我國山地約佔全國土地總面積的三分之二，其特殊的地形條件給大跨度橋樑的建設帶來了前所未有的挑戰。都格北盤江大橋正是這樣一座極具西部山區特點的特大跨度斜拉橋。為保證大橋建、管、養的高效性，建設者們針對大橋特點以及後期運營養護中存在的問題，提出了“全過程動態信息化管理”的方案，並首次在橋樑工程中提出並採用了二維碼技術。此外，大橋設計者還採用雲技術，研發並建立了一個集建、管、養於一體的橋樑管養綜合信息化平臺。
雲計算的應用場景
橋樑管養綜合信息化平臺，綜合採用現代傳感物聯網技術、網絡通信技術、數據庫技術、軟件集成技術等，通過佈設傳感器感知橋樑環境交通荷載、結構響應，通過數據庫存儲與分析技術來獲取橋樑關鍵技術參數，進行預警和橋樑評估。同時結合電子化人工巡檢系統進行技術狀況評定，為橋樑管理養護提供服務。
都格北盤江大橋採用雲技術對信息化橋樑平臺進行超前設計和研究，並使用雲端技術使橋樑養護管理向移動互聯方向發展。支持手機和PAD終端，便攜、方便、快速進行數據錄入、數據同步、數據查詢。
北盤江大橋雲技術應用主要體現在以下（如圖1）——
1.橋樑基礎信息雲：採用雲技術來進行養護綜合平臺存儲設計和驗證。
2.橋樑監測養護信息雲：採用雲技術來同步橋樑管養信息、巡檢信息。
3.橋樑分析決策雲：採用雲技術進行提取、分析和大數據挖掘。
圖1 系統概況圖
橋樑養護“雲”管理
雲計算（cloud computing），分佈式計算技術的一種，其最基本的概念是透過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統經搜尋、計算分析之後將處理結果回傳給用戶。透過這項技術，網絡服務提供者可以在數秒之內，處理數以千萬計甚至億計的信息，提供和“超級計算機”同樣強大效能的網絡服務。
雲計算的基礎是互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。雲是網絡、互聯網的一種比喻說法。過去在圖中往往用雲來表示電信網，後來也用來表示互聯網和底層基礎設施的抽象。狹義雲計算指IT基礎設施的交付和使用模式，指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需資源；廣義雲計算指服務的交付和使用模式，指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需服務。這種服務可以是IT和軟件、互聯網相關，也可以是其他服務。它意味著計算能力也可作為一種商品通過互聯網進行流通。
長大橋樑結構健康監測系統可以用雲計算來解決數據存儲、查詢、業務數據、業務分析等的優化。
大型橋樑結構複雜，結構在長期服役過程中的環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應與突發災害等災變因素的耦合作用下，將不可避免地導致結構和系統的損傷積累和抗力衰減。為了保障大橋在運營中的安全，避免災難性事故的發生，需將自動化健康監測技術與人工巡檢技術相結合，構建一個技術先進、措施合理、實用經濟、易於管理、開放兼容、符合管養需求的橋樑管養綜合信息化平臺。
採用雲技術可以很好地服務於橋樑管理養護。雲計算有4種典型的部署模式：私有云、社區雲、公有云、混合雲。
私有云是為一個客戶單獨使用而構建的，可提供對數據安全性和服務質量最有效的控制。公有云是放在Internet上的，只要是註冊用戶、付費用戶都可以用。
社區雲是大的“公有云”範疇內的一個組成部分,是指在一定的地域範圍內，由雲計算服務提供商統一提供計算資源、網絡資源、軟件和服務能力所形成的雲計算形式。即基於社區內的網絡互聯優勢和技術易於整合等特點，通過對區域內各種計算能力進行統一服務形式的整合，結合社區內的用戶需求共性，實現面向區域用戶需求的雲計算服務模式。
混合雲是公有云和私有云的混合,大多數是指私有云建設好了,但是很多資源(計算能力或存儲空間)不夠用，所以還得動態的在公網上申請公有云作為自己私有云的補充。
北盤江大橋採用混合雲，包括公有云和私有云。混合雲的每個組成部分（雲）仍是單獨的實體，它們通過規範化的或專門的技術捆綁到一起，使數據和應用程序在這些雲之間具有可移植性。北盤江大橋信息追蹤系統使用的是橋樑養護信息雲，通過雲端信息更新與同步，來了解每個杆件的基礎信息、位置和狀態。橋樑養護信息雲設置在公有云上，主要是養護信息數據量有限，而且方便擴展。數據存儲所在的橋樑基礎信息雲搭建在私有云上面，可以更好地保證橋樑數據的安全性和本地數據訪問的高效率，另外可以更好地保障數據的安全性。
