桥梁监测云平台建设设计方案.docx

1、桥梁监测云平台建设设计方案桥梁监测云平台建设设计方案1.建设背景随着国民经济的飞速发展,作为交通基础设施的公路桥梁,其建设也突飞猛进.桥梁结构具有数量最多,投资巨大,交通意义重大的特点,某些桥梁还具有军事战略和国防战备的特殊作用。因此,桥梁结构的健康监测得到了国内外的广泛关注。桥梁建成服役后,由于受环境,气候等自然因素以及日益增加的交通量及重车,超重车过桥数量的不断增加和人为事故的因素的影响,结构材料会被腐蚀和逐渐老化,桥梁自身结构设计缺陷以及长期的静,动力负载作用产生疲劳,使其强度和刚度随着时间的增加而降低,桥梁结构和构件发生不同程度的自然累积损伤和意外损伤,各种危害逐渐显现,桥梁的安全性和

2、耐久性退化的情况逐渐显现。 这些损伤如果不能及时得到检测和维修，轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则会导致桥梁突然破坏和倒塌。 近年来，我国陆续出现了多次重大桥梁事故。这些发生的事故与很多因素有关，但是缺乏有效的监测措施和必要的维修、养护措施是重要的原因之一。这些触目惊心的事故使得人们对现代桥梁的质量和寿命也逐渐关注起来。对桥梁结构进行质量检测和健康监测，已成为国内外学术界、工程界研究的热点。2.建设目标桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状况的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况异常严重时发出预警信号，为桥梁的维护维修和管理决策提供依据与指导。重大桥梁结构的健康监测

3、系统是改善桥梁运营状态、确保桥梁服务水平的根本措施。通过桥梁监测平台,保护国家财产和人民安全。通过合理的计算和分析对桥梁工作状态进行评估和预报，以确保桥梁管理者随时随地了解桥梁的安全运行状况，辅助进行科学决策。系统定位为：建设一套统一的标准桥梁健康监测平台。满足日益增长的桥梁监测工程。接入后期公司建设的其他各种桥梁数据。3.建设原则桥梁监测平台在项目建设过程中必须遵循以下原则：1.标准型。在项目建设过程中，必须做到数据统一，结构稳定，充分共享，消除“信息孤岛”的产生。2.扩展性。项目立足于现行的业务需要，同时为将来业务的发展及先进技术的应用留有充分的扩展余地，设计多扩展接口。在逐渐增加接入桥梁

4、时可以很简单容易扩展。3.易用性。贯彻“以用户为中心”的设计原则，从界面设计、功能设计、维护设计等方面着手，打造功能完善，界面友好易用，维护便利的桥梁监测平台。4.关联性。项目具备行业统一标准的接口，可以与其他系统交互数据。也可以为其他相关系统提供数据访问接口。4.监测需求对于不同监测桥梁，基础监测内容会有所差异。主要体现在监测类型的和监测参数的不同。不同监测类型对需要安装不同的监测设备传感器。对于本项目建设设计了监测类型管理和监测参数管理两部分来动态满足不同桥梁对于不同监测类型的需求。对于桥梁基础监测的主要监测类型和监测参数，以及需要基础分析内容基础如下表：传感器类型数据采集设备通信接口类型

5、监测参数 设备固有采样频率采集频率采集时长数据处理流程磁通量传感器磁弹仪RS485积分值、索力值、温度10分钟一次1小时一次3个周期数据的预处理，剔除畸点，滤波等功能写入实时数据库判断预警索力均值、极值索力与温度场相关关系分析振弦应变计振弦式数据采集仪RS485模数、应变、温度10分钟一次30分钟一次3个周期数据的预处理，剔除畸点，滤波等功能写入实时数据库判断预警应变均值、极值应变与温度场相关关系分析倾斜仪模数、角度数据的预处理，剔除畸点，滤波等功能写入实时数据库判断预警角度极值加速度传感器加速度采集仪RJ45加速度、幅值100Hz10分钟一次2分钟数据的预处理，剔除畸点，滤波等功能写入实时数

