俞春，李超，滕德貴

(1.重慶市勘測(cè)院，重慶 401121； 2.重慶市智能感知大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 401121)

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重慶市工程安全監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用

俞春1*，李超1，2，滕德貴1，2

(1.重慶市勘測(cè)院，重慶 401121； 2.重慶市智能感知大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 401121)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)與重慶市大型建筑工程安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了搭建重慶市工程安全監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的總體思路，探討了分布式數(shù)據(jù)采集、云環(huán)境部署、跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)等平臺(tái)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，運(yùn)用開(kāi)源框架Coolite以及Web+消息中間件+Sqlserver的綜合數(shù)據(jù)交互技術(shù)，建成了一套城市大型建構(gòu)筑物工程安全監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。關(guān)鍵詞：云計(jì)算；物聯(lián)網(wǎng)；分布式數(shù)據(jù)采集；工程安全監(jiān)測(cè)；大型建構(gòu)筑物

1 引 言

重慶自1997年成立直轄市以來(lái)，城市大型建構(gòu)筑物工程建設(shè)迅猛發(fā)展，體量不斷增長(zhǎng)。在給社會(huì)大眾提供便利的同時(shí)，部分基礎(chǔ)設(shè)施的安全健康問(wèn)題也表現(xiàn)得日益突出。近年來(lái)，由于基礎(chǔ)設(shè)施的損壞、故障事件帶來(lái)的公共安全事故增多，經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失總量驚人。如電梯運(yùn)營(yíng)故障、橋梁垮塌、小石壩高架橋等事件。大型建構(gòu)筑物的安全狀況直接關(guān)系到廣大人民群眾的生命安全和城市形象，政府管理部門(mén)需要及時(shí)掌握其安全狀況。傳統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)已難以滿(mǎn)足相關(guān)監(jiān)測(cè)部門(mén)因項(xiàng)目類(lèi)型各異，工程項(xiàng)目多，數(shù)據(jù)量大帶來(lái)的海量數(shù)據(jù)分析和管理的需求。以當(dāng)前興起的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等高新技術(shù)為契機(jī)，實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的跨界結(jié)合，成為安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域令人期待的發(fā)展方向。

以此為背景，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和重慶大型建構(gòu)筑物安全監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀，搭建了重慶市工程安全監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，平臺(tái)針對(duì)各類(lèi)型的工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，提供了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多尺度瀏覽、數(shù)據(jù)快速分析與預(yù)警預(yù)報(bào)、自動(dòng)化輸出成果報(bào)告等功能，為重慶市工程安全監(jiān)測(cè)的高效管理提供了可視化的支撐平臺(tái)。

2 平臺(tái)框架

工程安全監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、供電防雷子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、項(xiàng)目生產(chǎn)管理子系統(tǒng)、預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)六部分組成，如圖1所示。

圖1 重慶市工程安全監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是平臺(tái)的數(shù)據(jù)來(lái)源，需接入不同類(lèi)型的測(cè)量設(shè)備，例如GNSS設(shè)備、測(cè)量機(jī)器人、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、視頻監(jiān)控等傳感器，并實(shí)現(xiàn)兼容多源數(shù)據(jù)的采集融合，包括傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基于移動(dòng)端的半自動(dòng)化采集和基于服務(wù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集。

供電防雷子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集服務(wù)，為設(shè)備供電的同時(shí)，提供防雷、防盜、防水、防塵等功能，保障前端的測(cè)量傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊能夠穩(wěn)定、可靠、安全的運(yùn)行。

數(shù)據(jù)中心采用云平臺(tái)搭建的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB服務(wù)、備份服務(wù)等多種不同功能服務(wù)器的虛擬化，對(duì)云環(huán)境中的數(shù)據(jù)資源和服務(wù)資源進(jìn)行集中管理，能夠很好地適應(yīng)海量用戶(hù)的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)和負(fù)載均衡。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)為核心，提供數(shù)據(jù)瀏覽、處理分析、可視化交互、綜合評(píng)估等功能。

項(xiàng)目生產(chǎn)管理子系統(tǒng)主要提供了項(xiàng)目綜合管理、監(jiān)測(cè)方案定制、工作安排提醒、工作量考核等功能模塊，為項(xiàng)目管理人員提供高效管理的服務(wù)功能。

