鄭朋飛，楊 康，韓家山，陳新培，何平根

(中船雙瑞(洛陽)特種裝備股份有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引言

橋梁健康監(jiān)測技術起步于20世紀80年代,最初主要用于測量橋梁應變、位移和溫度數(shù)據(jù),后增加風力和結構動力等監(jiān)測內(nèi)容,隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,監(jiān)測系統(tǒng)逐步向?qū)崟r監(jiān)測、同步分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共享等方向發(fā)展[1]。橋梁建設的高速發(fā)展使我國在橋梁設計理論、建造技術及建橋裝備等方面已經(jīng)達到國際領先水平[2],但隨著橋梁服役年限的增長,服役環(huán)境的惡化,橋梁的安全與健康保障問題日益凸顯[3],傳統(tǒng)的管養(yǎng)模式呈現(xiàn)人工化、碎片化、低共享性以及評估標準不統(tǒng)一的特征,難以滿足現(xiàn)代橋梁建設與管養(yǎng)發(fā)展需求。因此,開展橋梁結構運營期間狀態(tài)的健康監(jiān)測和檢測,有助于制定科學的評估養(yǎng)護決策,其已成為當今世界范圍內(nèi)的研究熱點[4-8],橋梁建設與運營期間的健康監(jiān)測實現(xiàn)智能化監(jiān)測、智能化管理和智能化決策對促進經(jīng)濟發(fā)展和保障生命安全具有雙重意義。

近年來,橋梁結構安全與健康保障問題越來越受到人們的關注,橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為保障橋梁安全運營的重要手段之一,但同時也面臨著很多亟待解決的問題,如橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在海量多源異構數(shù)據(jù)采集困難、數(shù)據(jù)傳輸滯后、通訊距離有限、設備功耗高以及數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)共享等問題。針對上述描述的問題,本文設計了一種基于LoRa+云服務的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構的基礎,充分利用LoRa技術的功耗低、自組網(wǎng)快捷和通訊距離遠等特點將數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關連接,實現(xiàn)橋梁結構從整體到局部的實時監(jiān)測,然后通過遠程無線通訊技術將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到橋梁健康監(jiān)測云平臺,利用云服務器強大的數(shù)據(jù)存儲和計算能力,建立完善的橋梁集群健康監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺。該系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)監(jiān)測模式下“信息孤島”的現(xiàn)象,具備低功耗性、擴展能力強、系統(tǒng)組網(wǎng)便捷、運行成本低等優(yōu)勢,可以滿足橋梁實時數(shù)據(jù)的遠程采集,實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的深度共享。

1 基于Lora+云服務的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體架構設計

本文結合LoRa、云服務和移動通訊等技術提出的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的三層架構,主要由橋梁數(shù)據(jù)感知層、橋梁健康監(jiān)測云服務層和應用層三部分組成,其系統(tǒng)框架結構如圖1所示。該系統(tǒng)可以為橋梁相關企業(yè)和用戶在橋梁運營狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與集成、數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)評估、管理等方面提供一套完整的解決方案,確保橋梁安全運營,延長橋梁使用壽命。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)功能

1)實時數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用LoRa數(shù)據(jù)采集終端采集各節(jié)點傳感器實時數(shù)據(jù),降低系統(tǒng)復雜程度,同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程實時無線傳輸。

2)多源異構數(shù)據(jù)集成。數(shù)據(jù)的多源異構性和應用服務的多樣化對數(shù)據(jù)的集成提出了更高的要求。采集設備采用的標準不一致將導致采集的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多源異構的特性,因此在系統(tǒng)內(nèi)搭建一個數(shù)據(jù)轉換層,將多源異構的數(shù)據(jù)轉換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式,方便數(shù)據(jù)的調(diào)用。

3)基于Web的云服務發(fā)布。用戶可以根據(jù)自己的需要通過對應的協(xié)議或者可編程的Web組件請求自己需要的服務。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

本監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要由LoRa數(shù)據(jù)采集終端和LoRa數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關組成。LoRa數(shù)據(jù)采集終端一方面負責現(xiàn)場節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)的采集與控制;另一方面接收并執(zhí)行網(wǎng)關下發(fā)的控制命令。LoRa數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關是整個監(jiān)測系統(tǒng)硬件的核心,控制系統(tǒng)內(nèi)各數(shù)據(jù)采集終端,同時對上傳的數(shù)據(jù)進行多源異構集成,最后將同構化的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給云平臺的數(shù)據(jù)存儲服務器,為云平臺進行橋梁健康狀態(tài)分析與評估提供數(shù)據(jù)基礎。

