云计算技术在桥梁结构健康监测中的应用

李帆广州公路工程集团有限公司

摘 要：近年来，桥梁结构健康监测的应用日益广泛。云计算技术在行业信息系统建设中具有初期投资少、资源效用高、运维成本低等技术优势。系统分析了云计算技术在桥梁结构健康监测中的技术优势，研究了采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案，并探讨了目前云计算技术桥梁健康监测在工程应用中面临的关键技术问题及解决对策。

关键词：桥梁工程;结构健康监测;云计算技术;去中心化云计算;云服务;

桥梁结构在外部荷载的长期效应、车辆荷载的疲劳效应、外界环境的侵蚀效应、内部材料的老化效应、偶然灾害的突变效应等联合作用下，在设计使用寿命期内不可避免地会出现各类结构损伤问题[1]。特别是近年来我国交通运输业发展迅速，重载大流量交通特点日益突出，导致国内部分桥梁结构承受的荷载标准已远超当初设计值，存在发生结构损伤累积破坏，造成重大经济与安全事故的风险。

为降低上述事故风险发生的概率，结构健康监测系统应运而生[2,3],并逐步成为近年来桥梁结构重要的管养手段，如润扬长江大桥、南京大胜关长江大桥、苏通长江大桥等都建立了各自的结构健康监测系统。以一座桥梁结构平均安装100多个传感器进行每秒1次的实时监测为例(振动信号通常要每秒采集上百次)估算，一座桥梁结构的健康监测系统每天采集与处理的数据就高达上亿行，达到 GB甚至TB级别。当前，我国服役的大桥及特大桥的总量在10万座以上。面对如此量级的数据采集、存储、通信与处理需求，若采用传统物理服务器的桥梁结构健康监测方案架构，如图1所示，则桥梁结构健康监测系统的建设与投资成本将十分高昂，从而严重制约结构健康监测系统在我国桥梁工程领域的应用与发展。

对此，本文针对近年来发展迅速的云计算技术[4,5,6,7],分析了其在桥梁结构健康监测中的技术优势，研究了采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案及其目前在工程应用中面临的关键技术问题及解决对策。

图1 采用传统物理服务器的桥梁结构健康监测方案架构

1云计算技术及其在桥梁健康监测中的技术优势

云计算是在并行计算、分布计算、网络计算等传统计算机技术的基础上，结合互联网技术融合发展的产物，是通过互联网实现的新型计算模式[8,9]8,9],其基本原理如图2所示。

该技术使传统个人电脑从以桌面操作为中心转向以网络操作为中心，通过操作网络中的分布式电脑，实现个人电脑上数据的存储与计算功能。云计算技术与传统计算机技术相比具备以下突出特点：(1)云计算中的软件与硬件可以通过网络连接的方式提供给用户使用，因此都可以成为用户资源；(2)用户资源在物理上表现为分散不集中的状态，但在使用时，从逻辑上是单一的、整体的；(3)用户资源可以按需进行动态扩展和配置；(4)用户可以按实际的资源使用量付费，而不需要承担管理资源产生的费用[10]10]。上述4个特征，使云计算技术在各领域的信息化建设中具有初期投资少、资源效用高、运维成本低等技术优势。在桥梁结构健康监测领域，采用云计算技术具有以下几方面的技术优势。

图2 云计算基本原理

(1)初期投资成本大幅减少。

目前要实现一座桥梁结构的小范围健康监测，最少也需要几十万元的初期投资，用来置备各类物理服务器、各类专业控制软件、数据存储设备、网络通讯设备等。而采用云计算技术进行桥梁结构健康监测时，在资源配置上，是用网络上搭建的虚拟监控中心代替了在工程现场建设的监控中心，并且各类软硬件资源均可由云计算提供商供应，或者由用户单位自行开发部分软件资源[11]11];在付费方式上，用户是依据使用资源的占用时间和规模计量付费或者计时付费，从而可以极大减少用户在使用结构健康监测初期的投资成本。以目前国内最大的云计算提供商——阿里云为例，该提供商可以提供各类不同配置的虚拟机服务，其中最便宜的虚拟机一年的使用服务费不到600元，远低于购买一套相同功能与配置相同的物理服务器、数据存储设备和网络通讯设备等所产生的费用。

