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談橋梁健康監測(4/5)-軟件系統設計的重難點怎么解決？
上一篇我與大家討論了橋梁健康監測施工環節的相關內容，施工工程完成后即進入下一個階段——軟件設計。今天，我們就從需求設計和技術重難點的角度，討論一下軟件設計相關的內容。
一、需求設計
按照監測項目的流程，應該滿足工程、業務、運維三個角度的需求。
1、工程系統
工程系統主要使用者為系統建設單位，建立與前端采集系統的通訊和信息交互，包括設備庫管理、硬件組網配置、固件庫管理、設備參數配置、設備狀態查詢、設備時鐘同步、設備恢復重啟、設備固件升級、數據前處理算法管理等信息，滿足工程人員前端調試的需求。
另外還應具備一些業務數據類的管理，如結構物基本信息管理、監測項設計、測點管理、用戶管理、權限管理等。
2、業務系統
業務系統是三個系統中的主系統，主要滿足終端用戶的需求，實現以下功能。
展示：提供友好的交互式圖形用戶界面，主要展示畫面包括系統主頁、駕駛艙、結構物首頁等的設計；數據的展示包括二維平面圖和3D模型的展示，可展示測點的位置、屬性、實時歷史曲線等信息；數字孿生的展示，將輸入與響應數據的同步展示，如視頻圖像與動撓度的同步展示，稱重系統與橋梁結構響應的同步展示等。
報警：包括報警方法（閾值、偏差、變化率、聯合）設計、報警閾值確認（理論分析、歷史數據、規范規定和養護經驗綜合判斷）、報警值配置（提供批量報警、單點報警的編輯等）、報警推送（不同的報警級別信息通過短信、郵件等手段推送至不同的角色和用戶）、報警歷史（現有報警信息統計、已消警的歷史統計）等。
聯動：監測數據與其他系統的關聯，如與聲光告警裝置的聯動，當產生報警時通過語音和光電提醒值班人員關注；與攝像機的聯動，當動撓度超過某限值時，聯動攝像機記錄重車信息，輸入和響應相結合；與定期觀測或荷載實驗的結果關聯結合分析，相互驗證確保數據的準確性。
分析：數據分析可分為數據在線分析、工程應用分析、離線分析和多重下載機制等。在線分析主要作為某個時間段數據的下載和查看，包括時域分析、頻域分析和幅域分析等功能；工程應用分析包括風環境分析、動撓度分析、荷載效應分析等；離線分析包括模態識別、單向板受力評估、疲勞評估等；多重下載機制包括定期下載、多測點下載、動態數據下載等。
評估：評估一直是健康監測發展的瓶頸，海量的數據如何利用？如何有效的預測橋梁的結構狀態？一直是一個值得深入研究的課題。隨著科學技術的發展，深度的機器學習等人工智能技術可在監測數據的利用上大放異彩。另外橋梁定檢、荷載試驗、定期觀測、健康監測等多種數據的綜合評估，也是有效評價橋梁結構服役性能的有效評估方法。因此軟件系統中評估模塊的設計和效果是監測系統的重要組成部分。
3、運維系統
隨著工程項目的增多，系統的運維也是非常重要的一個環節，一個成功的系統肯定離不開專業的運維。健康監測整個系統的運維主要包含硬件設備的運維和軟件系統的運維，這里主要介紹運維系統軟件部分的內容。
現場運維：現場運維主要實現的是對傳感器、數據采集傳輸設備等的日常管理、定期檢查與維護、異常處置的相關內容進行管理，包括計劃制定與提醒、表格模版管理、巡視管理等信息，保證前端硬件設備的穩定運行。具體流程可參考T/CECS652-2019《結構健康監測系統運行維護與管理標準》。
軟件運維：軟件運維主要包括前端服務器設備的運行狀況監控及預警、各子系統心跳狀態監控、各子模塊的啟停、前端硬件設備狀態識別及預警等，以保證軟件系統各模塊的穩定運行。
二、技術重難點
雖然健康監測系統的同質化很嚴重，但針對一些技術問題的解決方案還是值得研究和討論的。鑒于篇幅限制，我們僅討論以下幾點：
1、數據協議統一
針對傳感器類型多協議不統一的問題，可參考物聯網的MQTT協議（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議），它是一種基于發布/訂閱模式的"輕量級"通訊協議，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用，是健康監測系統的首選通訊協議。
MQTT發布消息的內容可以是二進制數據，也可以是JSON格式的文本，可以應對不同類型傳感器，不同采集頻率，不同數據格式的打包封裝。
MQTT提供三種消息發布服務質量（“至多一次”“至少一次”和“只有一次”），可以根據網絡帶寬、數據重要度等因素進行選擇，最大限度地保證數據傳輸的可靠性。
通過MQTT服務器的代理機制，解決了物聯網系統從服務器到設備數據下行通信的難點，為設備運行維護、軟件升級等提供了可靠的手段。
MQTT發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，不僅解決了應用程序耦合問題，也大大提升了數據處理的效率。
2、海量數據存儲
健康監測系統的分析和評估時間是基于長期積累的海量歷史數據進行的，這些基于時間序列數據的存儲，由于關系型數據庫（RDB）無法滿足對時間序列數據的有效存儲與處理，可采用時序數據庫（TSDB）。
時間序列數據庫主要用于處理帶時間標簽（按照時間的順序變化，即時間序列化）的數據，帶時間標簽的數據也稱為時間序列數據。時序大數據解決方案通過使用特殊的存儲方式，使得時序大數據可以高效存儲和快速處理海量時序大數據，是解決海量數據處理的一項重要技術。
時序大數據解決方案實現了以下功能：
極大提高了時間相關數據的處理能力，有效處理龐大數據。
相對于關系型數據庫存節省空間50%，有效降低I/O。
主鍵索引更有效，查詢性能遠超過關系型數據庫。
關于軟件設計的相關內容就介紹到這，下一篇我將與大家討論一下關于結構評估相關內容，期待與您進一步交流、指正。
作者簡介
張碩玉
路安交科（北京）監測科技有限公司技術工程師
畢業于北京工業大學
碩士學位
橋隧檢測師
發明專利2項
主要從事基礎設施智慧管養和智能監測相關工作
主持參與了城市橋梁智慧管養平臺、布達拉宮健康監測平臺等多項軟件開發工作
參與了多項行業技術規程的編制；參與了華清大橋、金城公鐵立交大橋等多個大橋的健康監測工作