6、据库判断预警计算最大加速度计算模态参数识别(频率、振型、阻尼比) 1阶静力水准仪静态水准仪读数仪RS485沉降10分钟一次1小时一次3个周期数据的预处理，剔除畸点，滤波等功能写入实时数据库判断预警差异沉降量差异沉降日速率差异沉降月速率位移传感器数据采集器RS485位移量1分钟一次10分钟一次3个周期数据的预处理，剔除畸点，滤波等功能写入实时数据库判断预警索力均值、极值索力与温度场相关关系分析GPSGPS数据采集终端RJ45位移1Hz10分钟一次2分钟数据的预处理，剔除畸点，滤波等功能写入实时数据库判断预警位移极值压力传感器压力传感器读数仪RS232压力值1Hz1小时一次3个周期数据的预处理，剔

7、除畸点，滤波等功能写入实时数据库判断预警压力均值、极值压力与温度场相关关系分析5.使用技术介绍5.1.弹性计算ECS弹性伸缩自动为您调整弹性计算资源大小，以满足您业务需求的变化。弹性伸缩根据设置的伸缩规则，在业务需求增长时自动增加ECS实例以保证计算能力，在业务需求下降时自动减少ECS实例以节约成本。5.1.1.弹性扩张当您的业务升级时，弹性伸缩自动完成底层资源升级，避免访问延时和资源超负荷运行。可以配置云监控实时关注您的ECS实例使用情况。例如，当云监控检测到伸缩组内的ECS实例vCPU使用率突破80%时，弹性伸缩根据您配置的伸缩规则弹性扩张ECS资源，自动创建合适数量的ECS实例，并自动添

8、加ECS实例到负载均衡实例和RDS实例的访问白名单中。弹性扩张时，弹性伸缩使用伸缩组的ECS实例模板自动创建ECS实例，模板可以包括实例的规格、操作系统、用户自定义数据等信息。可以登录ECS管理控制台启动、停止ECS实例，也可以远程登录ECS实例修改系统配置。5.1.2.弹性收缩当业务需求下降时，弹性伸缩自动完成底层资源释放，避免资源浪费。可以配置云监控实时关注您的ECS实例使用情况。例如，当云监控检测到伸缩组内的ECS实例vCPU使用率低于30%时，弹性伸缩根据您配置的伸缩规则弹性收缩ECS资源，自动释放合适数量的ECS实例，并自动从负载均衡实例和RDS实例的访问白名单中移除ECS实例。5.

9、1.3.弹性自愈弹性伸缩提供健康检查功能，自动监控伸缩组内的ECS实例的健康状态，避免伸缩组内健康ECS实例低于您设置的最小值。当检测到某台ECS实例处于不健康状态时。弹性伸缩自动释放不健康ECS实例并创建新的ECS实例，自动添加新ECS实例到负载均衡实例和RDS实例的访问白名单中。5.2.云数据库RDS阿里云关系型数据库（Relational Database Service，简称RDS）是一种稳定可靠、可弹性伸缩的在线数据库服务。基于阿里云分布式文件系统和SSD盘高性能存储，RDS支持MySQL、SQL Server、PostgreSQL、PPAS（Postgre Plus Advance

10、d Server，高度兼容Oracle数据库）和MariaDB TX引擎，并且提供了容灾、备份、恢复、监控、迁移等方面的全套解决方案，彻底解决数据库运维的烦恼。5.2.1.相关服务阿里云数据库RDS版包含有MySQL、SQL Server、PostgreSQL、PPAS和MariaDB TX，可以在几分钟内创建出适合自己应用场景的数据库实例，迅速投产，按需付费。 阿里云在国内外多个地域部署了数据中心，并提供多线BGP骨干网线路接入。请根据目标用户所在的地理位置选择地域，从而提升用户访问速度。一般情况下RDS应该和ECS服务器选择在同一地域，这样您部署于ECS服务器中的应用和数据库之间的网络连接

