口轉換

串行通信方式(RS-232、RS-485/422等)因為易于實現、成本低廉的特點，在工業(yè)現場、傳感器數據采集方面廣泛應用。通過無線局域網方式構建的施工現場通信網絡原理上還是一種以太網絡，所以需要在串行設備和遠端監(jiān)控設備中間增加一級轉換單元，即485/422接口轉換以太網設備[4]。這里，在傳感器端部署了協(xié)議轉換器，將串行信號數據轉換為以太網數據，通過以太網交換設備連接無線AP，再通過施工現場的無線局域網，傳輸到項目部的采集設備中。協(xié)議轉換器采用透明串口通訊模式，在項目部端,采集設備通過虛擬串口服務這種方式，實現了通過以太網絡與傳感器數據的透明交互，如圖3所示。這樣，就把近端的數據采集，轉變成了遠程數據采集，避免了施工現場及氣象環(huán)境對采集工作的影響。例如，海洋流速儀的數據采集就是通過這種方式實現了全天候條件的不間斷的數據傳輸，而不再是傳統(tǒng)的頻繁打撈海洋流速儀、人工讀取數據方式。

圖3　485/422轉換以太網示意圖

3.4 異地數據備份機制

對于長期的監(jiān)測系統(tǒng)而言，近現場端的數據處理能力受到現場條件的制約，計算能力和帶寬吞吐都很難滿足監(jiān)測系統(tǒng)功能對數據的需求。這里，監(jiān)測數據存儲在近現場端服務器不同的數據庫中，采用了Mysql數據庫的Multi-Source(多源)復制技術。通過數據庫復制的CHANNEL(通信渠道)的方式，將不同數據庫中的不同數據表的數據，遠程實時匯集到遠程的數據中心[5]。如圖4所示。每一個通信渠道都是從主服務器獲得一個二進制日志的鏈接。這意味著每個通信渠道都得有一個IO_THREAD。對于每一個主服務器，需要運行不同的 “CHANGE MASTER” 命令，需要用到 “FOR CHANNEL”這個參數來提供通信鏈接的名字：

CHANGE MASTER MASTER_HOST=…

圖4　多源數據庫復制技術

MASTER_USER=… FOR CHANNEL=”name_of_channel”;

由于復制技術是從遠端主動訪問近現場端獲取數據，若近現場端不是運營商專網接入，IP地址是不固定的，通信是無法保證的。為此，可以采用DDNS(Dynamic Domain Name Server,動態(tài)域名解析服務)結合端口映射技術手段，構建遠端穩(wěn)定地訪問近現場端的數據通信通道。

4 結束語

通過上述方案的成功實施，為北東口水道特大橋棧橋施工現場提供了穩(wěn)定、高速的無線通信網絡環(huán)境。通過這個環(huán)境，不僅能夠傳輸現場與項目部間的信息數據，也可以快速傳輸現場的視頻監(jiān)控信息，為科學、合理、安全的施工提供了有力的支撐。該方案能夠在近?？量痰臍庀蟓h(huán)境下成功運行，為其他類似環(huán)境下的施工現場數據通信環(huán)境建設提供很好的借鑒和示范。

參考文獻

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[2]劉維穆,劉厚泉.無線局域網IEEE802.11n標準分析[J].信息通信,2008(4):36

[3]趙 強.一種攝像頭電桿:中國,201520691536.2[P].2015-09-08

[4]馬修才,馬尚昌,張素娟,等.串口設備聯(lián)網及其關鍵技術分析[J].成都信息工程學院學報,2014(6):24-25

[5]張偉麗，姜春華， 魏勁超．MySQL 復制技術的研究及應用[J]．計算機科學，2012(11A):168-170

On the Design and Deployment of the Wireless Network for Monitoring the Safe Construction of Offshore Bridges

Yan Shiqiang1,Li Yiqiang2

(1.Centre of Modern Educational Technology, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;

2.Structure Health Monitoring and Control Institution,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

Abstract:To meet the requirements in monitoring the safe construction of railway bridges in complex climatic environments, put forward in the paper is a scheme of deploying a wireless net for monitoring at the construction site.Being easy to carry out at the site,the scheme may be integrated into the traditional industrial communications agreements. After being rationally deployed,the wireless net for monitoring, enjoying a comparatively great band width, may provide reliable communications support in the collection of the site videos and data.By making use of the database-copying technology,the data-sharing between the construction site and the far-range data-processing centre may be realized,with the capability of data-processing upgraded,and the security of the data improved.The successful application of the scheme to the Fu-Ping Railway provides a useful reference for the construction of wireless network at other construction sites in similar environments.

Key words:bridge construction;wireless network;database replication;safe monitoring

中圖分類號：U445

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)02-0061-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.017

作者簡介：嚴世強(1973—)，男，高級工程師，主要從事計算機網絡及應用技術研究工作yanshq@stdu.edu.cn

收稿日期：2015-12-08