預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)的相關(guān)理論模型，進(jìn)行安全評(píng)估和預(yù)測(cè)，并通過(guò)短信、郵件、聲光報(bào)警等形式進(jìn)行信息發(fā)布，為政府管理部門(mén)應(yīng)急搶險(xiǎn)和指揮決策提供輔助分析服務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

搭建工程安全監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：能實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的兼容、不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)統(tǒng)一，并利用云端策略實(shí)現(xiàn)終端用戶(hù)對(duì)海量安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效管理和利用，為不同平臺(tái)的終端用戶(hù)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的應(yīng)用服務(wù)。平臺(tái)技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示：

圖2 平臺(tái)技術(shù)路線(xiàn)

3.1 分布式數(shù)據(jù)采集

在城市大型建構(gòu)筑物工程安全監(jiān)測(cè)中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑體多個(gè)物理量的數(shù)據(jù)采集，通常采用多種類(lèi)型的監(jiān)測(cè)傳感器。本平臺(tái)集成了平面位移、沉降、裂縫、應(yīng)力應(yīng)變、傾斜等多種監(jiān)測(cè)傳感器，并基于自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)多通道振弦式通用控制終端，如圖3所示，將關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的多個(gè)傳感器組建為一個(gè)局域網(wǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，最大限度提高傳感器集成的兼容性。多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)建構(gòu)筑體多種物理量的遠(yuǎn)程自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)。多傳感器節(jié)點(diǎn)部署模型如圖4所示：

圖3 四通道振弦式通用控制終端

圖4 分布式數(shù)據(jù)采集部署模型

節(jié)點(diǎn)1由GNSS設(shè)備、測(cè)量機(jī)器人、溫濕度傳感器、節(jié)點(diǎn)控制單元組成；節(jié)點(diǎn)2由三維激光掃描儀、GNSS與氣象傳感器、節(jié)點(diǎn)控制單元組成；節(jié)點(diǎn)3包含了裂縫傳感器、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)、節(jié)點(diǎn)控制器等。其中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)控制器是平臺(tái)設(shè)備端的最小組成單元，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)監(jiān)測(cè)傳感器的遠(yuǎn)程管理、狀態(tài)查詢(xún)?？刂破髦С侄唐跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)，具有設(shè)備遠(yuǎn)程管理、參數(shù)遠(yuǎn)程配置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、遠(yuǎn)程喚醒、預(yù)警觸發(fā)等功能，完成多種工作模式下傳感器輸出數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)等類(lèi)型數(shù)據(jù)的采集。此外，為最大限度地降低數(shù)據(jù)并發(fā)量，平臺(tái)基于分布式體系組建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)備終端的管理與數(shù)據(jù)采集，便于平臺(tái)管理層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的云端計(jì)算、分析評(píng)估等操作。

3.2 云環(huán)境部署

云環(huán)境部署主要包括基礎(chǔ)設(shè)施部署、服務(wù)器資源虛擬化、應(yīng)用服務(wù)部署等內(nèi)容，如圖5所示：

圖5 平臺(tái)云環(huán)境部署策略

平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一部署在機(jī)房數(shù)據(jù)中心，通過(guò)接入Internet為各管理部門(mén)和建設(shè)業(yè)主提供在線(xiàn)應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)。涉密數(shù)據(jù)通過(guò)防火墻實(shí)現(xiàn)物理隔離，保證數(shù)據(jù)安全。

服務(wù)器資源虛擬化采用VMWare vSphere套件實(shí)現(xiàn)。客戶(hù)端利用vSphere Client創(chuàng)建集群并添加物理主機(jī)，資源池生成后，從中創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例，并安裝vCenter Server以支持多主機(jī)集中管理。利用vShield Manager實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)；利用vCloud Director實(shí)現(xiàn)多租戶(hù)管理，即將資源劃分并在邏輯上分配給不同組織，同時(shí)對(duì)組織資源進(jìn)行管理和控制。

服務(wù)層部署包括管理集群和引用集群，通過(guò)虛擬化和并行計(jì)算等云端技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)地將地圖交互、數(shù)據(jù)采集、快速計(jì)算、安全評(píng)估等服務(wù)功能定位到所需要的物理平臺(tái)上，清理空閑的節(jié)點(diǎn)，更有效地使用硬件資源。同時(shí)建立虛擬化資源池，使硬件和數(shù)據(jù)資源得以充分利用，實(shí)現(xiàn)資源合理調(diào)度和負(fù)載均衡。