11、效率是最高的。可用区是指在同一地域内，拥有独立电力和网络的物理区域，实现故障隔离。在同一地域内多个可用区采用高速链路互通，您可以选择将RDS与应用软件的ECS创建在同一可用区或不同的可用区，因为同一地域的不同可用区之间没有实质性区别。同时，MySQL在特定地域提供了多可用区部署的选择，也就是说，高可用版的主节点和备节点分别位于不同的可用区，从而提供跨可用区的容灾高可用能力。阿里云上的MySQL提供三种版本的实例：基础版、高可用版和金融版。5.3.云数据库Redis版云数据库Redis版（ApsaraDB for Redis）是兼容开源Redis协议标准、提供内存加硬盘的混合存储方式的数据库服务

12、，基于高可靠双机热备架构及可平滑扩展的集群架构，满足高读写性能场景及弹性变配的业务需求。云数据库Redis版支持字符串（String）、链表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）、哈希表（Hash）等多种数据类型，及事务（Transaction）、消息订阅与发布（Pub/Sub）等高级功能。通过“内存+硬盘”的存储方式，云数据库Redis版在提供高速数据读写能力的同时满足数据持久化需求。云数据库Redis版支持灵活的部署架构，提供的实例架构包括标准版-单副本、标准版-双副本、集群版-单副本、集群版-双副本、标准版读写分离和集群版读写分离实例，能够满足不同的业务场景。云数

13、据库Redis版作为云计算服务，其硬件和数据部署在云端，有完善的基础设施规划、网络安全保障、系统维护服务，确保用户可以专注于业务创新。5.4.云HBase X-Pack 5.4.1.HBase产品介绍云HBase 是基于 Apache HBase 及 HBase 生态构建的低成本一站式数据处理平台，又称为HBase X-Pack。HBase X-Pack支持：HBase API(包括RestServerThriftServer)、关系Phoenix SQL、时序OpenTSDB、全文Solr、时空GeoMesa、图GraphDB、分析Spark，是阿里云首个支持多模式的分布式数据库，且协议10

14、0%兼容开源协议。HBase X-Pack实现数据从处理、存储到分析全流程闭环，让客户用最低成本实现一站式数据处理。5.4.2.Hbase产品生态5.4.3.HBase产品架构5.4.4.X-Pack Spark介绍通过 X-Pack Spark 解决了复杂SQL分析、流式处理、机器学习、图计算等模型，且一个应用中可组合上面多个模型解决场景问题。另外 X-Pack Spark 原生支持多种语言开发，并且支持数据工作台等方式解决我们各种业务场景。6.建设框架6.1.总体方案6.2.逻辑架构6.2.1.数据采集架构桥梁监测系统采用物联网思维，基于智能数字传感技术、数据通信技术、数据库技术等进行设计

15、，如图所示。桥梁监测系统数据采集架构从逻辑架构上分为4层：最底层是传感网络层，由各种传感器（温度、压力等传感器）和数据感知采集节点构成，周期性进行各个监测参数的测量和数据采集；第二层为传输汇聚层，由分布式无线采集点、中继传输节点以及汇聚传输节点共同构成，完成采集数据导入到远端数据库系统；第三层为核心数据层，主要由桥梁基本数据和监测实时实时数据组成，为桥梁健康状况分析和预警提供重要的数据支撑；第四层为业务应用层，以可视化界面及简单明了的输出命令完成监测数据的分析。通过预警、显示和报表等形式，将桥梁健康监测信息提供给管理者的客户端。6.2.2.系统业务架构桥梁监测平台系统业务主要分为三层，分别是分