2.1 LoRa采集節(jié)點布置方式

LoRa的全稱為“Long Range Radio”,是一種低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)無線標準,主要采用窄帶擴頻技術,實現(xiàn)了低功耗和遠距離通訊的統(tǒng)一,抗干擾能力強[9]。本監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關節(jié)點之間采用星型網(wǎng)絡拓撲結構相連接,系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關作為數(shù)據(jù)傳輸中央節(jié)點,與各數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)傳輸和指令交互,各數(shù)據(jù)采集節(jié)點直接與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關節(jié)點進行遠程通信,有效降低系統(tǒng)復雜度并降低網(wǎng)絡傳輸延遲,提高了網(wǎng)絡容量,其系統(tǒng)采集節(jié)點拓撲結構如圖2所示。

2.2 LoRa數(shù)據(jù)采集終端

LoRa數(shù)據(jù)采集終端負責采集各節(jié)點傳感器數(shù)據(jù),同時還需要通過LoRa的組網(wǎng)網(wǎng)絡與網(wǎng)關節(jié)點完成傳輸數(shù)據(jù)和命令交互,其關系到整個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實時性和穩(wěn)定性。本文設計了8路的模擬量輸入和8路的數(shù)字量輸入的LoRa數(shù)據(jù)采集終端,其主要包括以下模塊:LoRa終端節(jié)點模塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、電源模塊等模塊,其結構如圖3所示。

2.3 LoRa數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關

LoRa數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關在硬件設計時需考慮橋梁特殊的工作環(huán)境,必須保證數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關的穩(wěn)定運行。在硬件系統(tǒng)上考慮搭建Broadcom最小系統(tǒng),在嵌入式操作系統(tǒng)的基礎上擴展各功能模塊,主要由控制器模塊、電源模塊、LoRa主站通信模塊、RS485串口通信模塊、本地數(shù)據(jù)存儲模塊、移動通訊模塊等組成,其數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關硬件系統(tǒng)的結構框架如圖4所示。其中LoRa主站通信模塊和RS485串口通信模塊負責結束數(shù)據(jù)采集終端采集的數(shù)據(jù);電源模塊主要由電源開關和電流穩(wěn)定器組成,以保證數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關電流的整體穩(wěn)定;移動通訊模塊主要是實現(xiàn)網(wǎng)關與云服務器之間的遠程通訊,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸功能;控制器模塊是整個數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關的核心,選用Linux操作系統(tǒng)的Raspberry作為核心部件,其內(nèi)置高性能的CPU可以滿足數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關控制的需求;此外,該網(wǎng)關還設置了本地存儲模塊,可以根據(jù)設計需求采用不同規(guī)格的TF存儲卡來滿足數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關操作系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)存儲的要求。

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關作為數(shù)據(jù)采集終端與云服務器之間的“橋梁紐帶”,在功能上需要滿足對復雜通訊協(xié)議和控制算法的運行需求,且能滿足多源異構設備及系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)采集與集成,最終可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與遠程傳輸,達到數(shù)據(jù)共享的目的。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集終端軟件設計

數(shù)據(jù)采集終端在負責各節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)采集的同時還需要完成傳輸數(shù)據(jù)和命令交互,當數(shù)據(jù)采集終端接收到數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關節(jié)點下發(fā)的命令后,首先針對指令的CRC進行校驗,在無誤的條件下根據(jù)指令中的幀命令的操作要求執(zhí)行對應的操作指令,即針對對應節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄木W(wǎng)關節(jié)點,終端節(jié)點設備軟件工作流程如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關軟件設計

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關負責將現(xiàn)場相關設備的信息進行采集與集成,經(jīng)過網(wǎng)關集成層的語義、語法集成后,解決了不同設備之間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不相同和數(shù)據(jù)多源異構的問題,在完成數(shù)據(jù)的同構化處理后將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲節(jié)點,數(shù)據(jù)存儲節(jié)點通過移動無線通訊網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至云服務器,完成感知層的數(shù)據(jù)采集與集成,其軟件工作流程如圖6所示。

3.3 健康監(jiān)測云平臺設計

橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)云平臺利用云服務強大的數(shù)據(jù)存儲和計算能力,為橋梁健康監(jiān)測提供海量存儲、超級計算、動態(tài)擴展等優(yōu)秀服務。橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)云平臺用于存儲、處理、分析、展示和查詢橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù),可以根據(jù)應用層的需求動態(tài)調(diào)用相關數(shù)據(jù)和模型進行數(shù)據(jù)集成和分析,然后進行橋梁健康狀態(tài)的評估,最后通過Web服務提供統(tǒng)一的應用數(shù)據(jù)訪問接口,用戶通過計算機或者移動智能設備訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)云平臺,實現(xiàn)橋梁健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時共享,打破傳統(tǒng)監(jiān)測模式下“信息孤島”的現(xiàn)象。