3.3 跨平臺(tái)綜合開(kāi)發(fā)

本平臺(tái)的主要用戶(hù)包括政府行政管理部門(mén)、項(xiàng)目建設(shè)單位、第三方監(jiān)測(cè)單位和社會(huì)公眾等，涵蓋范圍廣，因此用戶(hù)終端平臺(tái)的類(lèi)型多種多樣，如Windows、Linux等常見(jiàn)的PC設(shè)備以及IOS、安卓等智能終端設(shè)備。本平臺(tái)在軟件服務(wù)開(kāi)發(fā)模式上采用ICE、Xamarin等開(kāi)放式的跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)框架，能滿(mǎn)足不同操作系統(tǒng)的用戶(hù)隨時(shí)隨地、方便快捷的查詢(xún)、瀏覽監(jiān)測(cè)實(shí)施數(shù)據(jù)，且能遠(yuǎn)程控制安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，做到實(shí)時(shí)高效、精準(zhǔn)可靠地工程安全監(jiān)測(cè)服務(wù)。

4 應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)基于B/S框架實(shí)現(xiàn)，利用開(kāi)源框架Coolite，基于Ajax+Json技術(shù)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用web+消息中間件+sqlserver的綜合數(shù)據(jù)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新和信息發(fā)布?？梢暬?wù)采用重慶市勘測(cè)院自主研發(fā)的“愛(ài)尚地圖”和“三維集景平臺(tái)”，通過(guò)webservice和富客服端等技術(shù)，為平臺(tái)的多尺度可視化提供了技術(shù)支撐，另外，平臺(tái)采用完整連貫的開(kāi)源統(tǒng)計(jì)分析工具R語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與安全評(píng)估功能。

B/S應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、展示、可視化交互、數(shù)據(jù)分析、成果報(bào)表等功能，部分功能界面如圖6～圖8所示：

圖6 隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目二維視圖瀏覽與交互

圖7 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

圖8 涉軌監(jiān)測(cè)項(xiàng)目視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控

5 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自主研發(fā)多傳感器分布式數(shù)據(jù)采集器，并結(jié)合VMware虛擬化、分布式存儲(chǔ)和跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)等前沿技術(shù)，搭建了一套城市大型建構(gòu)筑物工程安全監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，平臺(tái)物理組成上包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、供電防雷子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、項(xiàng)目生產(chǎn)管理子系統(tǒng)、預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)等六部分組成。目前平臺(tái)在線(xiàn)服務(wù)項(xiàng)目已達(dá)100多項(xiàng)，項(xiàng)目主要涉及橋梁、邊坡、隧道以及涉軌監(jiān)測(cè)，平臺(tái)應(yīng)用效果良好。但在使用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些不足，如數(shù)據(jù)采集工控機(jī)斷電重啟不穩(wěn)定、在線(xiàn)成果輸出效率較低等問(wèn)題，平臺(tái)下一步將針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

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The Construction and Application of Big Data Platform on Geotechnical Safety onitoring of Chongqing

Yu Chun1，Li Chao1，2，Teng Degui1，2

(1.Chongqing Surveying Institute，Chongqing 401121，China；2.Chongqing Collaborative Innovation Center of Smart Sensing & Big Data，Chongqing 401121，China)

By integrating cases of Internet of Things Technology，Cloud Computing Technology and safety monitoring status of Chongqing large building，the dissertation puts forward the general idea of building a large data platform for Geotechnical safety monitoring of Chongqing，explores the key technologies of platform construction such as distributed data acquisition，the cloud-based environment deployment，cross-platform development and builds up a big-data application service platform based on urban infrastructure via the open source framework (Coolite) and a comprehensive data interaction technology integrated by Web，Message Oriented Middleware and Sqlserver.

cloud computing；internet of things；distributed data acquisition；geotechnical safety monitoring；large building

1672-8262(2016)05-10-05

P208.2

A

2016—06—13

俞春(1965—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：工程安全監(jiān)測(cè)及信息化。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2013-K8-17)；重慶市智能感知大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心(cstc2015yfpt_cyjsxt0037)