16、布式数据采集层，数据分析管理层，数据管理服务层。如下图：分布式数据采集层，是各个ECS服务中部署的数据采集服务组成分布式数据采集平台，采集各个管理区域桥梁的实时传感器数据。形成统一的数据管理平台。为上层数据分析提供及时可靠的数据支撑。数据分析管理层，主要负责对下层数据通过相关模型分析处理，形成分析结果，为上层提供分析数据服务。数据服务管理层，只要负责下层采集分析数据进行直观可视化展示，对于中间数据分析层数据得出分析结论，辅助决策支持。根据分析层数据生成业务告警等功能。 7.建设方案该项目建设需要满足用户日益增加的桥梁建设数量，需要根据不同桥梁数量接入情况调整接入方案。建设方案设计的核心是在原有

17、基础上增加新的服务或者组件进行扩展。前期设计需要能够满足该扩展要求。根据本项目情况，暂时暂定为三种不同接入数量的方案。随着接入数量的增加，在原先基础上扩展，不需要编码重构。这三种不同数量方案为：10座以内桥梁接入、1050座桥梁接入、50座以上桥梁接入。在监测桥梁接入过程中，需要考虑设备数据采集方式和数据传输信息安全。具体设计方案如下：7.1.接入10座以内桥梁10座以内桥梁数据接入为本项目建设最小单元，后期接入都是在该单元上逐渐扩展完成。10座以内桥梁接入建设方案如下图。在ECS弹性服务器中部署Web服务和数据采集服务。数据采集平台：负责实时数据采集上传。Web服务：负责桥桥梁监测、控制告警

18、等桥梁监测平台具体业务。内部数据接口如下图：数据采集服务采集现场传感器数据，并将数据插入到RDS-Mysql云数据库。在插入过程中调用桥梁监测web服务上的实时数据调用接口，该接口在系统内部会调用告警控制中心判断生成系统业务告警，同时将最新传感器数据写入到Nosql缓存数据库。桥梁监测web服务在进行正常业务服务时会从RDS-Mysql中调取业务数据，从Nosql缓存数据库中获取最新传感器数据。在10座以内桥梁接入时采用双机热备份技术。采用主-备方式(Active-Standby方式)。采用“相互心跳监测”方法保证主系统与备用系统的联系。一台服务器处于业务的激活状态(即Active状态)，另一

19、台服务器处于业务的备用状态(即Standby状态)。7.2.接入50座以内桥梁在监测50座以内的桥梁时，就需要面对比较高的数据并发访问，以及高频数据来不及写入RDS-Msql的问题。这时就需要引入负载均衡以及Hbase存储服务来解决上述问题了。50以内座桥梁需要在10座以内桥梁的监测平台上拓展。增加Web端负载均衡。同时增加Habse服务，将高频数据写入到该服务中。详细建设方案如下图：根据上线桥梁实际采集监测点位数量、数据采集频率、监测对象分布位置等关键信息扩展ECS服务，每个ECS服务中部署WebR服务和数据采集服务，修改Web服务存储接口配置支持Hbase数据读写，其余不变。内部数据调用方

20、式参考接入10座以内桥梁的流转方案。为平台添加Ngnix负载均衡服务，各个ECS服务互相注册。注：负载均衡Nginx可以处理大量并发连接，请求到来后，Nginx可将其转发给任意数量的后台服务器进行处理，这等于将负载均衡分散到整个集群。同时Nginx也提供了缓冲的机制，用于提高性能。没有缓冲的情况下，数据直接从后端服务器发送给客户端。缓冲的作用是在Ng：inx上临时存储来自后端服务器的处理结果，从而可以提早关闭Nginx到后端的连接，减少IO的损耗。一般内容存放在内存当中，但当内容过多，造成的内存不够时，会把内容存放在临时文件目录下。7.3.接入50座以上桥梁50座以上桥梁接入系统，会在数据采集