(2)资源使用效率得到提高。

在建设采用传统物理服务器的桥梁结构健康监测时，为了满足系统在最大使用负载下的正常工作，其监控中心所使用各类软硬件往往必须按最大使用负载进行资源配置。但在桥梁结构的正常健康监测使用过程中，这些软硬件往往处于不饱和的使用状态甚至空闲状态，从而造成对资源的极大浪费。而采用云计算技术进行桥梁结构健康监测，可以像家里使用水、电、气那样按需获取，并且还可以根据后期结构健康监测需求的变化，随时缩减与增加资源配置，切实提高在桥梁结构健康监测中所配置的资源使用效率。

(3)无后期运营管理费用。

采用传统物理服务器的桥梁结构健康监测，其运营管理成本主要包括硬件老化、维修或更换费用，软件升级、修复或扩展费以及必要人工费。以重庆菜园坝大桥为例，每年用于桥梁结构健康监测系统维护所产生的人工费用就有约10万元[7]7]。而采用云计算技术进行桥梁结构健康监测，通常只需要花费从云计算提供商那里使用其提供的软硬件资源所产生的费用，无需花费因软硬件资源维护所产生的任何费用。

综上所述，采用云计算技术进行桥梁结构健康监测，可大幅减少结构健康监测建设初期的投资成本，有效提高资源的使用效率，消除后期运营管理费用，可以使得桥梁结构监测系统变得更加“轻便”与“节约”。

2采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案2.1方案架构形式

与采用传统物理服务器的桥梁结构健康监测方案架构不同，采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案架构采用了虚拟服务器来替代传统物理服务器，如图3所示。

图3 采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案架构

不难看出，上述采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案与采用传统物理服务器的桥梁结构健康监测方案相比，主要有以下几个不同点。

(1)数据处理服务器不同。

在上述采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案架构中，负责健康监测数据采集的服务器是虚拟服务器，从而可有效避免在工程现场搭建物理服务器可能面临的空间受限问题，并可大幅降低建设监控中心所产生的前期投入成本。因此可以为没有搭建物理服务器空间或前期投入成本预算有限的桥梁结构提供结构健康监测服务。

(2)Web服务器接口不同。

在上述采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案架构中，通过云端实现Web服务器访问，当远程用户需要访问、采集或显示数据时，可通过网络与云端直接使用 Web 服务器提供的数据采集与显示功能，而不再需要通过基于传统B/S架构的结构健康监测控制与显示界面。因此，获取桥梁结构的健康监测信息更加方便和快捷。

(3)数据传输方式不同。

在上述采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案架构中，采用无线通讯方式，用户访问Web服务器的方式更加简便与灵活，并能够通过台式电脑、移动电脑、平板电脑、智能手机等各类终端与访问Web服务器直接实现通讯，实现数据采集、存储与显示等目的。

2.2关键技术问题及对策探讨

与传统桥梁结构健康监测方案相比，采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案具有巨大的成本、效率与运维优势，是土木工程信息化发展的大势所趋。但从近年来的相关研究成果来看，目前采用云计算技术的桥梁结构健康监测研究还处于初级阶段，工程应用尚不多见[12,13,14,15,16],主要原因在于目前采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案在应用落地时，还尚存在一些关键技术问题需要进一步地研究与解决。

(1)云端数据库的设计标准问题。

桥梁结构的健康监测数据包含了各类众多传感器和网络通讯设备，它们会不间断地进行数据采集与数据传输，从而使结构健康监测数据具有海量性和多样性的特点；同时，各类传感器的类别、型号、生产厂商等存在较大差异，进一步导致结构健康监测数据还具有显著的异构性。这些海量性、多样性和异构性的结构健康监测数据会直接造成数据存储难度大、调用效率低、维护成本高等问题，不仅会影响云端数据库的存储及管理效率，而且还会降低结构健康监测的稳定性、可靠性和实时性。对此，文献[12]提出一种三层次云端数据库结构，如图4所示，不仅使云端数据库结构更加清晰，而且还保持了不同桥梁结构间监测信息的独立性，提高了云端数据库的可复用性，并具有良好的可扩展性(新桥梁项目的接入可配置新的数据库服务器，新监测技术的接入可建立新的子数据库，新监测项目的接入可建立新的存储表格)。这种结构为云端数据库存在的设计标准问题提供了一种重要解决对策。