橋樑基礎信息雲
橋樑基礎信息雲，是橋樑管養綜合信息化管理平臺的綜合基礎平臺。採用基於Hadoop雲存儲方案（如圖2）。
圖2 基礎信息雲架構
1.面向大數據量管理的Hadoop方案
Hadoop設計運行在廉價的PC集群上，通過維護多個工作數據的副本，確保當某數據節點出現錯誤的時候整個系統運行不受影響。Hadoop是一個並行計算框架，通過並行處理加快處理速度，能夠充分發揮計算機集群的優勢。
Hadoop集群能夠管理PB級的數據，具有極高的可伸縮性和擴展性。Hadoop集群簡化視圖圖下，通過唯一的NameNode管理系統裡面所有的DataNode，數據存儲和計算都發生在DataNode上。Hadoop通過MapReduce框架將計算移動到存儲節點DataNode上，因此能夠支持高效的數據處理。Hadoop下的系統構成如圖3所示。
圖3 雲計算架構
前端數據採集服務器仍然按照原來的方案設計和部署，連接數據採集器和傳感器，將採集到的橋樑健康數據通過UDP/TCP的方式發送到處理服務器上，不需要做特殊的改變。
中間層的數據處理服務器接到採集到的橋樑健康數據後，調用相應的算法庫完成對數據的野值剔除、滑動平滑、濾波、耦合等預處理，預處理後的乾淨數據發送給結構評估服務器顯示，並存儲到數據存儲雲中。
雲存儲將採用標準的Hadoop分佈式基礎架構，採用低廉的PC硬件，通過集群形成高速高效的雲存儲環境。
2.Hadoop雲方案的優勢
相對於傳統的數據庫集群方案，Hadoop雲方案的優勢如下——
①性價比高
Hadoop是完全開源的解決方案，整體運行在廉價的PC集群上，相對於其他基於數據庫的集群方案，性價比非常高。
以大型項目存儲和備份需求來測算，Oracle License是按照CPU數收費的，在四臺節點的情況，單純數據庫及RAC軟件的成本如表1。
表1 單純數據庫及RAC軟件的成本
如果加上管理軟件、數據同步軟件、災難備份，整個價格還會更高。相對來說，採用Hadoop為開源方案，僅有開發和維護成本，性價比優勢明顯。
②高可用性
Hadoop通過維護多個數據副本來保證數據的高可用性，數據副本保證了當其中一臺或幾臺出現錯誤的時候整個系統不受影響。傳統數據庫集群當存儲設備出現問題的時候，必須切換到備用存儲上才能正常繼續工作。
③高擴展性
Hadoop中的存儲PC是可以隨時被替換和更新的，可以支持的節點數也在持續增強，已知的百度Hadoop集群可以支持4000節點，基於Share Nothing的架構比基於Share Disk的數據庫集群具有更強的擴展性。
④管理維護方便
Hadoop通過NameNode管理所有的DataNode，Name Node的配置管理相對於Oracle RAC更簡單容易。採用Hadoop方案，傳統的現場數據庫及中心數據庫可以合二為一，統一用Hadoop存儲雲進行管理。
採用Hadoop測試服務器配置為Intel Pentium Dual CPU [email protected]+4G內存。SQLServer測試服務器配置為Pentium Dual-Core [email protected]+2G內存。
關於連接方式：Hadoop與SQLServer同樣在局域網內百兆網卡環境下測試。
考慮到Hadoop雲存儲架構CPU、內存等的可方便擴展，雲存儲的架構優勢會有很大提升。
橋樑監測養護信息雲
橋樑監測養護信息雲，基於橋樑基礎信息雲，由橋樑基礎信息雲提供數據支持。
橋樑監測養護綜合平臺採用自動監測和人工巡檢相結合的方式。對於必要的和適合的項目以及人員難以達到的部位，採用在線自動監測方式；對於其他需要進行檢查的橋樑範圍，採用人工巡檢的方式。
大型橋樑結構監測系統，通過WEB GIS統一平臺，展示本系統涵蓋範圍內的地形、地貌、結構物，以及主要系統設備、附屬物等信息，並可以實現查詢、統計、分析、定位等功能。
表2 數據庫集群與Hadoop原型測試結果
1.數據採集與傳輸