21、瞬间形成巨大数据写入压力，这样单独的负载均衡服务就很难应对这瞬间的高并发。这时就需要调整系统架构，引入消息，队列服务kafka。Kafka是一种分布式的，基于发布/订阅的消息系统。以时间复杂度为O(1)的方式提供消息持久化能力，即使对TB级以上数据也能保证常数时间复杂度的访问性能；高吞吐率。即使在非常廉价的商用机器上也能做到单机支持每秒100K条以上消息的传输；支持Kafka Server间的消息分区，及分布式消费，同时保证每个Partition内的消息顺序传输。同时支持离线数据处理和实时数据处理。 Scale out：支持在线水平扩展50座以上桥梁接入平台，需要在原来接入50座以内桥梁的架构

22、上扩展。原来50座桥梁数据接入方案不变，数据存储流转方式也都不改变。在此基础上，根据业务情况扩展ESC服务。不同ECS之间形成对机热备。详细方案如下图：新创建Kafka消息队列服务。数据采集平台、桥梁监测web数据写入接口为Kafuka消息队列的生产者（product），写入统计分析结果等数据，桥梁监测web基础功能服务是kafuka消息队列的消费者（consumer）如下图。新扩展的服务ESC中同样部署web服务和数据采集服务，同时各个服务之间相互注册Nginx服务。7.4.设备数据采集方案桥梁数据采集项目采用多种传感器及采集器，接口种类包括：RS485、RJ45等，通讯协议各不相同，均为采

23、集器厂家自有协议。因此数据采集需要针对每个采集器的通讯协议编写数据读取软件，并搭建数据服务器或写入上层应用接口，以实现数据对接。现场串口采集设备通过RS485将信号传送至工业串口服务器，转为RJ45输出，在将信号传送至统一的4G网关，通过此网关将传感器信号传回服务器。RJ45接口设备通过工业路由器将信号统一传送至4G网关后，传回服务器。网络拓扑结构如下图所示：数据服务器端编写专用数据采集软件。主要功能是按照系统要求的采集方式，向数据采集设备发送读取数据的命令，将采集设备回传数据帧进行校验，拆解后得到传感器测量值，并将测量值写入缓存队列或RDS服务，同时调用指定接口。工业串口服务器采用透传方式，

24、不修改指令数据帧，以便能够准确读回采集仪的传感器测量数据。数据采集方式为按照固定时间间隔采集，每种采集设备不相同。预设时间间隔到达时，开始按照设备固有采集频率采集设备数据，采集持续时间到达预设值时停止采集。7.5.数据传输信息安全方案因为该平台需要传输数据种类众多，并且数据传输都再公网上进行。虽然阿里云数据传输已经相对安全了，但是针对与本系统还是系统内部需要考虑数据传输安全。对于本项目提供的信息安全解决方案是采用数字签名方式对于数据加密，解密。数字签名算法可以看做是一种带有密钥的消息摘要算法，并且这种密钥包含了公钥和私钥。也就是说，数字签名算法是非对称加密算法和消息摘要算法的结合体。数字签名算

25、法要求能够验证数据完整性、认证数据来源，并起到抗否认的作用。数字签名算法包含签名和验证两项操作，遵循私钥签名，公钥验证的方式。签名时要使用私钥和待签名数据，验证时则需要公钥、签名值和待签名数据，其核心算法主要是消息摘要算法。常用算法有RSA、DSA、ECDSA8.建设内容8.1.系统描述8.1.1.系统功能模块列表桥梁监测平台系统管理用户管理单点登录角色管理菜单管理系统参数文件管理登录日志基础管理项目管理桥梁管理测点管理设备管理传感器管理监测类型监测参数监控中心工程概况监测概况监测布置数据分析基础变位结构应力结构动力响应综合预警阈值设置实时预警历史预警预警分析评估报告大屏展示首页8.1.2.核