健康監(jiān)測云平臺系統(tǒng)采用JAVA,JavaScript,HTML和CSS等技術開發(fā),云服務器采用阿里云服務器,云平臺兼容目前各大主流瀏覽器,其功能模塊如圖7所示。健康監(jiān)測云平臺主要由項目管理、配置管理、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)評估和系統(tǒng)管理五大功能模塊組成,共同實現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時共享、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)展示等功能。系統(tǒng)用戶可以通過Web網(wǎng)頁或者移動端APP遠程登錄健康監(jiān)測云平臺,直觀地查看到不同橋梁健康監(jiān)測項目的實時數(shù)據(jù)。

3.4 網(wǎng)關轉發(fā)和斷點續(xù)傳

為滿足橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測的功能,數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關接收到數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)后,利用移動通信技術與云平臺數(shù)據(jù)服務器之間進行數(shù)據(jù)遠程傳輸。當數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關與數(shù)據(jù)服務器之間建立通信后并保持常連接狀態(tài),然后健康監(jiān)測云平臺對數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關進行身份認證,當驗證通過后數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關傳輸加密的數(shù)據(jù)包[10],其網(wǎng)關通信流程如圖8所示。

面對橋梁復雜的工作環(huán)境,在數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關傳輸?shù)倪^程中若出現(xiàn)系統(tǒng)斷電或者通訊信號不佳等情況導致數(shù)據(jù)傳輸失敗的情況,系統(tǒng)采用斷點續(xù)傳的通訊方式,即監(jiān)測系統(tǒng)利用本地存儲模塊,當供電恢復或信號恢復后,將本地存儲的數(shù)據(jù)按照時間戳進行打包加密,再遠程傳輸?shù)皆破脚_的數(shù)據(jù)服務器,保證數(shù)據(jù)可追溯及完整性。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)于驗證

基于LoRa+云服務的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計完成后,為驗證系統(tǒng)的可行性在實橋上開展監(jiān)測系統(tǒng)的相關應用測試。本文選取位移傳感器、溫濕度傳感器、裂縫傳感器以及測力傳感器等作為感知層的數(shù)據(jù)采集節(jié)點,LoRa終端節(jié)點模塊通過LoRa的組網(wǎng)網(wǎng)絡與網(wǎng)關節(jié)點完成傳輸數(shù)據(jù)和命令交互。系統(tǒng)設置定時上傳采集數(shù)據(jù),網(wǎng)關設置為實時監(jiān)聽模式,實時監(jiān)測各數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)據(jù)的變化情況,一旦監(jiān)測到上傳數(shù)據(jù),立即啟動通訊接口,接收實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過測試,結果表明監(jiān)測的穩(wěn)定性和實時性可以滿足需求,運行效果良好,其監(jiān)測系統(tǒng)橋梁梁體裂縫傳感器安裝示意和云平臺應用端如圖9,圖10所示。

5 結論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術與橋梁工程的不斷結合,對橋梁健康監(jiān)測的智能化提出了越來越高的需求,構建一個共享型、開放式以及多元化的健康監(jiān)測平臺已成為一種必然的趨勢。因此,本文基于LoRa+云服務技術設計了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),研制了健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件采集終端設備,開發(fā)了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的云平臺,并進行系統(tǒng)的搭建與驗證,得出的結論如下:

1)本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的三層架構,由橋梁數(shù)據(jù)感知層、橋梁健康監(jiān)測云服務層和應用層組成,系統(tǒng)具備拓展性強、數(shù)據(jù)傳穩(wěn)定且延時小、部署方便等特點,可以實現(xiàn)對橋梁結構進行多維度的信息監(jiān)測。

2)本系統(tǒng)利用LoRa星型自組網(wǎng)技術搭建了具備遠程無線傳輸?shù)臉蛄簲?shù)據(jù)采集系統(tǒng),實現(xiàn)了橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布式采集與集成,其具備組網(wǎng)便捷、功耗低以及擴展性強等特點,符合橋梁結構健康監(jiān)測的應用場景。

3)本文開發(fā)的橋梁健康監(jiān)測云平臺可以隨時隨地查閱各時段的監(jiān)測數(shù)據(jù),為專家進行橋梁健康狀態(tài)的分析提供數(shù)據(jù)支撐,同時用戶可以使用計算機或移動端APP訪問云平臺,獲取橋梁結構的健康狀態(tài)。若系統(tǒng)數(shù)據(jù)超出設定的閾值,云平臺觸發(fā)報警設置,并向相關用戶發(fā)送報警信息,保證橋梁的安全運營。