上一篇我與大家討論了橋梁健康監(jiān)測(cè)施工環(huán)節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，施工工程完成后即進(jìn)入下一個(gè)階段——軟件設(shè)計(jì)。今天，我們就從需求設(shè)計(jì)和技術(shù)重難點(diǎn)的角度，討論一下軟件設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容。

一、需求設(shè)計(jì)

按照監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的流程，應(yīng)該滿足工程、業(yè)務(wù)、運(yùn)維三個(gè)角度的需求。

1、工程系統(tǒng)

工程系統(tǒng)主要使用者為系統(tǒng)建設(shè)單位，建立與前端采集系統(tǒng)的通訊和信息交互，包括設(shè)備庫(kù)管理、硬件組網(wǎng)配置、固件庫(kù)管理、設(shè)備參數(shù)配置、設(shè)備狀態(tài)查詢、設(shè)備時(shí)鐘同步、設(shè)備恢復(fù)重啟、設(shè)備固件升級(jí)、數(shù)據(jù)前處理算法管理等信息，滿足工程人員前端調(diào)試的需求。

另外還應(yīng)具備一些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類的管理，如結(jié)構(gòu)物基本信息管理、監(jiān)測(cè)項(xiàng)設(shè)計(jì)、測(cè)點(diǎn)管理、用戶管理、權(quán)限管理等。

2、業(yè)務(wù)系統(tǒng)

業(yè)務(wù)系統(tǒng)是三個(gè)系統(tǒng)中的主系統(tǒng)，主要滿足終端用戶的需求，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)主頁(yè)、駕駛艙、結(jié)構(gòu)物首頁(yè)等的設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)的展示包括二維平面圖和3D模型的展示，可展示測(cè)點(diǎn)的位置、屬性、實(shí)時(shí)歷史曲線等信息；數(shù)字孿生的展示，將輸入與響應(yīng)數(shù)據(jù)的同步展示，如視頻圖像與動(dòng)撓度的同步展示，稱重系統(tǒng)與橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的同步展示等。

報(bào)警：包括報(bào)警方法（閾值、偏差、變化率、聯(lián)合）設(shè)計(jì)、報(bào)警閾值確認(rèn)（理論分析、歷史數(shù)據(jù)、規(guī)范規(guī)定和養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)綜合判斷）、報(bào)警值配置（提供批量報(bào)警、單點(diǎn)報(bào)警的編輯等）、報(bào)警推送（不同的報(bào)警級(jí)別信息通過短信、郵件等手段推送至不同的角色和用戶）、報(bào)警歷史（現(xiàn)有報(bào)警信息統(tǒng)計(jì)、已消警的歷史統(tǒng)計(jì)）等。

聯(lián)動(dòng)：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與其他系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，如與聲光告警裝置的聯(lián)動(dòng)，當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)通過語音和光電提醒值班人員關(guān)注；與攝像機(jī)的聯(lián)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)撓度超過某限值時(shí)，聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)記錄重車信息，輸入和響應(yīng)相結(jié)合；與定期觀測(cè)或荷載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果關(guān)聯(lián)結(jié)合分析，相互驗(yàn)證確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

分析：數(shù)據(jù)分析可分為數(shù)據(jù)在線分析、工程應(yīng)用分析、離線分析和多重下載機(jī)制等。在線分析主要作為某個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)的下載和查看，包括時(shí)域分析、頻域分析和幅域分析等功能；工程應(yīng)用分析包括風(fēng)環(huán)境分析、動(dòng)撓度分析、荷載效應(yīng)分析等；離線分析包括模態(tài)識(shí)別、單向板受力評(píng)估、疲勞評(píng)估等；多重下載機(jī)制包括定期下載、多測(cè)點(diǎn)下載、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)下載等。

評(píng)估：評(píng)估一直是健康監(jiān)測(cè)發(fā)展的瓶頸，海量的數(shù)據(jù)如何利用？如何有效的預(yù)測(cè)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)？一直是一個(gè)值得深入研究的課題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，深度的機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)可在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的利用上大放異彩。另外橋梁定檢、荷載試驗(yàn)、定期觀測(cè)、健康監(jiān)測(cè)等多種數(shù)據(jù)的綜合評(píng)估，也是有效評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)服役性能的有效評(píng)估方法。因此軟件系統(tǒng)中評(píng)估模塊的設(shè)計(jì)和效果是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。

3、運(yùn)維系統(tǒng)

隨著工程項(xiàng)目的增多，系統(tǒng)的運(yùn)維也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)成功的系統(tǒng)肯定離不開專業(yè)的運(yùn)維。健康監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)維主要包含硬件設(shè)備的運(yùn)維和軟件系統(tǒng)的運(yùn)維，這里主要介紹運(yùn)維系統(tǒng)軟件部分的內(nèi)容。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維：現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備等的日常管理、定期檢查與維護(hù)、異常處置的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行管理，包括計(jì)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(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。具體流程可參考T/CECS652-2019《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)與管理標(biāo)準(zhǔn)》。

軟件運(yùn)維：軟件運(yùn)維主要包括前端服務(wù)器設(shè)備的運(yùn)行狀況監(jiān)控及預(yù)警、各子系統(tǒng)心跳狀態(tài)監(jiān)控、各子模塊的啟停、前端硬件設(shè)備狀態(tài)識(shí)別及預(yù)警等，以保證軟件系統(tǒng)各模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。

二、技術(shù)重難點(diǎn)

雖然健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同質(zhì)化很嚴(yán)重，但針對(duì)一些技術(shù)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(diǎn)：

1、數(shù)據(jù)協(xié)議統(tǒng)一

針對(duì)傳感器類型多協(xié)議不統(tǒng)一的問題，可參考物聯(lián)網(wǎng)的MQTT協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議），它是一種基于發(fā)布/訂閱模式的"輕量級(jí)"通訊協(xié)議，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用，是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的首選通訊協(xié)議。

 MQTT發(fā)布消息的內(nèi)容可以是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，也可以是JSON格式的文本，可以應(yīng)對(duì)不同類型傳感器，不同采集頻率，不同數(shù)據(jù)格式的打包封裝。

MQTT提供三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量（“至多一次”“至少一次”和“只有一次”），可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)重要度等因素進(jìn)行選擇，最大限度地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/div>