26、心模块介绍系统管理模块是对于用户、权限、角色、日志、系统参数等的基础管理。是系统运行的基础模块。基础管理模块是对于项目管理、桥梁管理、测点管理、设备管理、传感器管理、监测类型管理、监测参数管理。是桥梁监测平台的核心功能基础模块，为整个平台的正常运行提供基础数据。监控中心是展示工程情况、监测概况（测点汇总，传感器汇总）、监测布点情况。是该平台的展示模块，主要面向使用业主开放。数据分析模块是系统的核心模块，主要对于采集数据进行相关模型分析，具体分析情况描述如下表：数据分析基础变位静力水准仪结构倾斜（振弦应变计）伸缩缝位移（位移传感器）GPS结构应力结构应变（振弦应变计）拉索应力（磁通量、压力传感器

27、）结构动力响应振动（加速度传感器）综合预警模块主要包含实时告警，历史告警分析，综合告警阈值设置。等功能，是系统业务模块。评估报告是按照指定时间生成桥梁监测报告。大屏展示主要面向客户，主要展示桥梁运行情况，数据分析结论，数据上线情况等。8.2.详细功能简介8.2.1.大屏展示桥梁所在地理信息。桥梁基础信息。实时告警信息统计（告警不同等级数量统计、告警分类统计）具体情况如下图。8.2.2.系统首页地图显示桥梁概况监测上线率实时告警占比分析实时告警情况单个桥梁运行情况8.2.3.系统管理8.2.3.1.用户管理系统管理员管理系统的登陆用户,可以配置角色,获得菜单访问权限。添加、修改、删除、查询、重置

28、密码、修改用户参数，修改用户角色。用户管理8.2.3.2.角色菜单管理管理系统的角色,不同角色分配不同菜单。设置不同的数据权限角色菜单管理角色名称描述系统管理员（一级管理员）系统参数维护,监测整个系统相关信息项目管理员（二级管理员）项目,桥梁数据维护，关联项目和使用业主。使用业主查看和自己相关项目、桥梁数据8.2.3.3.数据权限系统不同角色所关注数据范围不同。本系统数据管理最小单位为桥梁。数据权限包括：本桥梁数据其他桥梁数据数据权限8.2.3.4.系统权限系统权限包括页面权限和按钮权限。根据用户角色生成页面菜单。8.2.3.5.登录日志登录日志8.2.4.基础数据维护8.2.4.1.项目管理

29、项目管理员维护建设项目（已建成/在建设）基础信息。添加、修改、删除、查询。项目管理8.2.4.2.桥梁管理项目管理员维护项目内桥梁基础信息，桥梁模型（或者设计结构图）。维护桥梁基础信息。添加、修改、删除、查询。监测对象8.2.4.3.桥梁测点管理项目管理员维护单个桥梁下监测点位信息。添加、修改、删除、查询。8.2.4.4.采集设备管理项目管理员管理已经安装完成的采集设备（设备名称，设备编号，设备型号，使用情况，安装时间）。选择该设备安装测点位置。添加、修改、删除、查询。采集传感器管理8.2.4.5.监测类型管理管理员可以根据生产需要创建检测类型，删除，修改。8.2.4.6.监测参数管理不同监测

30、类型会对应不同监测参数。管理员可以创建、删除、修改不同监测类型下的监测参数。8.2.5.监控中心8.2.5.1.工程概况 以桥梁为单位展示桥梁建设工程情况。可以上传PDF介绍文档。可以展示不同监测类型下当前选中桥梁告警情况，不同颜色的显示不同的告警等级。如下图。8.2.5.2.监测概况可以综合查看不同桥梁测点情况，不同测点安装设备情况。8.2.5.3.测点布置管理员可以在桥梁不同视角的工况图上标注关联测点。关联完成后点击不同标注点显示该测点当前实时采集数据。8.2.6.数据统计根据需求根据统计分析如下信息。具体需要参考专业分析工程算法。索力均值，极值。时、天、月、季索力温度关系。时、天、月、季应变均值，极值。时、天、月、季应变温度关系。时、天、月、季角度极值。时、天、月、季最大加速度。分、时、天、月、季模态参数识别。时、天、月、季差异沉降量。时、天、月、季差异沉降日速率。时、天、月、季差异沉降月速率。