為了採集終端軟件調試與使用的方便和規範，各採集終端使用統一的軟件架構。針對不同的數據監測項，統一的軟件架構一方面使得上位機能通過一致的接口與採集終端交互命令、狀態與數據，方便用戶的使用。由於各採集終端的硬件配置多數並不一樣，再考慮到將來增加、改變測點，調整系統的可能性，數據採集終端的軟件必須是高度模塊化，便於開發人員增加新的測點、硬件。由於各個數據採集終端安放的位置比較遠，必須具有方便的接口使得開發人員、用戶能夠及時地改變系統設置。
2.數據處理與控制軟件
數據處理及控制服務器主要在數據採集服務器與結構評估服務器之間完成橋樑作用。此服務器的主要目的在於分擔整個系統的處理壓力，它主要完成數據處理、整合與存儲功能，完成現場設備的管理與控制，儘量減少結構評估服務器的處理任務。
3.數據實時顯示與預警
提供數據的採集和實時展示的功能，通過接受數據採集和傳輸子系統上送的數據，實時解算並進行初步分析，對處理結果進行展示。
以監測項為單位，將監測項所用傳感器類型、監測點所處位置、監測值進行整合，為用戶的使用提供了很大的便捷性和直觀性。用戶可以根據本模塊所提供的多種類型的橋樑結構相應數據，對橋樑狀況進行判定，對橋樑的結構狀況做到實時監控。提供實時數據預警。
4.巡檢軟件
巡檢軟件可以支持移動互聯網絡終端——手機和pad，以方便和雲端數據進行同步和交互。
5.杆件信息追蹤
基於二維碼技術，對北盤江大橋關鍵杆件進行信息追蹤。
針對信息化領域存在的技術瓶頸，擬從激光標刻、二維碼技術、數據中心、信息交互等方面進行研究，實現吊杆信息運營狀態全過程信息追蹤——
①吊杆基礎信息進行採集管理，通過準確追溯，可以隨時掌握其生產、質量、計量等信息，在對某些方面質疑時能夠提供產品無差錯證明。
②通過構件的二維碼快速讀取識別，獲取雲端信息，對運營期全過程進行全程質量監控與查詢，管理部門也可以通過追溯系統對其進行監管，一旦發生重大災害和安全事件，能夠快速、高效地追蹤溯源，及時處置。
③為每個關鍵構件預設病害類型，通過掃描附著在構件上的二維碼信息，選擇相應的病害信息並實時傳輸至雲端，實現整座橋樑工程的關鍵構件病害數據採集自動化、信息化。
④吊杆養護信息存儲與查詢，為每根吊杆進行信息化養護，通過二維碼識別與雲端同步，可以快速定位杆件、信息查詢、信息錄入（如圖4）。
圖4 基於雲技術的都格北盤江大橋信息追蹤系統服務器端界面
橋樑分析決策雲
1.數據管理與數據分析
大型結構健康監測系統數據分級進行存儲，包括實時數據庫、統計數據庫等。可以進行數據的查詢和管理、報表輸出。
大量的數據進行訪問，效率是非常重要的。這裡主要考慮數據的分級存儲，以減少數據的訪問壓力。
通過報表軟件，可以進行數據提取，包括實時監測數據和歷史統計數據。根據要求按照監測項，生產日報表、月報表、年報表等。
為方便用戶統計不同時間範圍內的數據報表，系統需要提供監測點的日報表、月報表、季度報表、年報表和用戶自定義時間段的報表等多種報表模式（如圖5）。
圖5 橋樑分析決策雲應用軟件界面
2.結構狀態識別與評估
主要包括預警模塊，該模塊將預警值置入數據庫，供用戶界面軟件進行調用。另外主要包括內力狀態識別、結構動力和振動特性、鋼結構疲勞分析、風場分析及風致振動分析模塊等。另外，通過巡檢獲得的數據，可以進行技術狀況評定，得到橋樑的技術狀況等級。
3.橋樑大數據挖掘
以橋樑分析決策云為中心，通過橋樑結構健康監測系統軟件平臺，進行橋樑數據分析、挖掘、診斷、應急管理。
主要用各種數據庫分析工具、工具軟件、自主開發的軟件進行數據挖掘和綜合診斷。比如可以針對具體橋樑進行風場分析、出風玫瑰圖等。對橋樑進行索力識別、模態參數識別、疲勞累計計數分析、數據報告與報表生成。進行時間序列分析、數據相關性分析等（如圖6）。
圖6 橋樑大數據挖掘
基於數據庫BI、OLAP等工具，進行數據分析與挖掘、數據綜合診斷、綜合評估分析。
通過橋樑分析決策雲，使橋樑數據分析挖掘平臺和大數據分析平臺可以高效滿足業務分析的需要。
“雲”管養特色
北盤江大橋基於雲技術和移動互聯網進行的系列技術探索，在交通和橋樑領域都具有廣泛的應用價值。
雲技術可支持移動互聯網技術的手機和平板軟件，這使得管養等業務更加方便、友好。用戶只要能上網，就能隨時同步，不需要像傳統數據採集那樣攜帶大量紙質資料，也不用像傳統PC軟件那樣每次拷貝大量資料，而是可以隨時調用雲端資料，進行查詢分析。
作者 / 謝浩 張傑 彭運動
作者單位 / 中交公路規劃設計院有限公司
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