图4 一种三层次云端数据库结构

(2)监测数据的安全与保密问题。

目前云计算技术根据需求的不同云计算原理，有以下3种具体的云部署方式：私有云、公共云和混合云[17]。私有云是为某个用户或机构专门构建的云端基础设施，通常部署在用户或机构的数据中心防火墙之内，用户或机构对该云端拥有绝对的控制权，因此能极大地保障云端内数据的安全以及云服务质量，但安装成本很高，远程访问和数据共享也相对困难。公有云通常是指云计算提供商为用户完成目标业务提供的按量计费云服务，部署简单便捷，无需耗费安装与维护方面的精力。混合云是指在云部署中混合了私有云与公有云两种方式，既通过私有云满足了用户对高度重要数据的安全保护需求，也通过公有云满足了用户对简单、便捷、低廉虚拟资源的使用需求，为用户提供了多样灵活的选择，较大地节省了成本和资源。但目前混合云仍处于探索研究阶段，其部署过程较为复杂，后期维护较为困难，同时在匹配不同云、数据、基础设施时可能会出现兼容性的问题。对此，文献[18]提出了一种通过区块链技术结合云计算技术的去中心化云计算部署方式，如图5所示。一方面，它可以避免由于存储、计算的集中化而过度依赖一个云平台容易造成的数据安全问题，同时分散的节点在理论上可以使云计算做到永不宕机，这是一种机制上的先天优势；另一方面，通过去中心化云计算可以有效保证数据的保密性，彻底杜绝以往数据保密只能靠中心化云平台的“自觉”这一弊端。这为监测数据存在的安全与保密问题，提供了一种重要解决对策。

图5 去中心化云计算技术

(3)监测数据的存储问题。

当前，我国服役的大桥及特大桥总量在10万座以上。按照未来监测每座桥每天产生1 GB的数据量计算，每天通过桥梁结构健康监测获取的数据量就要达到100TB级，这对云计算技术都将是一种巨大的考验。对此，文献[6]结合滑动窗口数据流理论与K线图理论提出了一种基于K线图时间片驱动的滑动窗口数据流处理技术，如图6所示，不仅可以利用滑动窗口数据流理论实时快速处理通过桥梁结构健康监测系统获取的海量数据流，而且还可以利用K线图原理筛选减少数据点数，并快速形象地反映桥梁结构健康监测数据的变化趋势与波动情况。例如，在监测桥梁结构的索力数据时，由于其采集频率通常较高，需要达到20～100 Hz,因此数据量会很大，而使用本技术后，存储的数据量可以减少20倍[6]。这为监测数据存在的存储问题，提供了一种重要解决对策。

3 结语

云计算技术应用于桥梁结构健康监测中具有巨大的成本、效率与运维优势。本文系统研究了采用云计算技术的桥梁结构健康监测方案，并探讨了其在工程应用中尚存在的一些关键技术问题及解决对策，得出以下主要结论。

(1)相比于采用传统物理服务器的桥梁结构健康监测，采用云计算技术的桥梁结构健康监测具有初期投资成本少、资源使用效率高、无后期运维费用等技术优势。

图6 基于K线图时间片驱动的滑动窗口 数据流处理模型

(2)与采用传统物理服务器的桥梁结构健康监测方案相比，基于云计算技术的健康监测方案的主要区别是采用虚拟服务器替代了传统物理服务器，有效避免了工程现场安装物理服务器可能面临的空间受限问题。

(3)桥梁结构健康监测与云计算技术相结合是土木工程信息化的重要发展趋势，但目前尚需进一步研究与解决云端数据库的设计标准问题，以及监测数据的安全性、保密性和存储问题。

(4)当前采用三层次云端数据库结构标准、去中心化云计算技术以及滑动窗口数据流处理技术等，有望为采用云计算技术的桥梁结构健康监测的应用与发展提供重要解决对策。

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（编辑：晋中站长网）

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