基于传感网的基础设施智能云平台
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摘 要：随着城市规模扩大、人口激增、交通日趋繁忙，传统的市政基础设施管理模式与现实需求之间的矛盾日益凸显。市政基础设施旧的管理模式不断落后是摆在城市管理者面前的一个严峻问题。智能基础设施是运用先进的信息技术、传感技术与通讯技术所构建的一种新型城市基础设施的管理云平台。传感网通过实时采集结构体的响应数据，将其传输回云计算中心，通过运用精密的数学模型对数据进行快速分析，发现数据的模式、相关性和异常值，从而对市政基础设施的运行状态做出准确预测。
关键词：传感网;城市基础设施;智能云平台;运行状态;管理模式;数学模型
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）04-0-03
0 引 言
桥梁、隧道、道路、地下管线以及大型地下空间体等构成了城市基础设施群，它们的健康营运确保了城市功能的正常运转。市政基础设施不仅承受着各种人流、车载、土水压力等荷载作用，同时随时还可能遭受到地震、台风、洪水、人为破坏甚至恐怖袭击的不利影响;此外，构成市政基础设施的材料如混凝土、钢材等自身还会随时间产生腐蚀、老化以及疲劳等效应[1-2]。由于无法及时获取分布在城市各处的市政基础设施的营运状态信息，往往导致其管养效率低下，老化损伤严重，对紧急事件的响应难以及时到位，并给城市的正常运转造成不利影响甚至是严重
危害[3-4]。
智能基础设施是运用先进的信息技术、传感技术与通信技术所构建的一种新型城市基础设施的管理模式及平台，其主要是通过在设施结构体上布置大量传感器来实现，因此这种方式也被称作传感器网络（简称传感网）技术[5-6]。它可以实现对基础设施自身各类物理信息的收集、传输、储存、整理、分类、展示、分析、决策与调度等一系列功能，进而有效解决城市基础设施管理难题[7-8]。
1 基本工作原理
目前可以构成市政基础设施传感网的传感器种类较多，根据传感原理分类，应用较广的主要有：电阻应变式传感器、振弦式传感器、光纤传感器和微机电（MEMS）传感器等几类。其中电阻应变式传感器与振弦式传感器出现时间较早，但它们不同程度上均存在电磁干扰以及耐久性不足等缺陷，近年来正逐步为光纤传感器等新兴传感器所取代。
1.1 光纤传感技术
光纤传感根据传感原理划分，具体共有上百种传感方式。其中光纤光栅（FBG）传感技术在目前市政基础设施传感网监测中的应用最为广泛，下面对光纤光栅传感技术做简要的介绍。
光纤光栅（FBG）分布在光纤体内，可由紫外光对光纤侧面进行曝光，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布而得到。FBG传感器分布在光纤纤芯的一小段范围内，它的折射率沿光纤轴线发生周期性变化，纤芯的明暗变化代表了折射率的周期变化。FBG分布式测量原理如图1所示[9-10]。
FBG传感器的最大优势是它可以实现应力与温度的准分布式测量，也就是将具有不同栅距L的布喇格光栅间隔地制作在同一根光纤上，就可以用同一根光纤复用多个FBG传感器，实现对待测结构定点的分布式的测量。由于该复用系统中每一个FBG传感器的位置与lB都是确定的，分别对它们的波长移动量Dl进行检测，就可以准确地对各FBG传感器所在处的扰动信息进行监测。此外，通过专门的装置封装，还可用FBG传感器对压力、位移等物理量进行测量[11]。
1.2 MEMS无线传感技术
MEMS传感器采用了一种芯片级的嵌入式传感技术，传感器在微小体积内集成了信息采集、数据处理和无线射频通信等多种功能。任意部署在监测区域内的大量微型MEMS传感器节点，通过无线通信所组成的多跳的自组织网络，可实现对待监测物体的协作感知、采集和信息处理[12]。
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）主要具有以下特征。
（1）分布式。网络中没有严格的控制中心，所有节点平等，节点之间通过分布式的算法来协调彼此的行为，是一个对等式网络。
（2）自组织。网络节点具有自组织的能力，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻、任何地方快速展开并自动组网，自动进行配置和管理，通过适当的网络协议和算法自动转发监测数据。
（3）拓扑变化。网络中的节点具备移动能力，可以适应节点在工作和睡眠状态间切换、传感器节点发生故障而失效或新传感器节点补充进来等拓扑变化。
（4）以数据为中心。无线传感器網络不同于传统网络的寻址过程，它能够快速、有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户[13]。
2 后端云计算
云计算的基本原理是通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。云计算通过网络提供用户所需的计算力、存储空间、软件功能和信息服务等，其新颖之处在于它几乎可以提供无限的廉价存储和计算能力[14-15]。云计算技术体系如图2所示。
3 工程解决方案
3.1 隧道传感网解决方案
隧道传感网（安全预警与健康监测）系统的硬件拓扑结构如图3所示。各个监测断面的传感器通过数据采集单元（光纤传感器为光纤光栅解调仪;振弦式传感器或其他模拟量传感器为MCU信号采集单元）输入同在以太网中的工控机内，工控机对数据进行预处理后将结构的重要信息传送到以太网中的数据库服务器内[16-17]。此外，人工检测的数据也可通过软件平台录入到服务器中。数据库服务器同时与隧道机电系统相连，可实现大屏显示等功能。同时，服务器还可通过Internet或专网与外部相连，与其他基础设施的服务器共同组成云计算中心。 单体系统的软件基本功能拓扑结构如图4所示。系统分为两个部分，工控机上运行的是系统控制部分（即下位机软件），其中包括系统数据库，预警报警系统、仪器控制与数据采集系统、安全及健康评估系统以及数字化管养系统。任意网内工作站可以通过运行上位机软件登录服务器进行数据浏览与分析，其中上位机软件的功能模块包括实时数据查询、历史数据分析、有限元分析、安全状态评估、数字化管养以及系统日志等。
3.2 桥梁传感网解决方案
新建桥梁传感网（安全预警及健康监测）系统布置如
图5所示。根据桥梁的结构特点在桥梁的控制断面预埋光纤光栅钢筋计与光栅光栅温度计，各断面传感器引入桥侧藏线盒后接入总缆，在桥端位置通过光纤光栅解调仪将信号现场处理，然后通过3G无线数据通信方式将桥梁状态异常报警信息或定期统计数据发送到远端的云计算中心[18]。无线传感器网络工作原理如图6所示。
4 结 语
智能基础设施云平台是运用先进的信息技术、传感技术与通信技术所构建的一种新型城市基础设施管理平台。它可以实现对基础设施自身各类物理信息的收集、传输、储存、整理、分类、展示、分析、决策与调度等一系列功能，进而有效解决城市基础设施管理难题。传感网技术将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合，改变了人类与存在环境间的交互方式，扩展了网络的功能和人类认识客观世界的能力。
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